環(huán)形激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

陳珂瑋，陳永雄，孔令超，曹嘉兆，劉增華，梁秀兵

研究綜述

環(huán)形激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

陳珂瑋1,2，陳永雄2，孔令超2，曹嘉兆2，劉增華1，梁秀兵2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071）

環(huán)形激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)利用中空環(huán)形的聚焦高能激光束和光內(nèi)輸送的熔覆材料同軸耦合作用于基體表面的典型材料沉積加工技術(shù)。與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比，它在激光能量利用率、熔覆材料沉積率、光料耦合精度、熔覆過程穩(wěn)定性和熔覆層結(jié)合質(zhì)量等方面均有大幅度提升，因此備受關(guān)注。介紹了基于傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)發(fā)展而來的各類典型加工頭的工作特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上概述了環(huán)形激光熔覆技術(shù)的原理和技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步分析了環(huán)形激光熔覆加工頭內(nèi)部的光路結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)形激光熔覆技術(shù)的影響。重點(diǎn)綜述了典型的環(huán)形激光熔覆加工頭內(nèi)部的光路結(jié)構(gòu)與聚焦光斑形態(tài)之間的關(guān)系，基于不同的光路設(shè)計(jì)原理，對(duì)目前具有代表性的加工頭進(jìn)行了分析和歸納，對(duì)各類加工頭的工作特點(diǎn)進(jìn)行了論述和總結(jié)。除此之外，還分析了焦斑形態(tài)變化和能量分布對(duì)光料耦合過程的影響，總結(jié)了基于環(huán)形焦斑輻照下的熔覆材料在不同狀態(tài)（固相和液相）的典型沉積應(yīng)用。最后對(duì)環(huán)形激光熔覆技術(shù)未來在激光金屬沉積領(lǐng)域的潛在應(yīng)用及發(fā)展趨勢做出展望。

環(huán)形激光；激光熔覆；熔覆工藝；激光加工頭；增材制造

激光熔覆技術(shù)指利用高能聚焦激光源的輻照將具備不同功能的熔覆材料與基體表面快速熔化并凝固，形成牢固的冶金結(jié)合熔覆層，從而提升基體材料的表面耐磨損、耐高溫、耐氧化和耐腐蝕等性能的一種表面工程與增材制造技術(shù)[1]。這項(xiàng)技術(shù)興起于20世紀(jì)70年代，由Gnanamuthu[2]公開了第1個(gè)激光熔覆技術(shù)的專利（US3952180A），并率先使用此項(xiàng)技術(shù)解決了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)易磨損的問題。近年來，隨著激光器的發(fā)展和激光熔覆系統(tǒng)中送料裝置的不斷改進(jìn)，激光熔覆技術(shù)逐漸大規(guī)模應(yīng)用于廢舊裝備再制造行業(yè)。利用激光熔覆技術(shù)對(duì)廢舊裝備的零部件表面進(jìn)行熔覆改性，使裝備的性能和質(zhì)量達(dá)到或超過其原有水平，再次煥發(fā)了廢舊裝備的生命力[3]。激光熔覆技術(shù)在廢舊裝備再制造行業(yè)的應(yīng)用中可以有效地降低制造成本，節(jié)約各類金屬和非金屬材料資源，從而更好地實(shí)現(xiàn)廢舊資源再利用的目的，這對(duì)稀缺資源的循環(huán)利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4-5]。除此之外，激光熔覆技術(shù)與快速成形技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在沒有模具的情況下，生產(chǎn)出傳統(tǒng)方法難以制造甚至不能制造的復(fù)雜形狀的高性能金屬零件[6-7]。作為一種兼顧精確成形和高性能成形一體化的金屬增材制造技術(shù)，激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍工產(chǎn)品修復(fù)[8]、航空航天工程[9]、汽車制造[10]、礦山機(jī)械[11]等領(lǐng)域。對(duì)于激光熔覆技術(shù)而言，除了常規(guī)的工藝參數(shù)（如激光功率、熔覆速度和送料速度等）對(duì)熔覆過程有影響外，光料耦合方式對(duì)激光熔覆過程的穩(wěn)定性和沉積層的性能也有著十分重要的影響[12]。光料耦合方式又取決于激光熔覆加工頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同光料耦合方式可以將激光熔覆技術(shù)分為側(cè)向（非同軸）送絲/粉激光熔覆、光外側(cè)向同軸送粉（多噴嘴送粉或環(huán)狀送粉）激光熔覆、光內(nèi)同軸送絲/粉環(huán)形激光熔覆等。

