高速激光熔覆知识及覆过程中存在常见问题分析

一.　   激光熔覆

激光熔覆是指在熔覆基体表面以不同方式添加激光熔覆材料，利用激光束作为热源，将熔覆材料熔化凝固到基体表面，制备与基体形成冶金结合的表面涂层，从而实现材料表面改性和产品表面修复的过程。激光熔覆技术可以在廉价的金属基体表面制备高性能的涂层，具有很高的经济效益，得到了广泛的关注和研究，发展迅速。现已广泛应用于机械设备和重要零件的表面强化和损伤修复。

与传统表面处理技术相比，激光熔覆制备的涂层组织均匀致密，晶粒细小，热输入小，稀释率低，具有良好的应用前景，但也存在一些问题。传统激光熔覆的稀释率往往在10%以上，熔覆层需要达到一定的厚度才能有效达到防护效果，且表面粗糙度较高，需要经过后续的车削和磨削才能投入使用，造成材料的浪费。在激光熔覆过程中，激光能量主要作用于基体表面的熔池，增加了激光能量对基体的热输入，可能导致较大的应力和裂纹。同时，传统激光熔覆在大面积熔覆中的生产效率较低，极大地制约了激光熔覆技术的应用和推广。

二.　　高速激光熔覆

高速激光熔覆技术采用同轴送粉方式控制粉末在熔池上方的激光束会聚，使大部分激光能量直接作用在激光粉末上，熔覆粉末在到达熔池前处于熔化或半熔化状态，从而减少粉末在熔池中存在的时间，减少对基体的热输入，大大提高熔覆效率和粉末利用率。

 

其特殊的模块化设计大大降低了使用成本，使磨损零件的更换变得极其简单，同时保证了工艺的可重复性。喷嘴尺寸也可以根据维护位置灵活调整。新研发的超高速激光熔覆加工头，通过特殊光路调节系统的设计，实现了光与粉末在空间的理想相互作用，使粉末熔化更稳定，能量利用更高效。涂层的表面粗糙度更低，表面更光滑。

现在，高速激光熔覆技术已经得到了市场的高度认可，高速激光熔覆取代普通激光熔覆将成为行业技术发展的必然趋势。然而，激光熔覆是一个复杂的过程。为了帮助广大高速激光熔覆用户快速掌握工艺，郭盛激光在此将高速激光熔覆工艺的知识点以及各种工艺问题产生的原因总结如下:

1.　　高速激光熔覆的工作原理

高速激光熔覆是利用高能激光束熔化空气中的金属粉末，同时熔化基体形成熔池。熔化的粉末与熔化的基体结合后，迅速冷却形成冶金结合的涂层。

2.　　高速激光熔覆工艺的关键参数及其对熔覆效果的影响

(1) 激光功率

功率直接影响单位时间内可熔化的粉末量和包覆效率。在其他工作参数确定的情况下，过低的功率可能导致粉末熔化不完全，打磨抛光后产生麻点，结合力不足，涂层硬度低;如果功率过大，有可能是熔沟熔化过度，导致表面出现斜向褶皱。

(2) 粉末进料量

当粉末遇到激光时，它会吸收激光能量。粉末量越大，吸收的激光能量就越多。粉末量太大，激光能量会不足，涂层熔不透，打磨抛光后出现麻点，基体熔化不掉，涂层与基体不能实现冶金结合，导致涂层剥落。粉末量大，粉末利用率低;粉末用量少，粉末利用率高。

(3) 线速度

线速度越大，包层越薄，线速度越小，包层越厚。线速度过高，基体不会形成熔池，涂层与基体没有冶金结合，熔沟冷却慢，红尾过长，出现剥落。线速度可以提高涂层硬度和粉末利用率。

(4) 循序渐进

台阶越小，研磨比越大，涂层表面越精细。台阶越大，搭接率越小，涂层条纹越明显。步进会影响稀释率。步进小时，照射在基板上的激光能量小，稀释率低。当台阶大时，照射在基板上的激光能量大，稀释率高。

 

(5) 空气输送率

气体有两个作用，一是输送粉末，二是保护高温涂层，防止氧化。送粉量太小，容易堵粉;送粉风量过大，送粉速度过快，喷出量大，粉末利用率低。一般来说，氩气比氮气具有更好的保护和更高的涂层质量。

(6) 喷嘴的高度

喷嘴太高，粉末发散大，粉末利用率低;如果太低，熔覆时喷嘴容易粘粉。

3.　　高速激光熔覆过程中存在的问题及原因分析。

(1) 剥皮

这是因为基体没有形成熔池，粉末与基体之间没有冶金结合。可能的原因有:电量低;粉太多;线速度太快;工件表面有油污或电镀层。

(2) 裂缝

涂层产生裂纹的原因有:基体硬度过高(淬火、渗碳/氮);基体具有疲劳层;粉末的硬度太高。镍基粉末容易开裂;高硬度粉末多层熔覆时也会出现裂纹。

(3) 气孔

涂层中产生气孔的原因是:基体上的铁锈和油污;粉末中有杂质;粉末流动不稳定;粉太多;动力不足;或者线速度过大等。

(4) 浮粉多，涂层无金属光泽

可能的原因有:粉太多;功率太低;线速度太快;喷嘴高度太高;激光光斑太小;镜头污染等。

(5) 打磨抛光后出现麻点

可能的原因有:动力不足;粉太多;线速度过快等。

(6) 涂层中出现斜皱纹

可能的原因有:权力过大;熔池温度过高;粉末过度液化。

(7) 将粉末粘在喷嘴上

可能的原因有:喷粉量过高;铜头温度过高;喷嘴工作距离太低，喷嘴表面太粗糙或被污染(建议抛光处理)。包覆头偏心放置，有利于减少粘粉现象。

(8) 堵粉

可能的原因有:粘粉未及时清除;粉末流动性差;粉末中有杂质或粉末潮湿(需烘干)等。多种方式给粉时，给粉不均是堵粉的重要原因。

(9) 包覆时有咝咝声

可能的原因有:粉末被污染;湿粉;基质不干净等。功率过大还会导致熔池金属气化，产生包壳噪声。这些问题会影响涂层的耐腐蚀性。

(10) 覆层火花飞溅

可能的原因有:线速度过大;功率密度过大;功率和粉末数量不匹配;气体流量过大等。

(11) 粉末流动不稳定，导致涂层不均匀

粉末流量不稳定的原因有:刮刀磨损严重;送粉通道堵塞;气流太小;送粉器密封圈密封不良或送粉管损坏导致漏气。

(12) 包覆效率降低(涂层厚度变薄)

可能原因:防护镜污染;刮刀磨损;工作距离不合适;出粉孔磨大，粉末流变性粗糙;激光功率下降等。

审核编辑 黄昊宇