Thomas Peters，瑞士Sulzer Innotec公司

激光金屬成形技術(shù)日益在工件的制造和修復(fù)中獲得了廣泛應(yīng)用。除了能獲得較小的工件變形外，激光金屬成形技術(shù)的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其能大幅提升材料的可焊性，即使是那些難以焊接的材料，如高溫鎳合金和高碳鋼。激光金屬成形技術(shù)最典型的應(yīng)用是燃?xì)鉁u輪葉片或模具的修復(fù)焊接。

   工作原理
   激光金屬成形是利用金屬粉末作為填充材料，通過(guò)一個(gè)粉末噴嘴將金屬粉末送入一個(gè)由激光束創(chuàng)建的熔池中（見(jiàn)圖1）。整個(gè)加工過(guò)程可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制（CNC），獲得精細(xì)的焊接軌跡。激光成形技術(shù)也可用于在工件表面上增加覆層，就像在骨架肋板和工件邊緣上堆焊一樣。

     
   圖1：激光金屬成形的工作原理：激光金屬成形使用金屬粉末作為填充物，金屬粉末通過(guò)一個(gè)粉末噴嘴被送到由激光束創(chuàng)建的熔池中。

   瑞士Sulzer Metco公司在激光金屬成形技術(shù)領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)。該公司提供的粉末給料機(jī)，能夠保證金屬粉末恒定、均勻地流動(dòng)。這些金屬粉末搭載著惰性氣體流被輸送到粉末噴嘴中，被輸送的金屬粉末量可以根據(jù)應(yīng)用調(diào)節(jié)。在這里，惰性載氣同時(shí)也作為焊接過(guò)程的保護(hù)氣體。

   使用合適的粉末噴嘴，激光金屬成形技術(shù)甚至可以加工通常與氧氣反生強(qiáng)烈反應(yīng)的鈦金屬。另外，由于幾乎任何材料都可以被霧化，因此在激光金屬成形過(guò)程中，還可以使用那些無(wú)法作為標(biāo)準(zhǔn)粉末使用的特殊材料。      

   銑削加工
   葉輪生產(chǎn)是Sulzer Innotec公司的一項(xiàng)核心生產(chǎn)能力，該公司在5軸聯(lián)動(dòng)銑削加工方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

   在激光焊接技術(shù)中，Sulzer Innotec公司在一個(gè)龍門(mén)式機(jī)器人上裝載了一臺(tái)功率2.2kW的CO₂激光器和一臺(tái)1.5kW的光纖激光器系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），這兩臺(tái)激光器都能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。在廢氣渦輪增壓器葉片的修復(fù)應(yīng)用中，利用該系統(tǒng)能獲得精細(xì)的堆焊軌跡。

     
   圖2：在激光焊接技術(shù)中，Sulzer Innotec公司在一個(gè)龍門(mén)式機(jī)器人上裝載了一臺(tái)功率2.2kW的CO₂激光器和一臺(tái)1.5kW的光纖激光器系統(tǒng)。

  三維修復(fù)焊接
  在五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)中，加工工具（銑床中的銑刀，或者是激光焊接系統(tǒng)中的激光束和粉末噴嘴）可以在組件的表面上按照不同的編程軌跡、以任何入射角連續(xù)不斷地移動(dòng)。在激光焊接過(guò)程中，激光束能夠很理想地調(diào)整到與工件表面垂直。

   在廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用案例中，利用激光將充分的材料焊接到渦輪葉片的曲面上，然后再通過(guò)研磨或銑削恢復(fù)其原來(lái)的幾何形狀。激光的焊接軌跡是根據(jù)CAD系統(tǒng)中提供的CAD模型生成的。

    在整個(gè)加工過(guò)程中，可靠的焊接策略與強(qiáng)大的焊接參數(shù)同等重要，這樣才能彌補(bǔ)鑄模輪的幾何偏差。此外，使用同軸粉末噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)均勻焊接，而不用考慮焊接方向問(wèn)題（見(jiàn)圖3）。

圖3：渦輪增壓器葉尖的修復(fù)焊接。

在用光纖激光器系統(tǒng)加工的過(guò)程中，帶有粉末噴嘴的加工頭總是指向下方，從而在三個(gè)軸的橫向和縱向移動(dòng)，與此同時(shí)，加工頭下面的工件在兩個(gè)軸向移動(dòng)。加工體積和重量較大的工件時(shí)，用龍門(mén)式機(jī)器人裝置中的CO₂激光器系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸位于加工頭上，加工頭可以與固定的工件對(duì)齊，并且激光束能以任何需要的角度入射運(yùn)轉(zhuǎn)。

涂覆耐磨層
   針對(duì)任何曲面的磨損保護(hù)層應(yīng)用，是五軸聯(lián)動(dòng)加工的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。Stellite是一種基于鈷和鉻的硬質(zhì)合金，其除了具有非常大的硬度外，高度抗腐蝕性也是一個(gè)突出的特點(diǎn)。當(dāng)在一個(gè)進(jìn)料螺桿（見(jiàn)圖4）上堆焊Stellite合金層時(shí)，對(duì)其表面的完全覆蓋至關(guān)重要。因此，必須精心選擇焊接加工參數(shù)，以確保無(wú)裂紋加工。