文中總結(jié)了基于不同光料耦合方式下各類型加工頭的工作特點(diǎn)，并對(duì)目前已公開文獻(xiàn)中關(guān)于光內(nèi)同軸送粉/絲環(huán)形激光熔覆加工頭的重要研究成果進(jìn)行了整理，分析了光內(nèi)同軸送粉/絲加工頭的光路結(jié)構(gòu)與聚焦光斑形態(tài)之間的關(guān)系，聚焦光斑形態(tài)和能量分布對(duì)光料耦合過程的影響，以及熔覆材料經(jīng)光束輻照后在不同狀態(tài)下（固相和液相）的沉積應(yīng)用，并對(duì)未來環(huán)形激光熔覆技術(shù)在材料激光沉積領(lǐng)域的潛在應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 不同類型加工頭的工作特點(diǎn)

側(cè)向（非同軸）送絲/粉加工頭的絲材或粉末通常通過送料裝置從加工頭軸向匯聚激光束的外圍側(cè)向送入，在高功率激光束的輻照下與基體材料共同作用進(jìn)行熔覆[13]。這種加工頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，可進(jìn)行簡單快速的單向熔覆工作。由于受到加工頭結(jié)構(gòu)的限制，激光束和金屬絲/粉并不具備空間對(duì)稱性，因此加工頭在移動(dòng)時(shí)會(huì)受到掃描方向的限制。孫進(jìn)[14]和李凱斌[15]基于側(cè)向送絲技術(shù)進(jìn)行了熔覆工藝實(shí)驗(yàn)探究，研究結(jié)果表明，加工頭與送絲方向同向掃描形成的熔覆層表面相對(duì)光滑，與送絲方向反向掃描形成的熔覆層形貌卻表現(xiàn)為瘤塊狀熔道。這是因?yàn)樵趻呙柽^程中激光只能輻照到絲材的一側(cè)，未被輻照到的部分只能通過絲材內(nèi)部熱傳導(dǎo)來獲取能量，這種不平衡的傳熱方式使絲材在熔覆過程中會(huì)發(fā)生彎曲和跳動(dòng)（跳出熔池），進(jìn)而導(dǎo)致熔覆層形貌的不連續(xù)。除此之外，在使用側(cè)向（非同軸）送絲/粉加工頭進(jìn)行一維空間熔覆時(shí)，還需要及時(shí)調(diào)整激光頭的軸向位置、絲/粉材與基體的工作位置、機(jī)器的掃描方向以獲得較好的熔覆結(jié)果。由于受到掃描方向的限制，通過側(cè)向（非同軸）送絲/粉加工頭對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行二維和三維熔覆時(shí)，熔覆層的質(zhì)量和形貌都會(huì)呈現(xiàn)出各向異性[16]。

為了解決加工頭受掃描方向限制的問題，光外側(cè)向同軸送粉加工頭應(yīng)運(yùn)而生。這種加工頭不再單向輸送材料，而是采用多個(gè)旁路送粉噴嘴[17]或者單個(gè)環(huán)狀送粉噴嘴[18]，配合一束軸向聚焦的高斯光或平頂光進(jìn)行工作?；谒头蹏娮旖Y(jié)構(gòu)的改良，光外側(cè)向同軸送粉的加工頭可以從各個(gè)方向均勻地向沉積斑點(diǎn)區(qū)輸送粉材，粉束在光束的軸線方向呈對(duì)稱性。由于其中多路送粉噴嘴的每個(gè)沉積斑點(diǎn)并不能完全重合（即粉末匯聚處的焦深很短），因此存在粉末利用率較低（理想時(shí)多保持在50%～60%）、粉束發(fā)散角大、粉斑尺寸較大等問題[19-20]。除此之外，在實(shí)際操作中為了獲得面積較小的粉末沉積斑點(diǎn)，需不斷調(diào)整各路噴嘴的位置，以獲得更高的沉積精度。環(huán)狀送粉噴嘴利用圓環(huán)腔以錐狀姿態(tài)噴出粉束，此設(shè)計(jì)優(yōu)化了粉束的匯聚性，提高了粉斑的沉積精度，但粉末發(fā)散角大的問題卻難以根本解決[21]。綜合而言，使用上述2種噴嘴進(jìn)行激光熔覆時(shí)，激光束會(huì)保持軸線傳輸，粉末匯聚在該軸線的某一交點(diǎn)附近。由于在整個(gè)耦合過程中粉末匯聚焦深短、飛行速度快、受熱時(shí)間短，導(dǎo)致落在激光束中心位置的粉末受熱充分，但光束邊緣位置的粉末熔化不足。同時(shí)，當(dāng)熔池中心與邊緣位置的溫差較大時(shí)，不同區(qū)域的粉末熔化程度會(huì)有所不同，這會(huì)導(dǎo)致沉積層質(zhì)量的降低[22]。未充分進(jìn)行光粉耦合的粉末顆粒落在熔池邊緣后會(huì)黏接在熔道的表面，進(jìn)而提高工件的表面粗糙度。目前，雖然光外側(cè)向同軸送粉技術(shù)在大型結(jié)構(gòu)件的增材成形應(yīng)用方面是一個(gè)成熟且主流的技術(shù)，但它的光粉耦合特點(diǎn)限制了其向更小尺寸、更高精度的熔覆增材制造方向的發(fā)展。

