激光金屬成形技術日益在工件的製造和修複中獲得了廣泛應用。除了能獲得較小的工件變形外，激光金屬成形技術的另一個(ge) 顯著優(you) 勢是其能大幅提升材料的可焊性，即使是那些難以焊接的材料，如高溫鎳合金和高碳鋼。激光金屬成形技術最典型的應用是燃氣渦輪葉片或模具的修複焊接。

工作原理
        
　　激光金屬成形是利用金屬粉末作為(wei) 填充材料，通過一個(ge) 粉末噴嘴將金屬粉末送入一個(ge) 由激光束創建的熔池中（見圖1）。整個(ge) 加工過程可以用計算機實現數字化控製（CNC），獲得精細的焊接軌跡。激光成形技術也可用於(yu) 在工件表麵上增加覆層，就像在骨架肋板和工件邊緣上堆焊一樣

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         圖1：激光金屬成形的工作原理：激光金屬成形使用金屬粉末作為(wei) 填充物，金屬粉末通過一個(ge) 粉末噴嘴被送到由激光束創建的熔池中。

　　瑞士Sulzer Metco公司在激光金屬成形技術領域有著多年的經驗。該公司提供的粉末給料機，能夠保證金屬粉末恒定、均勻地流動。這些金屬粉末搭載著惰性氣體(ti) 流被輸送到粉末噴嘴中，被輸送的金屬粉末量可以根據應用調節。在這裏，惰性載氣同時也作為(wei) 焊接過程的保護氣體(ti) 。
        
      使用合適的粉末噴嘴，激光金屬成形技術甚至可以加工通常與(yu) 氧氣反生強烈反應的鈦金屬。另外，由於(yu) 幾乎任何材料都可以被霧化，因此在激光金屬成形過程中，還可以使用那些無法作為(wei) 標準粉末使用的特殊材料。 
            
銑削加工

　　葉輪生產(chan) 是Sulzer Innotec公司的一項核心生產(chan) 能力，該公司在5軸聯動銑削加工方麵具有豐(feng) 富的經驗。

　　在激光焊接技術中，Sulzer Innotec公司在一個(ge) 龍門式機器人上裝載了一台功率2.2kW的CO2激光器和一台1.5kW的光纖激光器係統（見圖2），這兩(liang) 台激光器都能實現五軸聯動加工。在廢氣渦輪增壓器葉片的修複應用中，利用該係統能獲得精細的堆焊軌跡。

　　圖2：在激光焊接技術中，Sulzer Innotec公司在一個(ge) 龍門式機器人上裝載了一台功率2.2kW的CO2激光器和一台1.5kW的光纖激光器係統。 

三維修複焊接
        
　　在五軸聯動加工係統中，加工工具（銑床中的銑刀，或者是激光焊接係統中的激光束和粉末噴嘴）可以在組件的表麵上按照不同的編程軌跡、以任何入射角連續不斷地移動。在激光焊接過程中，激光束能夠很理想地調整到與(yu) 工件表麵垂直。
        
　　在廢氣渦輪增壓器的應用案例中，利用激光將充分的材料焊接到渦輪葉片的曲麵上，然後再通過研磨或銑削恢複其原來的幾何形狀。激光的焊接軌跡是根據CAD係統中提供的CAD模型生成的。
         
　　在整個(ge) 加工過程中，可靠的焊接策略與(yu) 強大的焊接參數同等重要，這樣才能彌補鑄模輪的幾何偏差。此外，使用同軸粉末噴嘴能夠實現均勻焊接，而不用考慮焊接方向問題（見圖3）。

圖3：渦輪增壓器葉尖的修複焊接。

　　在用光纖激光器係統加工的過程中，帶有粉末噴嘴的加工頭總是指向下方，從(cong) 而在三個(ge) 軸的橫向和縱向移動，與(yu) 此同時，加工頭下麵的工件在兩(liang) 個(ge) 軸向移動。加工體(ti) 積和重量較大的工件時，用龍門式機器人裝置中的CO2激光器係統。在這個(ge) 係統中，兩(liang) 個(ge) 旋轉軸位於(yu) 加工頭上，加工頭可以與(yu) 固定的工件對齊，並且激光束能以任何需要的角度入射運轉。

塗覆耐磨層
         
　　針對任何曲麵的磨損保護層應用，是五軸聯動加工的一個(ge) 重要應用領域。Stellite是一種基於(yu) 鈷和鉻的硬質合金，其除了具有非常大的硬度外，高度抗腐蝕性也是一個(ge) 突出的特點。當在一個(ge) 進料螺杆（見圖4）上堆焊Stellite合金層時，對其表麵的完全覆蓋至關(guan) 重要。因此，必須精心選擇焊接加工參數，以確保無裂紋加工。

