激光熔覆技术及研究展望

毛测宇 靳兆文* 王洪波

（南京科技职业学院 江苏·南京 211500）

1 激光加工技术及应用

激光加工是利用激光束照射到基材表面，利用产生的热效应来完成加工的技术。激光加工应用的领域有激光切割、激光焊接、激光熔敷和激光打标等先进技术[1]，相对于传统加工技术，具有热输入小、变形小、应力小、效率高、应用广泛等优点。

在激光切割领域，激光应用在被切割材料的厚度和幅度上都较传统方式有了大幅改善，光纤激光切割机在平面切割和斜角切割加工上都有优势，切割出的边缘整齐、平滑，相对于火焰切割等传统技术，相对比较环保，且价格效率较高，在加工制造领域属于领先技术。

在激光熔敷领域，是利用高能密度的激光束，将焊接粉末熔凝在基材表面薄层一种技术，形成的熔覆薄层可以改善材料表面耐蚀性、耐热性和耐磨性，是一种绿色的再制造技术。航空、石油化工等领域使用较广，特别适合大型传动类设备，设备价格昂贵且损伤量小场合。

在激光焊接领域，激光焊接在国内外都得到了广泛的应用。近些年来以高功率光纤激光器为基础的激光焊接，广泛应用于汽车制造、石油管道、航天航空、轨道交通及能源电力等领域，很大程度推动了产品质量的提升，对生产效率上也有明显促进作用。

2 激光熔覆技术研究进展

激光熔覆作为激光加工的重要分支之一，该技术被产业化后，国内外学者围绕焊接参数对熔覆层的性能和作用机理做了一系列的大量研究，涌现出了大量成果，其中相当一部具有实用价值。江吉彬[2]等对激光熔覆技术的国内外研究现状进行了分析，指出对激光熔覆质量影响较大的有焊接工艺参数、质量参数、过程参数、激光光源、基材材质、焊接粉末、送粉系统等几个方面；许明三[3]等做了正交试验，以粉末材质、熔覆功率、熔覆扫描速度为研究对象，研究发现合金粉末材质是影响熔覆层结合强度的重要因素；杜学芸[4]等重点检测了熔覆层的耐腐蚀性能，选择使用能量密度不同的大功率激光器作为熔覆试验基础，对熔覆层进行中性盐雾试验，得出能量密度越高，形成法人熔覆层微观组织差异就越大，耐蚀性能也会越差的结论。

若将有限元模拟运用到熔敷工艺参数的选定上，根据实际情况调整模型再对相关参数进行微调，可大幅度缩短融敷焊工艺确定的试验周期。Han[5]等人解除了二维流体和能量方程，结果预测熔池的温度分布情况和内部几何形状。Hoadley和Rappaz[6]提出了一个计算激光熔覆过程中稳态温度的二维模型，得出了基体温度场的数值模型，属于准稳态数值，结果表明基体熔化非常少，得到扫描速度、激光功率和修复层厚度3个因素具有近似线性关系。Cho和Pirch等人[7]采用了三维稳态有限元模型，将同轴送粉作为研究变量，对涂层温度场及涂层形状进行了计算，方法采用自洽，将温度梯度和冷却速率作为依据对涂层熔覆组织进行了性能预测。Jendrzejewski[8]用10Cr13为基材，在基材上熔覆钴基合金，研究了预热温度对修复层应力场和温度场的影响，用线性逼近温度特性，对基体预热后热应力值得到了大幅下降，试验出了无裂纹修复层。

诸多学者在激光熔覆焊接参数上做了大量优化实验论证。王永东[9]等研究了不同激光熔覆工艺参数下Ni60A熔覆层的组织与性能，基于35CrMnSi钢基体表面制备不同激光熔覆工艺参数的Ni60A熔覆层，数据分析表明：熔覆层的组织与性能最佳工艺参数是激光功率1500W、扫描速度10 mm/s，在该参数下制得的熔覆层内部没有产生显微裂纹，枝晶连贯性良好且枝晶间距也较小，显微硬度最高为9.96GPa，稀释率最小为7.15%。舒林森[10]等分析发现在Q235钢基材上制备铁基合金（Fe45）熔覆层的激光熔覆最佳工艺参数为：激光功率2.7 kW、扫描速度7 mm/s、离焦量2 mm、送粉速度22 g/min，验证实验还得出以最优参数制备的熔覆层硬度均匀度较高、可以与基材形成连续的白亮凝合线，表面及内部无裂纹和气孔，熔覆层整体性能得到大幅提升。

综上所述，工艺参数是激光熔覆技术运用过程中极为重要的部分，激光熔覆各项技术工艺参数对熔覆层的微观结构和性能都有影响。激光功率会影响焊接效率，光斑直径会影响能量输出，进给速度会影响焊接质量，送气量会影响焊接缺陷的形成，焊接粉末会影响熔覆涂层的性能和外观质量等。所以，选取最佳的参数组合对熔覆层的性能或修复层的外表质量影响是非常大的，也是修复和熔敷工作中最重要、最关键的一步。

然而被修复和熔敷的零部件因材质不同、结构不同、尺寸不同，其对应的最优参数组合都会发生变化，在正式焊接前，技术人员需做好参数选定工作，调试需花费大量的时间、精力和其它成本，往往会大幅降低修复工作的时效性，呈现不出激光熔覆的优势。参数选取不当容易造成贵重金属熔覆层结合力不牢而脱落，或者会引起裂纹气孔等缺陷，从而造成金属熔敷或修复加工报废。在实际工业生产中，焊接修复工况千变万化，激光熔覆修复技术需要一个庞大的工艺参数数据库支撑，一个人或单个团队很难完成该项任务，需要组建有效的共享机制才能将工艺参数标准化，从而大幅度提高激光熔覆技术的修复效率。建立有效的参数组合标准可以省去前期大量实验及验证的时间，进一步发挥修复的时效性，同时在成本上大幅度降低，对企业而言可获取更大的经济效益。

目前激光熔覆焊工艺参数的组合还存在很多不确定性，参数的使用存在非标准化现象，在焊接参数优化方面还需科研工作者做大量的实验进行论证。在焊接参数优化方面，计算机软件模拟技术的应用可大大缩短激光熔覆工艺参数的匹配时间，具有非常高的实用价值。

3 激光熔覆技术研究展望

激光熔覆技术深受学者的青睐，虽然该行业发展还未成熟，近几年大量的研究成果加速推动了该项技术的发展，相信该技术将会在工业生产中得到进一步推广，也为未来普遍推广金属3D打印提供了技术基础。展望后续研究重点，主要需在以下几个方面做出努力：

（1）从熔覆原理上解决裂纹产生机理及预防问题；

（2）成立全国性的研究机构或团队，将现有研究成果建成标准化数据库，有计划、有组织地研究该项技术，为不同类型熔覆材料熔覆选择最佳的工艺参数提供依据；

（3）在新型熔覆材料体系上作进一步研发，研究开发高性能、高质量的涂层材料；

（4）熔覆技术理论体系，如热源耦合机理、熔池理论模型等需要进一步完善；

（5）计算仿真软件的应用，能够有效加快激光熔覆技术的研究。如利用计算机模拟预测温度场、应力场、溶质元素分布，建立复杂多物理场耦合模型，可以为高性能零件的制备提供技术支撑，具有重要的研究价值。