熔覆材料在光料耦合過程中應(yīng)當(dāng)充分且均勻地吸收能量，這可以提高熔覆材料的利用率和熔覆層的尺寸精度。以粉末材料為例，為實(shí)現(xiàn)上述目的需重新調(diào)整光粉耦合過程中光束和粉末的空間分布形式[23]。當(dāng)粉末束流以軸狀射流傳輸時(shí)，其發(fā)散角和粉斑尺寸相對(duì)最小。如果在粉末束流外圍布置均勻的激光束進(jìn)行輻照，即“光內(nèi)同軸送粉”，那么基于極低發(fā)散角特性的軸狀粉末束流將會(huì)較容易實(shí)現(xiàn)在到達(dá)熔池前就被激光充分輻照，從而獲得了充足的熱量。為此，一些研究人員基于上述思路設(shè)計(jì)了光內(nèi)同軸送粉/絲環(huán)形激光熔覆加工頭[24]，不同于側(cè)向同軸送粉加工頭，這種加工頭通常將送粉/絲裝置放置在加工頭的軸線方向，在送粉/絲裝置周圍均勻設(shè)置多束激光，或者通過光學(xué)鏡片組合變換出環(huán)形光束環(huán)繞在熔覆材料的外圍。與前者相比，后者可以通過改變激光的聚焦特性，使得熔覆材料在實(shí)際使用中可以按需獲得最佳的沉積效果。

2 光內(nèi)同軸送粉/絲環(huán)形激光加工頭光路結(jié)構(gòu)

熔覆加工頭通常由激光光路變換系統(tǒng)、送料裝置、水冷裝置、熔池監(jiān)測裝置等組成[25]。其中，激光光路變換系統(tǒng)決定了光束的傳輸方式、聚焦光斑的形態(tài)和能量分布狀態(tài)。聚焦光斑的形態(tài)和能量分布狀態(tài)又會(huì)影響光料耦合過程及熔覆層的質(zhì)量。如何建立合理的光路通道，并輸出能量分布均勻、形態(tài)完整的環(huán)形光束是熔覆加工頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問題。這里對(duì)目前主流光內(nèi)同軸送料環(huán)形激光熔覆加工頭的供能模式和光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類和歸納。按照供能光纖的數(shù)量分為多光纖加工頭和單光纖加工頭，其中單光纖加工頭的光路結(jié)構(gòu)又可將光斑成形方式分為成環(huán)—分束—合束式和成環(huán)再聚焦式。下面詳細(xì)介紹各類型加工頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.1 多光纖匯聚式加工頭

