光纤激光器如何改进熔覆及增材制造
众所周知，熔覆可以改善金属零件的抗磨损和抗腐蚀性。虽然传统的电弧焊和基于激光的方法是经济上可行的工艺，并能带来不错的性能，但在熔覆过程中仍然有可能形成碳化物晶粒，从而会影响熔覆层的机械强度和寿命。本文介绍了一种新的自动化的激光工艺，能避免碳化物晶粒的形成，并探讨了新一代光纤激光器如何让该工艺不受背反射的影响。
传统激光熔覆的特点
简单地说，熔覆材料以粉末或丝状的形式被引入到零部件的表面，随后用激光器来选择性地将这种材料和基材溶化到非常小的深度，以融合这两种材料。
相比电弧焊和热喷涂方法，激光熔覆具有几个优势。具体来说，对热量进行精准而有限的应用，可以将零部件的热变形控制在最小比例甚至不会产生热变形，从而免去了后续处理中再加工的需要。同时，激光熔覆也会让沉积材料和基体材料产生很少的混合（稀释），在熔覆层和基材之间产生真正牢固的冶金结合。
然而，几位研究人员注意到，有时候在激光熔覆过程中发生的材料快速冷却，会产生结合缺陷，并在熔覆层中产生一些孔隙，从而导致晶粒或其他异质显微结构的形成。这些结构的特殊性质高度依赖于精确的激光工艺参数与采用的熔覆材料，他们还观察到裂缝、孔隙和各种柱状和带状晶粒结构的存在。每一个这样的结构都会影响熔覆层的寿命和有效性。例如，熔覆层裂纹会为腐蚀提供温床，甚至可能会贯通熔覆层直至基体。晶粒或其他微观结构会影响熔覆层的机械性能，并且已经被证明在某些情况下会降低熔覆层的抗拉强度。
优化熔覆工艺
对各种工艺参数的影响进行了研究，如激光功率、激光光束扫描速度、送料速度和熔覆材料的精确配方。通过适当地控制这些因素，可以将不良的熔覆微观结构的形成降至最低甚至避免这些瑕疵。具体地说，可以通过以下方法来创建高性能的熔覆系统，包括精确地模拟熔覆过程、优化熔覆材料，并在之后仔细控制熔覆工艺流程以重现计算结果。
Kthener Spezialdichtungen GmbH（KSD，德国Kleinwülknitz）开发了一种“激光材料快速制造系统（Rapid Laser Materials Manufacturing，R：LM2）”。该系统由三个主要功能元件组成，即混料系统、迷你熔化炉和沉积控制系统（图1）。
图1：KSD的“激光材料快速制造系统”的主要功能元件示意图
混料系统包含几种不同的熔覆粉末以及配备了材料模拟软件的计算机。迷你熔化炉包括光纤激光器和密封处理室，而后者包含光学聚焦元件、送粉喷嘴、运动系统、高温测量仪及过程监控摄像机。沉积控制系统配置了运行着CAD/CAM软件和有限元方法（FEM）模拟软件的计算机。
R：LM2 通过对一组有限的金属粉末进行各种组合后来创建不同的熔覆层。为了根据给定的应用来选出合适的配方，需要将客户的要求输入到该系统中，包括熔覆层所需的机械性能和化学性能（如耐腐蚀性）。然后，材料模拟程序使用相图来计算出能满足性能要求的熔覆材料的最佳组合。
然后，沉积控制系统中的FEM模拟软件接收到这个配方，并确定好熔覆工艺参数，包括送粉速度、激光功率、气体成分、需要的工艺温度，以获得最佳效果。在密封处理室中，金属粉末通过喷嘴被喷涂到工件上，然后用激光熔化。熔覆区域的具体形状由喷嘴和激光光束的运动轨迹来确定，主要是通过沉积控制系统中的CAD/CAM软件来控制。沉积控制系统通过过程摄像机来监控熔覆区域的尺寸和位置，并用高温测量仪来监控温度，必要的时候调整参数以获得预期的效果。R：LM2系统还能严密控制密封处理室中的气体。这对于实现均匀、重现性好的熔覆是至关重要的。
