毛測宇 靳兆文* 王洪波

（南京科技職業(yè)學(xué)院 江蘇·南京 211500）

1 激光加工技術(shù)及應(yīng)用

激光加工是利用激光束照射到基材表面，利用產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工的技術(shù)。激光加工應(yīng)用的領(lǐng)域有激光切割、激光焊接、激光熔敷和激光打標(biāo)等先進(jìn)技術(shù)[1]，相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)，具有熱輸入小、變形小、應(yīng)力小、效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

在激光切割領(lǐng)域，激光應(yīng)用在被切割材料的厚度和幅度上都較傳統(tǒng)方式有了大幅改善，光纖激光切割機(jī)在平面切割和斜角切割加工上都有優(yōu)勢，切割出的邊緣整齊、平滑，相對于火焰切割等傳統(tǒng)技術(shù)，相對比較環(huán)保，且價(jià)格效率較高，在加工制造領(lǐng)域?qū)儆陬I(lǐng)先技術(shù)。

在激光熔敷領(lǐng)域，是利用高能密度的激光束，將焊接粉末熔凝在基材表面薄層一種技術(shù)，形成的熔覆薄層可以改善材料表面耐蝕性、耐熱性和耐磨性，是一種綠色的再制造技術(shù)。航空、石油化工等領(lǐng)域使用較廣，特別適合大型傳動類設(shè)備，設(shè)備價(jià)格昂貴且損傷量小場合。

在激光焊接領(lǐng)域，激光焊接在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來以高功率光纖激光器為基礎(chǔ)的激光焊接，廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油管道、航天航空、軌道交通及能源電力等領(lǐng)域，很大程度推動了產(chǎn)品質(zhì)量的提升，對生產(chǎn)效率上也有明顯促進(jìn)作用。

2 激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展

激光熔覆作為激光加工的重要分支之一，該技術(shù)被產(chǎn)業(yè)化后，國內(nèi)外學(xué)者圍繞焊接參數(shù)對熔覆層的性能和作用機(jī)理做了一系列的大量研究，涌現(xiàn)出了大量成果，其中相當(dāng)一部具有實(shí)用價(jià)值。江吉彬[2]等對激光熔覆技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出對激光熔覆質(zhì)量影響較大的有焊接工藝參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、過程參數(shù)、激光光源、基材材質(zhì)、焊接粉末、送粉系統(tǒng)等幾個(gè)方面；許明三[3]等做了正交試驗(yàn)，以粉末材質(zhì)、熔覆功率、熔覆掃描速度為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)合金粉末材質(zhì)是影響熔覆層結(jié)合強(qiáng)度的重要因素；杜學(xué)蕓[4]等重點(diǎn)檢測了熔覆層的耐腐蝕性能，選擇使用能量密度不同的大功率激光器作為熔覆試驗(yàn)基礎(chǔ)，對熔覆層進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，得出能量密度越高，形成法人熔覆層微觀組織差異就越大，耐蝕性能也會越差的結(jié)論。

若將有限元模擬運(yùn)用到熔敷工藝參數(shù)的選定上，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整模型再對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，可大幅度縮短融敷焊工藝確定的試驗(yàn)周期。Han[5]等人解除了二維流體和能量方程，結(jié)果預(yù)測熔池的溫度分布情況和內(nèi)部幾何形狀。Hoadley和Rappaz[6]提出了一個(gè)計(jì)算激光熔覆過程中穩(wěn)態(tài)溫度的二維模型，得出了基體溫度場的數(shù)值模型，屬于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)值，結(jié)果表明基體熔化非常少，得到掃描速度、激光功率和修復(fù)層厚度3個(gè)因素具有近似線性關(guān)系。Cho和Pirch等人[7]采用了三維穩(wěn)態(tài)有限元模型，將同軸送粉作為研究變量，對涂層溫度場及涂層形狀進(jìn)行了計(jì)算，方法采用自洽，將溫度梯度和冷卻速率作為依據(jù)對涂層熔覆組織進(jìn)行了性能預(yù)測。Jendrzejewski[8]用10Cr13為基材，在基材上熔覆鈷基合金，研究了預(yù)熱溫度對修復(fù)層應(yīng)力場和溫度場的影響，用線性逼近溫度特性，對基體預(yù)熱后熱應(yīng)力值得到了大幅下降，試驗(yàn)出了無裂紋修復(fù)層。

