將激光用于添加制造技術(shù)（如熔覆和燒結(jié)），還是一項相對新的技術(shù)，它首次于1970年代被引入工業(yè)應(yīng)用中，用于熔覆閥門和閥座。而最早的生產(chǎn)應(yīng)用之一是在日本的汽車工業(yè)，激光用于熔覆鋁合金引擎的閥座，以提高其耐磨損性能，同時節(jié)省制造成本。美國的重型設(shè)備工業(yè)也隨之開發(fā)了一些應(yīng)用。在1980年代末期，普惠發(fā)動機公司（Pratt & Whitney）和通用電氣公司（GE）開始采用激光熔覆技術(shù)，用于碟形葉片的維修。設(shè)備和粉末材料的迅速發(fā)展推動了新技術(shù)不斷向前，使此類技術(shù)成為許多應(yīng)用中的一項標準，應(yīng)用范圍從汽車切割及成形刀具，到鉆井設(shè)備的耐磨表面等等。被添加的材料范圍很廣，比如用Stellite合金進行模具修復(fù)，用含鎢鋼的粉末實現(xiàn)防磨損，以及永基底金屬粉末維修和生成零件。 當(dāng)談到熔覆，每個人頭腦中的標準流程是粉末熔焊工藝。根據(jù)應(yīng)用中所需的材料，熔覆可能也要使用到焊絲而非粉末，或者說釬焊而非熔焊。在德國德累斯頓的Fraunhofer IWS研究中心，一項用于在鋼制泵套筒表面上直接沉積銅制耐磨材料的技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，并被用于工業(yè)應(yīng)用（見圖1）。即使熔覆效率達到9.2千克/小時，該工藝仍然能夠保持熔覆厚度的一致性以及出色的金相特征，這都得益于相同的矩形光束和優(yōu)化后的噴嘴設(shè)置。然而，大多數(shù)的應(yīng)用都使用粉末熔焊工藝，大大超越傳統(tǒng)的工藝，如等離子轉(zhuǎn)移弧（PTA），主要是因為其具有的低熱量輸入和對熔融池的更佳控制，從而帶來更少的零件變形并提升金相結(jié)果。 圖1、使用銅錫合金完成對液壓鋼泵套筒的熔覆。（圖片來源：Fraunhofer IWS）熔覆應(yīng)用通常在工作中一步完成。激光束聚焦后在工件上方移動，而此時供粉器將粉末通過一個特殊的噴嘴運輸?shù)饺廴趨^(qū)。該噴嘴將粉末沉積在工件表面，隨后其立即被激光束的熱量熔化。許多不同形狀的噴嘴通常根據(jù)應(yīng)用要求的不同而得到使用。離軸噴嘴是一種更經(jīng)濟的選擇，通常用于單向流程中。新開發(fā)的離軸噴嘴具有更小口徑的粉末噴頭，提升了粉末利用率，且體積更小，便于進入難以達到的區(qū)域。如果熔覆軌跡能實現(xiàn)2D或3D的軌跡，那么同軸噴嘴將是最佳選擇。它們確保了被加入熔融池的粉末能得到均勻分布，不受流程方向以及加工頭位置的影響。特殊的噴嘴和加工頭已經(jīng)被開發(fā)出來，用于如ID熔覆和寬道熔覆的應(yīng)用中。 應(yīng)用簡介 定向井下鉆探工具與周圍土壤接觸，長期暴露于磨損的環(huán)境中。因為鉆探利用了地球磁場進行導(dǎo)引，所以鉆柱必須采用非磁性材料和工藝。鎢鋼合金是用于該熔覆應(yīng)用的最佳材料。涂層之于鎢鋼的作用就像瀝青之于路面一樣。許多用于油井的不同零件都采用激光熔覆完成：圖2顯示了Lasercarb涂層正被應(yīng)用于一個磨損帶，這將保護鉆柱的連接處。穩(wěn)定器用于保持鉆柱相對于鉆孔的位置，它通常是3D翅形結(jié)構(gòu)，這樣土壤和冷卻液能從中通過。鉆柱的智能組件包括昂貴的傳感裝置，如天線、束套和流體分離器等，都進行了激光表面硬化。激光技術(shù)很適合用于修復(fù)工具并延長其使用壽命，相對使用其他技術(shù)高達6倍。 圖2、Lasercarb™被應(yīng)用于磨損帶。 （照片來源：Technogenia）造紙廠是另一個在不同的階段利用鎢鋼合金涂層抗磨損性能的行業(yè)。在工藝最開始的粉碎階段，木材被粉碎為小碎塊。木漿同水相混合，隨后通過高壓，被推入一系列精細度遞增的濾網(wǎng)以純化紙漿。到了最后的步驟，紙漿在龐大的脫水螺柱上被烘干。紙漿被外部濾網(wǎng)壓縮，將其中的水分擠出來。巨大的壓力和顆粒的形狀使得在這一操作中零件磨損很大。激光技術(shù)能非常精確地為過濾器和濾網(wǎng)增加涂層，這使它成為該應(yīng)用中最有吸引力和最具成本效率的工藝。圖3展示的是一個用于造紙行業(yè)的鎢鋼合金涂層過濾器。 圖3、造紙行業(yè)的過濾器采用Lasercarb WC涂層。 （照片來源：Technogenia）用于冶金爐的出鐵口在耐熱和耐磨損傷上有著特殊的要求。在制煉流程中，出鐵口被塞滿回爐的黏土。當(dāng)冶煉完成后，出鐵口被塞子鉆開，釋放出其中的液態(tài)鐵。一個出孔通常需要兩到三個鉆頭完成，主要因為黏土摩擦力大且在靠近內(nèi)部液態(tài)鐵時非常熱。通過采用一種配備4 kW半導(dǎo)體激光器的定制的激光熔覆工藝，只需一個鉆頭即可完成每個出孔的加工，此時FeCrV15Ni7被用于作為熔覆粉末。得到的涂層是精細的釩合金沉淀物，使涂層具備出色的耐磨特性，足以抵御黏土的摩擦力，并具備相當(dāng)?shù)哪蜔崽匦裕ㄒ妶D4）。 圖4、出鐵口的表面硬化。該涂層采用了釩合金沉淀工藝，以提升耐磨性能。 （照片來源：Fraunhofer IWS）用于熔覆的激光器 一般，用于熔覆工藝的激光器是CO2激光器，因為它是在研發(fā)熔覆應(yīng)用時最早采用的最高功率激光器。然而，由于其波長和光斑尺寸，它們的吸引力相比近紅外區(qū)域的新一代激光器有所減弱，如Nd:YAG激光器、碟片激光器、光纖激光器以及直接二極管激光器。對比研究顯示，CO2激光器的流程效率只和近紅外區(qū)域1 m波長附近的激光器效率的一半相近。簡單說，就意味著一臺5kW的CO2激光器可以被一臺3kW的半導(dǎo)體激光器代替。 選擇激光器時，在不同聚焦光斑大小情況下，能得到相同的光束外形是另一個重要的考慮因素。高光束質(zhì)量激光器的高斯分布以及熱點，有時會存在偏離，從而對熔覆工藝產(chǎn)生不利的影響。激光器應(yīng)該以正確的方式聚焦，光斑大小適中，并且平頂光束。例如，碟片激光器和光纖激光器用于加工非常精細的結(jié)構(gòu)，在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用之中，其光斑特征尺寸有時能小到數(shù)十個微米。 對于許多熔覆應(yīng)用而言，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成為替代CO2激光器的全新行業(yè)推動力。它們平頂光束外形允許其能實現(xiàn)定制工藝以獲得高質(zhì)量的一致涂層。最高功率可達10kW，使得其相對傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)更高的沉積速率，光纖直徑小至300微米，使ID熔覆和汽輪機葉片維修區(qū)域可達次毫米級。通過使用光纖耦合半導(dǎo)體激光器，根據(jù)應(yīng)用要求，可采用機械臂或基于CNC的運動系統(tǒng)。有跡象顯示，熔覆噴嘴的重要制造商們（包括ID噴嘴在內(nèi)）已經(jīng)采納半導(dǎo)體激光器。 盡管激光熔覆才興起不久，但是它已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，通過在世界各地許多不同行業(yè)的使用，新激光器和材料擴展了新涂層的應(yīng)用邊界，并不斷替代傳統(tǒng)技術(shù)。