　　圖4：具有Stellite耐磨層的進料螺杆。Stellites是一種基於(yu) 鈷和鉻的硬質合金。 

　　傳(chuan) 統的堆焊通常需要對組件進行預熱、並做一些相關(guan) 的熱處理。在激光金屬成形加工中，通常可以省略這些工序。在傳(chuan) 統的焊接過程中，由於(yu) 填充物和基體(ti) 材料之間較大的稀釋率，因此必須要加工幾個(ge) 焊接層（或者說是幾毫米厚的塗層），才能確保工件表麵具有想要的耐磨保護特征。相比之下，激光金屬成形過程中，基體(ti) 材料的稀釋較小，因此隻需要一個(ge) 較薄的覆層就能實現想要的耐磨性能。
      
　　加工尖銳的邊緣，例如從(cong) 進料螺杆的葉片到樞紐（hub）的過渡，是加工過程中的一個(ge) 額外的挑戰（見圖5）。在圖5中，粉末噴嘴的位置正好處於(yu) 拐角處（在激光束開啟之前）。用氣體(ti) 流輸送金屬粉末，還能保證熔化麵積的清潔，清除之前加工過程中殘留的多餘(yu) 粉末。加工過程中的粉末殘留是不可避免的，因為(wei) 開、關(guan) 粉末流，將會(hui) 比焊接停頓花費更長的時間。當一處焊接結束後、焊接係統移動到下一個(ge) 焊接軌跡起點的時候，焊接停頓隻持續幾秒鍾。當然，在CAD係統中編寫(xie) 焊接軌跡的時候，通過精心設計焊接方案，可以優(you) 化焊接過程中出現的這些停頓（見圖6）。

圖5：當焊接螺絲(si) 樞紐時，銅粉噴嘴的位置。 

　　圖6：在CAD係統中編寫(xie) 焊接軌跡的時候，通過精心設計焊接方案，可以優(you) 化焊接過程中出現的停頓。

組件鎧裝
         
　　在有極端磨損和衝(chong) 擊負荷的情況下，可在工件的表麵堆焊鈷或鎳基碳化鎢層，這樣工件就可以獲得高達1300HV的硬度。在這個(ge) 加工過程中，成功的關(guan) 鍵在於(yu) 工件表麵的全麵鎧裝，特別是在拐角和邊緣的地方。
       
        
　　一個(ge) 無裂紋的焊接結果並不一定是最重要的因素。相反，加工參數的正確選擇，必須要確保塗層不會(hui) 因為(wei) 受到衝(chong) 擊力而受損。圖7中顯示的是對岩石破碎機的鋸齒表麵進行了完全塗覆，圖8中顯示的是鋸齒邊緣的細部圖。#p#分頁標題#e#
 

　　圖7：在岩石破碎機鋸齒的塗覆中，必須選擇正確的加工參數，以確保塗層在受到衝(chong) 擊力的時候不會(hui) 受損。

圖8：鋸齒邊緣鎧裝的細部圖。

　　與(yu) 傳(chuan) 統的手工堆焊相比，激光金屬成形加工不但大大減少了加工時間，同時塗層質量也得到了大幅改善。平坦的焊接軌跡、接近完美的工件形狀、表麵修複工作大大減少（或者已經完全不需要表麵修複這道工序了），對於(yu) 加工如此堅硬的材料來講，都是非常巨大的優(you) 勢。

開發加工工藝

　　激光金屬成形的加工參數並不是普遍有效的，但是在每種加工情況下，加工參數都必須要適應材料組合和工件的幾何形狀。根據不同的應用，需要開發合適的加工工藝過程。在這個(ge) 過程中，需要做樣品焊接以及相應的金相調查。

　　Sulzer Innotec公司長期以來在激光金屬成形領域積累的豐(feng) 富經驗，幫助其大幅縮短了加工工藝開發過程。焊接結果的評估，是按照焊接技術領域的有效法規或者是根據客戶的要求來執行的。另外，Sulzer Innotec公司還提供關(guan) 於(yu) 材料和加工方麵的谘詢，在必要的時候，還可以幫助客戶製定一個(ge) 合適的焊接過程。

小結

　　在傳(chuan) 統的焊接方式或是熱噴塗等加工方式不能適用的情況下，或者是要求在預加工和後加工以及工件的設計過程中節省成本的話，那麽(me) 激光金屬成形技術通常是理想的選擇。文中提到的用金屬粉末作為(wei) 填充材料的三維（3D）激光堆焊，在激光束和金屬粉末流能夠保證滿足要求的情況下，能夠基於(yu) CAD模型加工出任何形狀。

　　激光金屬成形通常加工一次就能達到想要的效果，這大大降低了焊接時間，從(cong) 而也降低了焊接成本。用戶將從(cong) 激光金屬成形技術中受益匪淺。（作者：Thomas Peters，瑞士Sulzer Innotec公司）