Thomas Peters，瑞士Sulzer Innotec公司

激光金屬成形技術日益在工件的制造和修復中獲得了廣泛應用。除了能獲得較小的工件變形外，激光金屬成形技術的另一個顯著優(yōu)勢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。激光金屬成形技術最典型的應用是燃氣渦輪葉片或模具的修復焊接。

   工作原理
   激光金屬成形是利用金屬粉末作為填充材料，通過一個粉末噴嘴將金屬粉末送入一個由激光束創(chuàng)建的熔池中（見圖1）。整個加工過程可以用計算機實現(xiàn)數字化控制（CNC），獲得精細的焊接軌跡。激光成形技術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，金屬粉末通過一個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領域有著多年的經驗。該公司提供的粉末給料機，能夠保證金屬粉末恒定、均勻地流動。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應用調節(jié)。在這里，惰性載氣同時也作為焊接過程的保護氣體。

   使用合適的粉末噴嘴，激光金屬成形技術甚至可以加工通常與氧氣反生強烈反應的鈦金屬。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程中，還可以使用那些無法作為標準粉末使用的特殊材料。      

   銑削加工
   葉輪生產是Sulzer Innotec公司的一項核心生產能力，該公司在5軸聯(lián)動銑削加工方面具有豐富的經驗。

   在激光焊接技術中，Sulzer Innotec公司在一個龍門式機器人上裝載了一臺功率2.2kW的CO₂激光器和一臺1.5kW的光纖激光器系統(tǒng)（見圖2），這兩臺激光器都能實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。在廢氣渦輪增壓器葉片的修復應用中，利用該系統(tǒng)能獲得精細的堆焊軌跡。

     
   圖2：在激光焊接技術中，Sulzer Innotec公司在一個龍門式機器人上裝載了一臺功率2.2kW的CO₂激光器和一臺1.5kW的光纖激光器系統(tǒng)。

  三維修復焊接
  在五軸聯(lián)動加工系統(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。在激光焊接過程中，激光束能夠很理想地調整到與工件表面垂直。

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

    在整個加工過程中，可靠的焊接策略與強大的焊接參數同等重要，這樣才能彌補鑄模輪的幾何偏差。此外，使用同軸粉末噴嘴能夠實現(xiàn)均勻焊接，而不用考慮焊接方向問題（見圖3）。

圖3：渦輪增壓器葉尖的修復焊接。

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

涂覆耐磨層
   針對任何曲面的磨損保護層應用，是五軸聯(lián)動加工的一個重要應用領域。Stellite是一種基于鈷和鉻的硬質合金，其除了具有非常大的硬度外，高度抗腐蝕性也是一個突出的特點。當在一個進料螺桿（見圖4）上堆焊Stellite合金層時，對其表面的完全覆蓋至關重要。因此，必須精心選擇焊接加工參數，以確保無裂紋加工。

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

傳統(tǒng)的堆焊通常需要對組件進行預熱、并做一些相關的熱處理。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焊接層（或者說是幾毫米厚的涂層），才能確保工件表面具有想要的耐磨保護特征。相比之下，激光金屬成形過程中，基體材料的稀釋較小，因此只需要一個較薄的覆層就能實現(xiàn)想要的耐磨性能。
 

加工尖銳的邊緣，例如從進料螺桿的葉片到樞紐（hub）的過渡，是加工過程中的一個額外的挑戰(zhàn)（見圖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，清除之前加工過程中殘留的多余粉末。加工過程中的粉末殘留是不可避免的，因為開、關粉末流，將會比焊接停頓花費更長的時間。當一處焊接結束后、焊接系統(tǒng)移動到下一個焊接軌跡起點的時候，焊接停頓只持續(xù)幾秒鐘。當然，在CAD系統(tǒng)中編寫焊接軌跡的時候，通過精心設計焊接方案，可以優(yōu)化焊接過程中出現(xiàn)的這些停頓（見圖6）。

 
   圖5：當焊接螺絲樞紐時，銅粉噴嘴的位置。

   圖6：在CAD系統(tǒng)中編寫焊接軌跡的時候，通過精心設計焊接方案，可以優(yōu)化焊接過程中出現(xiàn)的停頓。

組件鎧裝
   在有極端磨損和沖擊負荷的情況下，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1300HV的硬度。在這個加工過程中，成功的關鍵在于工件表面的全面鎧裝，特別是在拐角和邊緣的地方。
 
   一個無裂紋的焊接結果并不一定是最重要的因素。相反，加工參數的正確選擇，必須要確保涂層不會因為受到沖擊力而受損。圖7中顯示的是對巖石破碎機的鋸齒表面進行了完全涂覆，圖8中顯示的是鋸齒邊緣的細部圖。

圖7：在巖石破碎機鋸齒的涂覆中，必須選擇正確的加工參數，以確保涂層在受到沖擊力的時候不會受損。

      
    圖8：鋸齒邊緣鎧裝的細部圖。

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間，同時涂層質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、表面修復工作大大減少（或者已經完全不需要表面修復這道工序了），對于加工如此堅硬的材料來講，都是非常巨大的優(yōu)勢。

開發(fā)加工工藝
激光金屬成形的加工參數并不是普遍有效的，但是在每種加工情況下，加工參數都必須要適應材料組合和工件的幾何形狀。根據不同的應用，需要開發(fā)合適的加工工藝過程。在這個過程中，需要做樣品焊接以及相應的金相調查。

     Sulzer Innotec公司長期以來在激光金屬成形領域積累的豐富經驗，幫助其大幅縮短了加工工藝開發(fā)過程。焊接結果的評估，是按照焊接技術領域的有效法規(guī)或者是根據客戶的要求來執(zhí)行的。另外，Sulzer Innotec公司還提供關于材料和加工方面的咨詢，在必要的時候，還可以幫助客戶制定一個合適的焊接過程。

小結

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，或者是要求在預加工和后加工以及工件的設計過程中節(jié)省成本的話，那么激光金屬成形技術通常是理想的選擇。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到想要的效果，這大大降低了焊接時間，從而也降低了焊接成本。用戶將從激光金屬成形技術中受益匪淺。