雷射熔覆（Laser Cladding)亦稱雷射包覆或雷射熔覆，是一種新的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料，並利用高能密度的雷射束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。
基本介紹
- 中文名：雷射熔覆
- 外文名：Laser Cladding
- 釋義：基材表面添加熔覆材料
- 特點：性能可靠、壽命長
基本信息,工藝設備原理,工藝參數,雷射功率,光斑直徑,熔覆速度,
基本信息
雷射熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的塗層材料經雷射輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，並快速凝固後形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面塗層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節約了大量的貴重元素。
與堆焊、噴塗、電鍍和氣相沉積相比，雷射熔覆具有稀釋度小、組織緻密、塗層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此雷射熔覆技術套用前景十分廣闊。
從當前雷射熔覆的套用情況來看，其主要套用於三個方面：一，對材料的表面改性，如燃汽輪機葉片，軋輥，齒輪等；二，對產品的表面修復，如轉子，模具等。有關資料表明，修復後的部件強度可達到原強度的90%以上，其修復費用不到重置價格的1/5，更重要的是縮短了維修時間，解決了大型企業重大成套設備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。另外，對關鍵部件表面通過雷射熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對模具表面進行雷射熔覆處理，不僅提高模具強度，還可以降低2/3的製造成本，縮短4/5的製造周期。三，快速原型製造。利用金屬粉末的逐層燒結疊加，快速製造出模型。利用雷射熔敷技術快速製造零件的技術，又稱作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication) 、DMD (Direct Metal Deposition)、LC (Laser Consolidation) 等。
熔覆材料：目前套用廣泛的雷射熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢複合材料，陶瓷等材料。其中，又以鎳基材料套用最多，與鈷基材料相比，其價格便宜。
工藝設備原理
熔覆工藝：雷射熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預置式雷射熔覆和同步式雷射熔覆。
預置式雷射熔覆是將熔覆材料事先置於基材表面的熔覆部位，然後採用雷射束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。
同步式雷射熔覆則是將熔覆材料直接送入雷射束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也採用線材或板材進行同步送料。
預置式雷射熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預處理---預置熔覆材料---預熱---雷射熔化---後熱處理。
同步式雷射熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預處理---送料雷射熔化---後熱處理。
按工藝流程，與雷射熔覆相關的工藝主要是基材表面預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和後熱處理。
雷射器工作原理：
雷射熔覆成套設備組成：雷射器、冷卻機組、送粉機構、加工工作檯等。
雷射器的選用：套用廣泛的有CO2雷射器，固體雷射器。
CO2雷射器是套用最廣、種類最多的一種雷射器，在汽車工業、鋼鐵工業、造船工業、航空及宇航業、電機工業、機械工業、冶金工業、金屬加工等領域廣泛套用。約占全球工業雷射器銷售額40%，北美更高達70%。
1.功率高。CO2雷射器是目前輸出功率達到最高級區的雷射器之一，其最大連續輸出功率可達幾十萬瓦
2.效率高。光電轉換率可達30%以上，比其它加工用雷射器的效率高得多。
3.光束質量高。模式好，相干性好，線寬窄，工作穩定。