圖4：具有Stellite耐磨層的進(jìn)料螺桿。Stellites是一種基于鈷和鉻的硬質(zhì)合金。

傳統(tǒng)的堆焊通常需要對(duì)組件進(jìn)行預(yù)熱、并做一些相關(guān)的熱處理。在激光金屬成形加工中，通�？梢允÷赃@些工序。在傳統(tǒng)的焊接過(guò)程中，由于填充物和基體材料之間較大的稀釋率，因此必須要加工幾個(gè)焊接層（或者說(shuō)是幾毫米厚的涂層），才能確保工件表面具有想要的耐磨保護(hù)特征。相比之下，激光金屬成形過(guò)程中，基體材料的稀釋較小，因此只需要一個(gè)較薄的覆層就能實(shí)現(xiàn)想要的耐磨性能。
 

加工尖銳的邊緣，例如從進(jìn)料螺桿的葉片到樞紐（hub）的過(guò)渡，是加工過(guò)程中的一個(gè)額外的挑戰(zhàn)（見(jiàn)圖5）。在圖5中，粉末噴嘴的位置正好處于拐角處（在激光束開(kāi)啟之前）。用氣體流輸送金屬粉末，還能保證熔化面積的清潔，清除之前加工過(guò)程中殘留的多余粉末。加工過(guò)程中的粉末殘留是不可避免的，因?yàn)殚_(kāi)、關(guān)粉末流，將會(huì)比焊接停頓花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)一處焊接結(jié)束后、焊接系統(tǒng)移動(dòng)到下一個(gè)焊接軌跡起點(diǎn)的時(shí)候，焊接停頓只持續(xù)幾秒鐘。當(dāng)然，在CAD系統(tǒng)中編寫(xiě)焊接軌跡的時(shí)候，通過(guò)精心設(shè)計(jì)焊接方案，可以?xún)?yōu)化焊接過(guò)程中出現(xiàn)的這些停頓（見(jiàn)圖6）。

 
   圖5：當(dāng)焊接螺絲樞紐時(shí)，銅粉噴嘴的位置。

   圖6：在CAD系統(tǒng)中編寫(xiě)焊接軌跡的時(shí)候，通過(guò)精心設(shè)計(jì)焊接方案，可以?xún)?yōu)化焊接過(guò)程中出現(xiàn)的停頓。

組件鎧裝
   在有極端磨損和沖擊負(fù)荷的情況下，可在工件的表面堆焊鈷或鎳基碳化鎢層，這樣工件就可以獲得高達(dá)1300HV的硬度。在這個(gè)加工過(guò)程中，成功的關(guān)鍵在于工件表面的全面鎧裝，特別是在拐角和邊緣的地方。
 
   一個(gè)無(wú)裂紋的焊接結(jié)果并不一定是最重要的因素。相反，加工參數(shù)的正確選擇，必須要確保涂層不會(huì)因?yàn)槭艿經(jīng)_擊力而受損。圖7中顯示的是對(duì)巖石破碎機(jī)的鋸齒表面進(jìn)行了完全涂覆，圖8中顯示的是鋸齒邊緣的細(xì)部圖。

圖7：在巖石破碎機(jī)鋸齒的涂覆中，必須選擇正確的加工參數(shù)，以確保涂層在受到?jīng)_擊力的時(shí)候不會(huì)受損。

      
    圖8：鋸齒邊緣鎧裝的細(xì)部圖。

與傳統(tǒng)的手工堆焊相比，激光金屬成形加工不但大大減少了加工時(shí)間，同時(shí)涂層質(zhì)量也得到了大幅改善。平坦的焊接軌跡、接近完美的工件形狀、表面修復(fù)工作大大減少（或者已經(jīng)完全不需要表面修復(fù)這道工序了），對(duì)于加工如此堅(jiān)硬的材料來(lái)講，都是非常巨大的優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)發(fā)加工工藝
激光金屬成形的加工參數(shù)并不是普遍有效的，但是在每種加工情況下，加工參數(shù)都必須要適應(yīng)材料組合和工件的幾何形狀。根據(jù)不同的應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)合適的加工工藝過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，需要做樣品焊接以及相應(yīng)的金相調(diào)查。

     Sulzer Innotec公司長(zhǎng)期以來(lái)在激光金屬成形領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，幫助其大幅縮短了加工工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程。焊接結(jié)果的評(píng)估，是按照焊接技術(shù)領(lǐng)域的有效法規(guī)或者是根據(jù)客戶(hù)的要求來(lái)執(zhí)行的。另外，Sulzer Innotec公司還提供關(guān)于材料和加工方面的咨詢(xún)，在必要的時(shí)候，還可以幫助客戶(hù)制定一個(gè)合適的焊接過(guò)程。

小結(jié)

在傳統(tǒng)的焊接方式或是熱噴涂等加工方式不能適用的情況下，或者是要求在預(yù)加工和后加工以及工件的設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)省成本的話(huà)，那么激光金屬成形技術(shù)通常是理想的選擇。文中提到的用金屬粉末作為填充材料的三維（3D）激光堆焊，在激光束和金屬粉末流能夠保證滿(mǎn)足要求的情況下，能夠基于CAD模型加工出任何形狀。

    激光金屬成形通常加工一次就能達(dá)到想要的效果，這大大降低了焊接時(shí)間，從而也降低了焊接成本。用戶(hù)將從激光金屬成形技術(shù)中受益匪淺。