中心送粉和其他几种送粉方式的比较

作者:网站管理员      日期:2020-10-28 17:08      
激光熔覆在国内发展了近十几年,属于一种相对比较先进的金属表面改性技术。激光熔覆技术是利用高能密度的激光束使熔覆材质(金属粉末)与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基体表面形成冶金结合的熔覆层。激光熔覆层稀释度低但结合力强,与基体呈冶金结合,可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性。       激光熔覆按照激光与熔覆粉末的作用方式(即送料方式)划分又可分为旁轴送粉,同轴周向送粉以及中心送粉,这三种送粉形式决定了激光与金属粉末的相互作用过程的不同。再者,从技术迭代更新以及先进性上划分,激光熔覆又可分为传统激光熔覆和高速激光熔覆。高速激光熔覆在传统激光熔覆基础上发展而来,解决了传统激光熔覆加工效率低,热输入大以及熔覆层不平整后期加工量大的问题。传统激光熔覆的送粉方式以旁轴送粉和同轴送粉较为常见,而高速激光熔覆技术在原有同轴送粉技术上又发展出新的送粉方式即中心送粉,中心送粉方式相较前两种方式效率高,粉末利用率高,解决了传统旁轴和同轴送粉方式的技术缺陷,下面主要围绕这三种送粉技术做简单介绍。  

        A旁轴送粉激光熔覆技术
                                   

       旁轴送粉技术(侧向送粉激光熔覆技术)是指粉料的输送装置和激光束分开,彼此独立的一种送粉方式。一般使用外侧送粉管的方式,送粉管位于激光加工方向的前方,金属粉在重力的作用下提前堆积在基体表面,然后后方的激光束扫描在预先沉积的粉末上,完成激光熔覆过程。实际生产中,送粉器的出粉嘴与激光头有相对固定的位置和角度匹配。同时旁轴激光熔覆完全依赖重力的作用,不能施加保护气体,避免预置在基体上的熔覆粉末被吹散,降低粉末利用率以及熔覆效率。旁轴送粉激光器一般采用半导体直接输出激光器或半导体光纤输出激光器和重力送粉器,熔覆头采用矩形光斑和旁轴宽带送粉方案。
       旁轴送粉技术缺点:       (1)金属粉的选择受限制。由于缺少保护气体的作用,激光熔池只能依靠熔覆粉末熔化时的熔渣自我保护。因此目前工业生产中,旁轴送粉系统多选用自熔性合金粉末。熔覆粉末依靠B, Si等元素的造渣作用在熔池表面产生自保护作用。       (2)熔覆层表面起伏较大。旁轴送粉采用预置式送粉方式,熔覆后熔覆层表面熔道十分明显,沟壑较大起伏不平,熔覆完成后需进行相应的车、抛及磨。       (3)旁轴送粉由于是重力送粉,不适宜斜面工件上使用,也不适于内孔熔覆,应用范围有限。  
     
       旁轴送粉技术优势:       (1)金属粉利用率高。相对于同轴送粉,旁轴送粉激光熔覆技术采用的预置铺粉方式,金属粉的利用率可达到95%以上,节省较多的材料成本。       (2)熔覆效率相对较高。旁轴送粉激光熔覆技术由于采用矩形光斑方案,在保证熔覆方向光斑的能量密度不变的情况下,可以采用加大激光功率和光斑宽度的方式,使得熔覆效率大幅提升。目前实际生产中单道熔覆宽度可达30mm以上,熔覆线速度可达到1.0m/h或12Kg/h。       (3)无惰性气体消耗。旁轴送粉激光熔覆技术采用重力送粉器,不需要消耗惰性气体送粉;同时如果采用气体送粉,气流会影响预置的粉末。所以从成本的角度而言,节省了较多的惰性气体成本。       
       B 同轴送粉激光熔覆技术
                                   

       同轴送粉技术是指激光(圆型光斑)从熔覆头的中心输出,金属粉围绕激光呈周围环状分布或者多束周向环绕分布。熔覆头上设置有专门的保护气通道、金属粉通道以及冷却水通道。熔覆工作时,多束金属粉与激光相交于熔覆头外部一点。对于传统激光熔覆,该交点一般设置在激光熔池的上,即激光和金属粉在基体表面发生作用,金属粉和基体同时在激光的作用下发生熔融,在工件表面形成熔覆层。而该项技术应用于高速激光熔覆时,要求金属粉与激光的交点位于工件表面的上方空间,即金属粉在充分吸收激光能量成为熔融或者半熔融状态后落入工件表面的熔池,从而在基体表面形成致密平整的熔覆层。同轴送粉激光器一般采用半导体光纤输出激光器或光纤激光器,送粉器选用盘式气载送粉器。
   


