激光熔覆在国内已经发展了十几年，属于比较先进的金属表面改性技术。激光熔覆技术是利用高能量密度的激光束将基体表面具有薄层的熔覆材料(金属粉末)熔化，在基体表面形成冶金结合熔覆层的方法。激光熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，能显著提高基体表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、抗氧化性或电学特性。 　　

　　

　　激光熔覆按激光与熔覆粉末的作用方式(即送粉方式)可分为旁轴送粉、同轴圆周送粉和中心送粉。这三种送粉方式决定了激光与金属粉末不同的相互作用过程。再者，激光熔覆在技术迭代和先进性上可分为传统激光熔覆和高速激光熔覆。高速激光熔覆是在传统激光熔覆的基础上发展起来的，解决了不均匀熔覆层后期加工效率低、热输入大、加工量大的问题。激光熔覆的传统送粉方式常见于傍轴送粉和同轴送粉，而高速激光熔覆技术在原有同轴送粉技术的基础上发展了一种新的送粉方式，即中心送粉。与前两种方法相比，中心送粉法效率更高，粉末利用率更高，解决了传统旁轴和同轴送粉法的技术缺陷。这里主要讨论这两种方法的区别和优缺点。 　　

　　

　　　一、旁轴送粉激光熔覆技术 　　

　　

　　侧轴送粉技术，又称侧对侧送粉激光熔覆技术，是指送粉装置与激光束分离、相互独立的送粉方式。一般采用外送粉管。送粉管位于激光加工方向的前方，金属粉末在重力的作用下提前堆积在基体表面，然后后方的激光束在预沉积的粉末上进行扫描，完成激光熔覆过程。 　　

　　

　　 　　

　　

　　侧送粉激光熔覆示意图 　　

　　

　　在实践中，送粉器的出粉口具有相对固定的位置和角度，与激光头相匹配。同时，旁轴激光熔覆完全依靠重力的作用，不能施加保护气体，从而防止预置在基体上的熔覆粉末被吹走，降低粉末利用率和熔覆效率。侧轴送粉激光器一般采用半导体直接输出激光器或半导体光纤输出激光器和重力送粉器，熔覆头采用矩形光斑和侧轴宽带送粉方案。 　　

　　

　　 　　

　　

　　傍轴宽带送粉激光熔覆 　　

　　

　　一、旁轴送粉技术缺点 　　

　　

　　1、金属粉的选择受限制 　　

　　

　　由于缺乏保护气体，熔覆粉末熔化时激光熔池只能靠熔渣来保护自己。因此，目前在工业生产中，侧轴送粉系统多采用自熔性合金粉。熔覆粉末通过B and B、硅等元素的造渣作用在熔池表面产生自保护作用。 　　

　　

　　2、熔覆层表面起伏较大 　　

　　

　　侧轴送粉采用预设送粉方式。熔覆后，熔覆层表面的熔沟非常明显，沟壑起伏。熔覆后需要相应的车削、抛磨，加工成本高。 　　

　　

　　3、加工面受限制 　　

　　

　　侧送粉是重力送粉，不适合倾斜工件或内孔熔覆，应用范围有限。 　　

　　

　　二、旁轴送粉技术优势 　　

　　

　　1、金属粉利用率高 　　

　　

　　与同轴送粉相比，旁轴送粉激光熔覆技术的材料利用率可达95%以上。同轴送粉激光熔覆技术的粉末由惰性气体吹入激光熔池。在此过程中，由于粉末之间的碰撞、熔池的飞溅以及送粉通道精度的影响，相当比例的金属粉末不能形成熔覆层而被浪费，导致材料利用率只有50%-80%左右(光斑越小，材料利用率越低)。侧轴送粉激光熔覆 　　

　　

　　2、熔覆效率相对较高 　　

　　

　　一方面，旁轴送粉激光熔覆技术一般采用重力送粉方式，不消耗惰性气体；另一方面，由于采用预置送粉，气流会影响粉末的预置和堆积，所以熔覆头没有专门的惰性气体保护功能。因此，除压缩空气外，旁轴送粉激光熔覆技术不需要消耗其他气体。从成本来看，节省了更多的惰性气体费用；就很多技术而言，该技术对粉末材料的抗氧化性有一定要求，限制了其应用领域。 　　

　　

　　　3、无惰性气体消耗、成本低 　　

　　