傳統的固體雷射器通常採用高功率氣體放電燈泵浦，其泵浦效率約為3%到6%。泵浦燈發射出的大量能量轉化為熱能，不僅造成固體雷射器需採用笨重的冷卻系統，而且大量熱能會造成工作物質不可消除的熱透鏡效應，使光束質量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時，操作人員需花很多時間頻繁地換燈，中斷系統工作，使自動化生產線的效率大大降低。與傳統燈泵浦雷射器比較，固體雷射器(光纖雷射器、碟片雷射器、二極體雷射器）具有以下優點：
(1) 轉換效率高：由於半導體雷射的發射波長與固體雷射工作物質的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地與雷射振盪模式相匹配，從而光光轉換效率很高，已達50%以上，整機效率也可以與二氧化碳雷射器相當，比燈泵固體雷射器高出一個量級，因而二極體泵浦雷射器體積小、重量輕，結構緊湊。
(2) 性能可靠、壽命長：雷射二極體的壽命大大長於閃光燈，達 15000小時，泵浦光的能量穩定性好，比閃光燈泵浦優一個數量級，性能可靠，為全固化器件，是至今為止唯一無需維護的雷射器，尤其適用於大規模生產線。
(3) 輸出光束質量好：由於二極體泵浦雷射的高轉換效率，減少了雷射工作物質的熱透鏡效應， 大 大改善了雷射器的輸出光束質量，雷射光束質量已接近極限。
（4）速度快、深度大、無變形、熔覆層無夾渣、熔池細膩無氣孔。
（5）可以在室溫或者特殊的條件下進行工作，比如雷射經過磁場之後光束不會發生偏轉嗎，在真空情況下都能夠進行使用，通過玻璃和透明的材料進行熔覆。
（6）可進行薄壁雷射熔覆，基體無變形。
但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，則光纖雷射器、二極體雷射器由於其自身設計的特點，就顯得不太適合了，而碟片雷射器則比較適合焊接（包括熔覆）、切割反射率比較高的材料。
工藝參數
雷射熔覆的工藝參數主要有雷射功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預熱溫度等。這些參數對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的緻密性等有很大影響。各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的過程，須採用合理的控制方法將這些參數控制在雷射熔覆工藝允許的範圍內。
雷射熔覆有3個重要的工藝參數
雷射功率
雷射功率越大，融化的熔覆金屬量越多，產生氣孔的機率越大。隨著雷射功率增加，熔覆層深度增加，周圍的液體金屬劇烈波動，動態凝固結晶，使氣孔數量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少。當熔覆層深度達到極限深度後，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開裂現象加劇，雷射功率過小，僅表面塗層融化，基體未熔，此時熔覆層表面出現局部起球、空洞等，達不到表面熔覆目的。
光斑直徑
雷射束一般為圓形。熔覆層寬度主要取決於雷射束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。光斑尺寸不同會引起熔覆層表面能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說，在小尺寸光斑下，熔覆層質量較好，隨著光斑尺寸增大，熔覆層質量下降。但光斑直徑過小，不利於獲得大面積的熔覆層。
熔覆速度
熔覆速度V與雷射功率P有相似的影響。熔覆速度過高，合金粉末不能完全融化，未起到優質熔覆的效果；熔覆速度太低，熔池存在時間過長，粉末過燒，合金元素損失，同時基體的熱輸入量大，會增加變形量。
雷射熔覆參數不是獨立的影響熔覆層巨觀和微觀質量，而是相互影響的。為了說明雷射功率P、光斑直徑D和熔覆速度V三者的綜合作用，提出了比能量Es的概念，即：
Es=P/(DV)
即單位面積的輻照能量，可將雷射功率密度和熔覆速度等因素綜合在一起考慮。
比能量減小有利於降低稀釋率，同時與熔覆層厚度也有一定的關係。在雷射功率一定的條件下，熔覆層稀釋率隨光斑直徑增大而減小，當熔覆速度和光斑直徑一定時，熔覆層稀釋率隨雷射束功率增大而增大。另外，隨著熔覆速度的增加，基體的融化深度下降，基體材料對熔覆層的稀釋率下降。
在多道雷射熔覆中，搭接率是影響熔覆層表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆層表面粗糙度降低，但搭接部分的均勻性很難得到保證。熔覆道之間相互搭接區域的深度與熔覆道正中的深度有所不同，從而影響了整個熔覆層的均勻性。而且多道搭接熔覆的殘餘拉應力會疊加，使局部總應力值增大，增大了熔覆層裂紋的敏感性。預熱和回火能降低熔覆層的裂紋傾向。
4.預置式和送粉式
