激光熔覆由于根據(jù)工件的技術(shù)要求，在工件表面進(jìn)行精準(zhǔn)熔覆所需的高性能材料，其熔覆層具有稀釋率小、組織致密，與基體結(jié)合良好的特點，且工作環(huán)境無污染等優(yōu)點，使激光熔覆應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。隨著激光熔覆應(yīng)用的擴(kuò)大，激光熔覆設(shè)備也在不斷改進(jìn)，其中激光熔覆光頭的改進(jìn)最引人矚目。激光熔覆頭主要由光學(xué)部件、送粉部件等構(gòu)成。通過激光熔覆頭將激光設(shè)備發(fā)出的光和送粉器輸出的粉末形成交匯，使高能激光束將粉末全部有效熔覆到工件表面。

早期激光功率較低，多數(shù)用透射聚焦鏡和旁軸送粉進(jìn)行激光熔覆。隨著激光功率的不斷增加，現(xiàn)在多數(shù)用反射聚焦鏡和旁軸或同軸送粉進(jìn)行激光熔覆。不同規(guī)格反射聚焦鏡與不同送粉方式進(jìn)行配置使得激光熔覆能高效應(yīng)用于不同場合。

應(yīng)用形式

01 圓形光斑+旁軸送粉

與早期透射聚焦鏡和旁軸送粉不同是現(xiàn)在光纖激光可以輸出高斯分布或平頂?shù)募す馐�。平頂�(shù)募す馐�的�?yīng)用不但提高了激光束的能量利用率，還因為平頂?shù)募す馐�使受照射粉末都能吸收相近的能量，極大地改善熔覆層質(zhì)量。旁軸送粉具有機(jī)構(gòu)簡單、靈活的特點，使得圓形光斑+旁軸送粉能適應(yīng)各種激光熔覆應(yīng)用。

高斯光束與平頂光束對熔覆的影響對比

02 矩形光斑+旁軸送粉

將“圓形光斑+單束送粉”方式發(fā)展為“矩形光斑+寬帶送粉”方式極大提升了熔覆效率，極大改善了熔覆時中間與兩側(cè)的能量密度不均勻情況，改善了熔覆層質(zhì)量。圓形光斑+單束送粉的單道熔覆層寬度只有3-4mm。充分利用現(xiàn)在激光功率大的優(yōu)勢，矩形光斑+寬帶送粉的單道熔覆層可以到達(dá)30mm寬。隨著激光設(shè)備的功率不斷加大，價格不斷降低，利用激光“矩形光斑+寬帶送粉”光斑熔覆在許多場合不但比傳統(tǒng)堆焊的質(zhì)量更好，而且成本更低。這不但擴(kuò)大激光熔覆的應(yīng)用，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，“矩形光斑+寬帶送粉”由于變化掃描方向時，光粉耦合會出現(xiàn)明顯的方向性，影響熔覆層的性能，通常用于形狀簡單零件的大面積表面激光熔覆。

03 圓形光斑+同軸送粉

同軸熔覆頭在工作時，激光束、合金粉末、保護(hù)氣體是同軸輸出。同軸送粉熔覆光頭由于粉束和激光束同軸輸出，使得激光束和保護(hù)氣體與粉末流各向同性，克服了旁軸送粉方向性的限制，可保證任意熔覆路徑下熔覆狀態(tài)、熔覆層的性能一致性。使得熔覆時，熔池可以獲得很好的氣體保護(hù)，使得熔覆層質(zhì)量更好，熔覆材料種類更多。由于同軸送粉熔覆噴頭無方向性問題，還可應(yīng)用于激光金屬增材制造（3D打�。�，通過逐層沉積可近凈成形大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。

同軸熔覆優(yōu)良的質(zhì)量，極大促進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域，同時更進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)發(fā)展。根據(jù)激光束和粉束的相對位置，現(xiàn)在同軸送粉熔覆噴頭可分為光外同軸送粉噴頭和光內(nèi)同軸送粉噴頭。光外同軸送粉噴頭是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束從中心出射，光束周圍為傾斜布置的多個粉嘴送粉或環(huán)狀送粉，工作時激光束和粉束匯聚在工作表面并形成熔池。光內(nèi)同軸送粉噴頭是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圓形實心光束轉(zhuǎn)換為圓環(huán)錐形光束或多光束，中空無光區(qū)域垂直放置送粉管，實現(xiàn)光束中空，粉管居中，光內(nèi)送粉。粉末垂直加工面噴射，由于粉末噴射方向與包圍粉束的準(zhǔn)直氣流方向、外圍聚焦環(huán)錐形光束軸線方向均相同，故三相流互不干涉，粉末發(fā)散小，集束性好，因此在一定的長度范圍內(nèi)能夠保證光束、保護(hù)氣都包圍粉束，進(jìn)一步提高了粉末利用率和熔覆層質(zhì)量，減少熔覆層的表面粘粉和熔覆過程中的飛濺。

發(fā)展趨勢

隨著激光器的功率不斷加大，寬帶同軸送粉熔覆現(xiàn)在也獲得越來越多的應(yīng)用。寬帶同軸送粉熔覆主要由送粉道、保護(hù)氣道和激光束通道組成。光外同軸送粉寬帶光頭的中心為矩形光斑，光束外兩側(cè)為與激光光斑相適應(yīng)的矩形粉末流道。光外同軸送粉寬帶光頭的中心是矩形送粉裝置，外層為雙光束，熔覆層最大寬度到達(dá)40mm。

隨著激光熔覆應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，加工技術(shù)不斷提高，激光熔覆頭技術(shù)發(fā)展在不斷提高。特別是寬帶同軸送粉熔覆技術(shù)，激光束、粉末、保護(hù)氣體的不同交匯方式必將促進(jìn)激光熔覆技術(shù)的提高，必將促進(jìn)激光熔覆應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，必將帶產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。

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