什麽(me) 是激光熔覆？

激光熔覆使用激光來熔化塗層部件表麵的材料。然後粉末噴嘴將金屬粉末傳(chuan) 輸至熔化槽，從(cong) 而形成冶金結合。激光鏡片和粉末噴嘴在工件表麵上移動，產(chan) 生了單軌、單層或者更複雜的焊接積層。

圖1、在一個(ge) 單晶試驗樣品上進行激光熔覆

自從(cong) 上世紀九十年代開始使用以來，激光熔覆在渦輪機修理工藝中越來越受歡迎，部分原因在於(yu) 價(jia) 格的下降。最初，激光本身的成本非常高，因此對於(yu) 技術人員來說，激光熔覆是一項昂貴的投資。不過，新的激光器類型比如二極管、光纖和碟片，已經非常成熟，使得激光熔覆逐漸成為(wei) 可負擔起的技術。與(yu) 傳(chuan) 統的二氧化碳或Nd:YAG激光器相比，這些新型激光器基本無需保養(yang) ，電機效率很高，沒有靈敏易壞的部件或光學器件。因此，在過去五年投資成本已經減少約一半。

除了工業(ye) 燃氣渦輪機和航空航天部件，激光熔覆在普通工業(ye) 應用中也越來越受歡迎，比如油氣采礦工具、活塞發動機、壓縮機、泵，甚至農(nong) 業(ye) 設備。

激光熔覆的優(you) 點

眾(zhong) 所周知，激光熔覆很少甚至不會(hui) 使基材產(chan) 生變形。原因在於(yu) 高度化的局部熱量輸入可以通過熔化材料來形成冶金結合，這對於(yu) 高精度部件比如模具和金屬板材結構非常關(guan) 鍵。傳(chuan) 統焊接工藝的高溫會(hui) 對部件產(chan) 生巨大的影響，進一步導致損壞。

不過，激光熔覆最大的優(you) 點還不為(wei) 眾(zhong) 人所知，那就是大幅提高了溫度敏感型材料比如超級合金和高碳鋼的可焊接性。TIG焊接會(hui) 產(chan) 生非常高的熱輸入，因此會(hui) 導致更多的焊接缺陷比如裂縫。所以，在修理熱氣體(ti) 通道部件時，通常不會(hui) 選擇TIG。

激光熔覆的第二個(ge) 主要優(you) 點是更高的幾何精確度；與(yu) 傳(chuan) 統焊接工藝相比，會(hui) 節省應用的材料。與(yu) TIG焊接相比，激光熔覆能夠產(chan) 生接近最終成形結構、更幹淨的表麵處理，因此有更好的幾何學，更少的材料冗餘(yu) 。舉(ju) 例來說，渦輪葉尖處需要6毫米的積層。激光熔覆在渦輪葉片邊上生成的焊接積層大約為(wei) 0.3毫米，而TIG焊接會(hui) 生成多達2毫米的冗餘(yu) ，因此會(hui) 應用更多的材料，接著還要去除這些材料，導致更多的精整加工工作和更多的人工。

圖2、左圖：在三維幾何體(ti) 上進行激光熔覆；右圖：使用激光熔覆一層之後，

如圖可見渦輪增壓器的細節，焊接積層有1毫米厚

另外，計算機數控（CNC）係統能夠幫助激光熔覆成為(wei) 大規模可複製的工藝，使得技術人員在生產(chan) 中能夠重複高質量加工。

三維幾何體(ti)

有些部件如渦輪增壓器迂回曲折，給塗層材料和工藝帶來特別的挑戰。因此，這種三維幾何體(ti) 需要合適的、能夠在必要時移動部件的處理係統。而且對加工路徑進行編程，要求足夠的計算機輔助製造（CAM）工具。另外，激光熔覆係統的程序員需要足夠理解激光熔覆工藝，才能生成合適的“焊接”策略。焊接策略必須考慮材料問題比如邊緣的過熱，還要考慮幾何學問題比如由部件製造工藝或者部件先前運行工況導致的幾何偏差。

圖3、修複後的工業(ye) 燃氣渦輪機葉片

方法論

就像其它焊接工藝一樣，激光熔覆要求充分地準備焊接表麵。通常，第一步是移除多餘(yu) 的材料，以確保有牢固的基礎進行修理。舉(ju) 例來說，如果準備將一台受到熱氣體(ti) 腐蝕或摩擦損壞的渦輪葉片送回工廠進行翻新，技術人員在開始修複工藝之前需要去除損壞區域。

由於(yu) 激光熔覆是CNC工藝，生成焊接路徑需要有部件的幾何學信息，比如三維CAM模型或者是數字化數據。通常合適的焊接策略源於(yu) 已確認的工藝。這種工藝涉及客戶的需求，由他們(men) 來決(jue) 定焊接積層幾何學和焊接質量的驗收標準。工藝條件包括確定正確的工藝參數。這些參數包括激光功率、校正後用來確定熔化槽大小的激光焦點直徑、焊接軌道寬度、用來確定加工頭在部件上移動速度的進給速率，以及進粉速率——也就是粉末送進熔化槽的速度。

總結

由於(yu) 激光熔覆技術能產(chan) 生較高的幾何精確度和更少的熱應力，與(yu) 傳(chuan) 統焊接工藝相比，它具有明顯的優(you) 勢，已經成為(wei) 高價(jia) 值部件修理的標準。工業(ye) 燃氣渦輪機的翻新將繼續引導創新技術，事實上激光熔覆就是為(wei) 這一行業(ye) 定製的解決(jue) 方案。隨著越來越多的加工廠應用這種技術，耐磨損、耐侵蝕或耐腐蝕的功能性塗層將得到廣泛應用。豐(feng) 富的經驗和深入的應用技術仍將是成功操作激光熔覆係統的關(guan) 鍵。