       同轴送粉技术缺点:       (1)材料利用率低。同轴送粉激光熔覆技术采用气动式送粉,惰性气体在助动金属粉输出的同时吹向激光熔池,气体作用下的金属粉末之间发生碰撞、熔池里发生飞溅以及相当比例的金属粉末不能吸收激光熔融而被浪费,因此实际应用中,粉末利用率只有50%-70%左右,而且粉末输出速度越快,粉末利用率越低。       (2)环形送粉或者多束粉方案中送粉通道较狭窄,且需要实现均等分粉,因重力或受气流波动的影响,会出现分粉不均等,极易出粉通道堵塞现象,影响生产作业连续性,严重情况下需要更换喷嘴,维护费用较高。       (3)同轴送粉熔覆头采用中心输出激光,周围粉路、气路、水路结构复杂,熔覆头的制冷效果差,长时间工作熔覆头温度会过高,会引起飞溅粉末的粘连。
       同轴送粉技术优势: 
       (1)相对于旁轴送粉,同轴送粉表面较为平整,后期加工工序简单,加工量小。       (2)送粉与激光一体化设计,易实现自动化集成。金属粉为气动式送粉,可在不同角度任意方向得到质量相同的熔覆层,配合工业机器人或多轴运动机床可以进行任意路径或任意形状零件的表面熔覆。也可用于激光同轴送粉3D打印。       (3)熔池保护效果好。熔覆头内部设置有气流通道,激光与金属粉的作用区受到惰性气体良好保护,熔覆层中氧化物夹杂较少。       (4)熔覆层抗裂性好。同轴送粉熔覆过程中的金属粉和激光均匀接触,能量传递均匀,熔覆层抗裂性好。特别是对含碳化钨等陶瓷颗粒的符合材料的熔覆,容易制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。             C 中心送粉激光熔覆技术       中心送粉激光熔覆技术是基于上面提到的旁轴送粉技术和同轴送粉技术二者基础上研发的新型送粉技术。该技术目前主要应用于高速激光熔覆技术中,使得高速激光熔覆技术更够最大程度上发挥其技术优势(表面平整,效率高,粉末利用率高)。       中心送粉技术简称光包粉技术,即熔覆头中心设有单束粉末通道,激光束围绕金属粉呈周围环状分布或者多束周向环绕分布。实际工作中,金属粉自中心通道在重力及气动的作用下输出,外围激光与金属粉在基体上方相交于一处,处于中心位置的金属粉被激光光束环绕充分吸收光能量成为熔融或者半熔融状态,之后熔融状态的金属粉落入基体表面的熔池,在基体表面形成平整致密的冶金熔覆层。
                                  

       中心送粉技术的设计理念提出较早,但一直缺少成熟的工业产品应用,主要问题在于技术实现难度较大。早期苏州某大学教授基于中心送粉原理设计了一款分光式中心送粉熔覆头,即将一束数千瓦的激光通过透镜反射分为多束激光实现多束激光对中心金属粉的周向环绕。该设计产品初试时无法满足工业加工使用,主要原因为熔覆头加工难度大,内置透镜较多且对透镜的长期固定稳定性要求非常高。如内部个别透镜出现些许的角度偏差,会导致光束发生位置偏移,严重时甚至激光无法输出,影响设备使用安全性。此后中心送粉技术产业化发展一直较缓慢,值得关注的是,2019年中科院西光所下属企业(中科中美)推出了成熟的中心送粉高速激光熔覆头,结构设计简单,可靠稳定。自此,中心送粉技术真正的实现了工业化应用。目前鉴于该技术特点及优势,国内一些大型煤矿国企以及钢厂(宝钢、马钢)已引进多台中心送粉激光熔覆设备,而中心送粉必将会成为激光熔覆送粉方式中的领跑技术。下面重点介绍该技术的特点。       (1)金属粉末利用率可达90%。       相对于同轴气动送粉,中心送粉的特点是粉末为单一粉流,不存在不同方向粉流的相互撞击散射。另外,在垂直向下熔覆加工时,可以使用较低的送粉气压,这样,一方面粉流速度相对较慢,粉末与激光的作用时间长,更易于粉末在熔池上空的熔化。另一方面,较低的粉流速度,也减少粉流与基体之间的弹射。实际应用表明,中心送粉高速熔覆熔覆过程飞溅明显减小,粉末利用率大大提高。        (2)光路受熔池热辐射影响小,受粉尘飞溅影响小,稳定性高,可长时间出光。       相比较,同轴送粉激光熔覆技术和旁轴送粉激光熔覆技术的激光束直接照射熔池,熔池表面非常光滑,具有很高的激光反射率,因此这两种激光熔覆技术的光路系统受激光熔池热辐射影响大,长时间出光稳定性差。而中心送粉设计一般激光束沿周边有一定倾斜角度的输出至熔池中,出光口分散多个光口较小,且和熔池有一定的角度,避免受激光作用区的直接热辐射,光学系统更安全。同样的中心送粉金属粉飞溅较小,再者光路有一定的倾斜角度,受飞溅影响非常小。       (3)熔覆效率高(0.7-1.2m2/h)       中心送粉技术粉末利用率高,激光能量利用充足,可实现非常高的熔覆效率(单边0.5-0.7mm厚度时,熔覆效率可达0.7-1.2m2/h)。熔覆层稀释率低。超高速激光熔覆技术由于较高的熔覆线速度,熔池的存在时间非常短,因此其熔覆层的稀释率很低。超高速激光熔覆技术还具有熔覆层粗糙度好、抗裂性好以及工件变形小等特点。超高速激光熔覆技术制备的熔覆层较薄,非常适合新品零件表面的预保护涂层制备。       (4)中心送粉除了上面3点独特优势,还兼具同轴送粉技术的所有优点,熔覆层表面平整光滑,冶金结合致密,抗裂性好,同时易实现自动集成。       (5)中心送粉相较同轴和旁轴价位较高,目前市场上主要是大型国企以及一些实力较强的企业已经认可并且引入该项技术,而对于大多数个体私企,迫于设备购置资金压力较大,暂时还在使用传统的旁轴和同轴送粉。
       总结上述分析,依照送粉技术的发展和更迭顺序,激光熔覆送粉技术可分为旁轴送粉、同轴送粉以及中心送粉,旁轴送粉和同轴送粉发展时间较久且基于其各自的技术特点和限制,一直没有得到更广范围的推广应用。中心送粉技术可弥补二者的技术缺陷,具有多项技术优势,并且随着高速激光熔覆与中心送粉技术的完美结合,高效率高质量的激光熔覆效果必将征服更多的领域市场。我们相信随着更多企业的应用推广,不久以后,高速激光熔覆+中心送粉技术将成为激光熔覆主流应用同时该项技术也会在金属表面领域占据更大的市场份额。

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