諸多學(xué)者在激光熔覆焊接參數(shù)上做了大量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)論證。王永東[9]等研究了不同激光熔覆工藝參數(shù)下Ni60A熔覆層的組織與性能，基于35CrMnSi鋼基體表面制備不同激光熔覆工藝參數(shù)的Ni60A熔覆層，數(shù)據(jù)分析表明：熔覆層的組織與性能最佳工藝參數(shù)是激光功率1500W、掃描速度10 mm/s，在該參數(shù)下制得的熔覆層內(nèi)部沒有產(chǎn)生顯微裂紋，枝晶連貫性良好且枝晶間距也較小，顯微硬度最高為9.96GPa，稀釋率最小為7.15%。舒林森[10]等分析發(fā)現(xiàn)在Q235鋼基材上制備鐵基合金（Fe45）熔覆層的激光熔覆最佳工藝參數(shù)為：激光功率2.7 kW、掃描速度7 mm/s、離焦量2 mm、送粉速度22 g/min，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還得出以最優(yōu)參數(shù)制備的熔覆層硬度均勻度較高、可以與基材形成連續(xù)的白亮凝合線，表面及內(nèi)部無裂紋和氣孔，熔覆層整體性能得到大幅提升。

綜上所述，工藝參數(shù)是激光熔覆技術(shù)運(yùn)用過程中極為重要的部分，激光熔覆各項(xiàng)技術(shù)工藝參數(shù)對熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)和性能都有影響。激光功率會影響焊接效率，光斑直徑會影響能量輸出，進(jìn)給速度會影響焊接質(zhì)量，送氣量會影響焊接缺陷的形成，焊接粉末會影響熔覆涂層的性能和外觀質(zhì)量等。所以，選取最佳的參數(shù)組合對熔覆層的性能或修復(fù)層的外表質(zhì)量影響是非常大的，也是修復(fù)和熔敷工作中最重要、最關(guān)鍵的一步。

然而被修復(fù)和熔敷的零部件因材質(zhì)不同、結(jié)構(gòu)不同、尺寸不同，其對應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)組合都會發(fā)生變化，在正式焊接前，技術(shù)人員需做好參數(shù)選定工作，調(diào)試需花費(fèi)大量的時(shí)間、精力和其它成本，往往會大幅降低修復(fù)工作的時(shí)效性，呈現(xiàn)不出激光熔覆的優(yōu)勢。參數(shù)選取不當(dāng)容易造成貴重金屬熔覆層結(jié)合力不牢而脫落，或者會引起裂紋氣孔等缺陷，從而造成金屬熔敷或修復(fù)加工報(bào)廢。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，焊接修復(fù)工況千變?nèi)f化，激光熔覆修復(fù)技術(shù)需要一個(gè)龐大的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫支撐，一個(gè)人或單個(gè)團(tuán)隊(duì)很難完成該項(xiàng)任務(wù)，需要組建有效的共享機(jī)制才能將工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，從而大幅度提高激光熔覆技術(shù)的修復(fù)效率。建立有效的參數(shù)組合標(biāo)準(zhǔn)可以省去前期大量實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證的時(shí)間，進(jìn)一步發(fā)揮修復(fù)的時(shí)效性，同時(shí)在成本上大幅度降低，對企業(yè)而言可獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前激光熔覆焊工藝參數(shù)的組合還存在很多不確定性，參數(shù)的使用存在非標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)象，在焊接參數(shù)優(yōu)化方面還需科研工作者做大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。在焊接參數(shù)優(yōu)化方面，計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用可大大縮短激光熔覆工藝參數(shù)的匹配時(shí)間，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

3 激光熔覆技術(shù)研究展望

激光熔覆技術(shù)深受學(xué)者的青睞，雖然該行業(yè)發(fā)展還未成熟，近幾年大量的研究成果加速推動了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，相信該技術(shù)將會在工業(yè)生產(chǎn)中得到進(jìn)一步推廣，也為未來普遍推廣金屬3D打印提供了技術(shù)基礎(chǔ)。展望后續(xù)研究重點(diǎn)，主要需在以下幾個(gè)方面做出努力：

（1）從熔覆原理上解決裂紋產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防問題；

（2）成立全國性的研究機(jī)構(gòu)或團(tuán)隊(duì)，將現(xiàn)有研究成果建成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，有計(jì)劃、有組織地研究該項(xiàng)技術(shù)，為不同類型熔覆材料熔覆選擇最佳的工藝參數(shù)提供依據(jù)；

（3）在新型熔覆材料體系上作進(jìn)一步研發(fā)，研究開發(fā)高性能、高質(zhì)量的涂層材料；

（4）熔覆技術(shù)理論體系，如熱源耦合機(jī)理、熔池理論模型等需要進(jìn)一步完善；

（5）計(jì)算仿真軟件的應(yīng)用，能夠有效加快激光熔覆技術(shù)的研究。如利用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測溫度場、應(yīng)力場、溶質(zhì)元素分布，建立復(fù)雜多物理場耦合模型，可以為高性能零件的制備提供技術(shù)支撐，具有重要的研究價(jià)值。