摘要

激光熔覆技術是一項新興的表面改型技術。具有較低稀釋率、熱影響區小、與基面形成冶金結合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現自動化等優點。激光熔覆技術應用到模具表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能，極大提高材料的使用壽命。同時,還可以用于修復模具，大量節約加工成本。

I. 激光融覆

激光融覆興起于20世紀80年代，是一種先進的激光表面改性技術。它通過預置或同步方式在基材表面添加具有特定功能的熔覆材料，利用高能量密度（104~106W/cm2）的激光束照射融覆材料，使之與基材表面薄層一起熔凝成為冶金結合的添料熔覆層，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化和抗疲勞等性能。

圖1   同步送粉式激光融覆

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有下列優點：

1）融覆熱影響區小，工件變形小，融覆成品率高

2）融覆層稀釋率低，基材的熔化量小，對融覆層的沖淡率較低。

3）層晶粒細小，組織結構致密，故其物理和化學特性比較好（如硬度一般相對比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好）

4）涂層與基體結合好，融覆質量穩定

5）適合熔覆材料多、粒度及含量變化大

6）激光融覆過程易實現自動化生產。

圖2 融覆層結構

II. 激光融覆的材料

目前，利用激光熔覆技術可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時兼備多種功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構成涂層的材料體系看，從二元合金體系發展到多元體系。多元體系的合金成分設計以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發展方向。常見的激光熔覆材料見下表：

表1  常見的激光融覆材料

III. 激光融覆工藝流程

同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基材表面預處理---送料激光熔化---后處理，如下圖示：

圖3 同步送粉式激光熔覆主要工藝流程

IV. 激光融覆的設備

隨著控制技術以及計算機技術的發展,激光熔覆技術越來越向智能化、自動化方向前進。目前德國通快提供集成了碟片式激光器、光纖傳導光路系統、自動化可調粉末輸送系統、光斑直徑大小可調融覆加工頭、離線編程軟件和全過程參數檢測系統的五軸聯動數控激光融覆加工機床TruLaser Cell7000和六軸聯動機器人激光融覆系統TruLaser Robot 。

圖4 德國通快激光融覆設備

相對傳統的激光熔覆設備采用的激光器是CO2激光器和燈泵YAG激光器，通快公司采用的是新一代光纖傳導碟片激光器。同等條件下碟片激光器具有如下優勢：

圖5通快TruDisk光纖傳導碟片激光器

通快提供承受最大4KW激光的同軸送粉頭和承受10KW激光的旁軸送粉頭。值得一提的是通快提供的融覆加工頭具有光斑直徑能夠在0.3mm ~7mm實時可調功能。這樣進行加工時就能通過編程調節激光光斑直徑，既能保證激光融覆很高的加工精度，又能保證很高的融覆效率。

圖6 光斑直徑實時可調的激光融覆加工頭

V. 激光融覆在模具再制造中的應用

利用激光融覆技術可以在低成本的金屬基體上制成高性能的表面，從而能夠代替大量的高級合金，以節約貴重、稀有的金屬材料，提高基材的性能，降低能源消耗，非常適于局部易受磨損、沖擊、腐蝕及氧化的模具再制造中，具有廣闊的發展空間和應用前景。

圖7  模具表面強化和修復示例

隨著國內汽車市場的快速增長，競爭也越加激烈，新車型的平均壽命由之前的5~6年縮短至2~3年。這對汽車模具的制造提出了前所未有的挑戰和機遇。整套汽車模具的開發周期一般在1年左右，費用高昂。但通常新款車型只是在上一款同系列車型的基礎上進行局部少量更改。因此利用激光融覆技術對原有汽車模具進行局部融覆處理，就可把舊模具再制造為新車型的模具，從而大大縮短新車型模具的開發時間，并節省大量開發成本，產生顯著的經濟效益。

圖8  利用激光融覆技術再制造的新車型車門模具

VI. 激光融覆在模具再制造中的注意事項

激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，熔覆過程中的參數對熔覆件的質量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、移動速度、熔池溫度等。它他們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。此外融覆前的預處理，融覆時的溫度控制，也會影響激光融覆加工的質量。這些都是激光融覆在模具再制造中需要注意的。