　　侧送粉激光熔覆技术由于效率高、成本低，一般应用于液压缸、轧辊等大面积、简单形状零件的表面熔覆和增材再制造。 　　

　　

　　　4、适用范围 　　

p>　　同轴送粉技术是指激光(圆型光斑)从熔覆头的中心输出，金属粉围绕激光呈周围环状分布或者多束周向环绕分布。熔覆头上设置有专门的保护气通道、金属粉通道以及冷却水通道。熔覆工作时，多束金属粉与激光相交于熔覆头外部一点。对于传统激光熔覆，该交点一般设置在激光熔池的上，即激光和金属粉在基体表面发生作用，金属粉和基体同时在激光的作用下发生熔融，在工件表面形成熔覆层。

　　

　　

　　

　　同轴送粉激光熔覆原理图

　　

　　

　　该项技术应用于高速激光熔覆时，要求金属粉与激光的交点位于工件表面的上方空间，即金属粉在充分吸收激光能量成为熔融或者半熔融状态后落入工件表面的熔池，从而在基体表面形成致密平整的熔覆层。同轴送粉激光器一般采用半导体光纤输出激光器或光纤激光器，送粉器选用盘式气载送粉器。

　　

　　

　　

　　同轴送粉高速激光熔覆

　　

　　

　　<一>、同轴送粉技术缺点

　　

　　1、金属粉利用率低

　　

　　同轴送粉激光熔覆技术采用气动式送粉，惰性气体在助动金属粉输出的同时吹向激光熔池，气体作用下的金属粉末之间发生碰撞、熔池里发生飞溅以及相当比例的金属粉末不能吸收激光熔融而被浪费，因此实际应用中，粉末利用率只有50%-70%左右，而且粉末输出速度越快，粉末利用率越低。

　　

　　2、易堵粉，维护费用高

　　

　　环形送粉或者多束粉方案中送粉通道较狭窄，且需要实现均等分粉，因重力或受气流波动的影响，会出现分粉不均等，极易出粉通道堵塞现象，影响生产作业连续性，严重情况下需要更换喷嘴，维护费用较高。

　　

　　3、安全稳定性差

　　

　　同轴送粉熔覆头采用中心输出激光，周围粉路、气路、水路结构复杂，熔覆头的制冷效果差，长时间工作熔覆头温度会过高，会引起飞溅粉末的粘连。

　　

　　<二>、同轴送粉技术优势

　　

　　1、熔覆表面较平整

　　

　　相对于旁轴送粉，同轴送粉表面较为平整，后期加工工序简单，加工量小。

　　

　　2、送粉与激光一体化设计，自由度高、易自动化集成

　　

　　同轴送粉为气动式送粉，可在不同角度任意方向得到质量相同的熔覆层， 由于其熔覆时向任意方案移动均可得到形貌一致、质量相同的熔覆层，因此其熔覆方向没有限制，配合工业机器人或多轴运动机床可以进行任意路径或任意形状零件的表面熔覆。也可用于激光同轴送粉3D打印。

　　

　　3、熔池惰性气体保护效果好

　　

　　同轴送粉采用气载送粉方式，在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道，熔覆过程中熔池始终处于良好的惰性气体氛围中，大大降低了熔池及熔覆层氧化，熔覆层中氧化物夹杂较少，熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。

　　

　　4、熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好

　　

　　同轴送粉激光熔覆的光斑尺寸一般为Φ1-Φ5mm，粉末与光束均匀接触，熔覆过程中的热量传递更均匀，因此熔覆层抗裂性好。特别是对含碳化钨等陶瓷颗粒的符合材料的熔覆，适合制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。

　　

　　5、熔深小、热输入低

　　

　　同轴送粉激光熔覆由于光斑直径小，熔覆线速度高，与宽光斑侧向送粉激光熔覆和电弧焊相比，熔覆热输入低，具有适中稀释率和较小的热影响区深度，熔覆性能优良，对母材性能影响较小。

　　

　　6、适用范围

　　

　　由于同轴送粉激光熔覆技术的上述特点，通常应用于主轴、齿轮、箱体等高精度零件、复杂形状零件的表面熔覆改性和增材再制造。同时，基于同轴送粉激光熔覆技术的金属3D打印主要应用于大型零件的净近成型以及梯度材料的制备。

　　

　　此文感谢资料提供：中美高速激光熔覆