相比传统的激光熔覆，用R：LM2 系统打造的熔覆展现出非常精细的碳化物晶粒结构。这些涂层都不含孔隙或裂缝，并且可以达到 68 HRC的硬度级别。此外，该系统还有望显著降低熔覆成本，因为最常见的传统熔覆材料都很昂贵，例如镍合金、碳化钨和因科镍合金（Inconel）。而R：LM2 所具有的复杂模拟和精准沉积能力，使其在使用成本较低的有色合金组合时也能让熔覆层在抗腐蚀和耐磨性等方面实现同样的效果。另外，该系统大大减少了复杂零部件的加工周期。
光纤激光器的考量
光纤激光器对于实现R：LM2 工艺的要求来说是一个理想的选择，因为它们能提供所需的高输出功率（约800W）和近红外（NIR）波长，而且相比其他类型的激光器，如闪光灯泵浦的脉冲Nd：YAG激光器，光纤激光器的操作成本较低，保养周期更长。
在基于单管激光二极管泵浦的第一代光纤激光器中，数量众多的所有泵浦组件通常被融合在一起，以实现最大的稳定性。虽然这种方法一般来说具有很高的稳健性，但是特别容易受到来自目标材料的背反射的影响。因此，在处理反射型金属时，如铜和黄铜，必须使用某种类型的光隔离器。此外，融合组件（有时包括最终的传输光纤） 的使用意味着这些激光器不能现场维修。因此，如果任何组件稍有损坏，都必须将整个激光器运回工厂进行更换。
相干（Coherent）对光纤激光器的设计使用了创新的模块化方法，主要是基于半导体激光器线阵（Bar），而不是激光单管（Single Emitter），来作为泵浦源。使用由分立式光学元件组成的光束组合器将这些泵浦线阵发射的光引入到增益光纤中。这个光束组合器还能校准增益光纤输出的光束，然后其他光学元件将其有效地耦合到最终的传输光纤中。
光束组合器的几何形状能阻止背反射进入泵浦二极管激光线阵，再加上没有易损坏的接合，使得这种设计不会受到背反射的影响（图2）。
图2：通过在泵浦光耦合和激光提取中使用自由空间光学元件，这种光纤激光器不会受到背反射的影响，并且可以很容易地进行现场维修。
这种模块化的方法还能实现极具灵活性的现场维护，因为它使最终用户能够在短短几分钟内交换传输光纤。此外，其他的模块化组件，例如泵浦二极管线阵，甚至是增益光纤，全部都可以在必要的情况下进行现场更换。
KSD公司在使用传统结构的光纤激光器后发现有可靠性方面的问题，于是改为使用相干的HighLight 1000FL 1kW光纤激光器。这消除了他们曾经历过的由背反射原因引起的操作难题。
应用
现在，KSD公司使用R：LM2 系统对工业水龙头的垫片以及滑环或旋转密封件的滚道承重面（图3）进行熔覆。这种密封元件用于回转泵、潜水泵或螺旋给料机。用于安全或控制配件的垫圈必须能承受极端的应力，如空蚀或流体流动磨损。它们一般在-255°至650°C的温度范围内工作，需要与研磨介质一起使用，冲数大于100，000/年。轴承表面需要在400，000千米/年的移动速度下与具有研磨性或胶粘性的高粘度介质一起工作。到目前为止，使用R：LM2 工艺制造的全铁合金熔覆层已经被证明能有效胜任这些应用。
图3：使用R：LM 2系统在滑环上熔覆铁锰铬（FeMnCr）奥氏体硬质合金。
KSD公司也在研发通过借助R：LM2 技术实现3D零件的激光增材制造方面的应用。通常情况下，首先将相对较薄（600微米）的材料层在零件壁上沉积下来形成条状，然后再填充这些条状之间的缝隙。
在这种工艺中，粉末利用率为70~80%，最终零件的尺寸精度在0.2~0.3毫米范围内。这样的尺寸精度比传统的粉床法要低大约10倍，但是就像选择性激光熔化那样，最终的零件尺寸可以通过机械后加工来迅速获得。在这种情况下，R：LM2方法的独特优点就是，借助混料计算机可以加工并沉积各种材料，具有很高的灵活性。
总而言之，一种新型的自动化激光熔覆系统简化了这个工艺，并且通过使用成本较低的有色金属合金让熔覆更为经济。光纤激光源的使用使得该工艺能不受背反射的影响，并且也更容易维护，这应该能帮助激光熔覆和激光增材制造被更广泛的受众所接受。