Sato等[26]設(shè)計(jì)了一種多光纖型激光熔覆加工頭，原理如圖1所示。將送粉管置于加工頭的軸線位置，6個(gè)輸出功率為60 W的二極管激光器通過各自的工作光纖被均勻分布在送粉管的外側(cè)。每束光分別用1枚透鏡進(jìn)行光束準(zhǔn)直，經(jīng)準(zhǔn)直后的各光束被同一枚光軸與送粉管重合的聚焦透鏡會(huì)聚在基體工作面的粉斑區(qū)域，以達(dá)到光內(nèi)同軸送粉的目的。多光纖匯聚式加工頭內(nèi)部光路僅由6枚位于同一平面內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡和1枚位于底部的聚焦透鏡構(gòu)成，各準(zhǔn)直光束經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚在焦點(diǎn)處，形成一個(gè)輸出功率為360 W、能量呈現(xiàn)高斯型分布的圓形實(shí)心光斑，光斑最小直徑為0.4 mm[27]。Lange等[22]在探究激光強(qiáng)度分布對(duì)熔池和熔覆層形狀的影響時(shí)指出，透鏡在高功率激光密度下會(huì)產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致聚焦光斑的軸向焦點(diǎn)發(fā)生位移，球面像差變大，從而隨機(jī)改變焦斑的形狀和能量分布狀況。多光纖匯聚式加工頭的光路結(jié)構(gòu)巧妙地避免了這一問題的產(chǎn)生，它允許各枚準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡承受的實(shí)際功率密度遠(yuǎn)低于透鏡的最高閾值，再配合水冷系統(tǒng)可將透鏡的熱膨脹影響降到最低。除此之外，激光光束還能通過光路透射在工作面上，交疊形成一個(gè)能量密度較高的小焦斑。簡單的光路結(jié)構(gòu)也降低了加工頭在實(shí)際使用中的可調(diào)節(jié)性和靈活性，只有在制造加工頭時(shí)盡可能地減小機(jī)械零件與各透鏡的公差，才能保證最終輸出光斑的質(zhì)量。

圖1 多光纖型激光熔覆加工頭[26]

雖然多光纖匯聚式加工頭實(shí)現(xiàn)了光內(nèi)同軸送粉的功能，但是所產(chǎn)生的光斑仍是多個(gè)能量分布為高斯型的實(shí)心圓形光斑的匯合。為了將光斑轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰糠植季鶆虻目招沫h(huán)形光斑，沈茂田等[28]基于上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念提出了一種完全環(huán)狀激光熔覆加工頭的設(shè)計(jì)方案，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，高功率激光器產(chǎn)生的一束激光被光纖耦合器分成8束，并由各光纖送入加工頭外部，在加工頭的內(nèi)部空間放置金屬送粉管、保護(hù)氣管和冷卻液輸送管等。激光熔覆頭外部的8束激光經(jīng)環(huán)狀連續(xù)平凹透鏡組（見圖2b）變成環(huán)狀激光束，再經(jīng)過法拉第旋光器（見圖2c）由環(huán)狀的平行激光束向加工頭軸線方向聚焦，最終在基體表面形成環(huán)形焦斑。目前還未見公開的加工頭及其應(yīng)用效果的相關(guān)報(bào)道，或許連續(xù)的平凹透鏡組和法拉第旋光器的外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、加工難度大、多鏡面的一致性和精度難以保證等問題限制了該技術(shù)的推廣。

圖2 完全環(huán)狀激光熔覆加工頭[28]

綜合來看，多光纖匯聚式加工頭采用多光纖輸入、多光斑交疊等方式達(dá)到了光內(nèi)同軸送粉的目的，并改善了透鏡在工作中產(chǎn)生的熱膨脹問題。除此之外，多光纖匯聚式加工頭還具備結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低等優(yōu)勢。如果進(jìn)一步將多束準(zhǔn)直光變化為環(huán)形光，則需添加特殊的轉(zhuǎn)換裝置（如環(huán)形連續(xù)平凹透鏡和法拉第旋光器）。不僅轉(zhuǎn)換裝置的制作成本較高，且加裝過程也較為煩瑣。

2.2 單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭

為了將激光加工頭的聚焦光斑由實(shí)心圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榭招沫h(huán)形，并達(dá)到同軸送粉的目標(biāo)。Pütsch等[29]設(shè)計(jì)了一款用于激光釬焊的單光束成環(huán)后分束再合束、聚焦的加工頭光路系統(tǒng)，其光路原理如圖3所示。準(zhǔn)直激光束通過軸錐鏡組轉(zhuǎn)換為環(huán)形光束，后經(jīng)折射棱鏡分為2束半環(huán)形光束，2束半環(huán)形光束的間隙用于放置送絲裝置。對(duì)向設(shè)置的第二折射棱鏡將2束半環(huán)形光束合并為一個(gè)完整的環(huán)形光，最后經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚在工作面上。經(jīng)測試，聚焦光斑在工作面附近的直徑為3 mm左右。這款加工頭光路中的2對(duì)折射棱鏡負(fù)責(zé)環(huán)形光的分束和合束過程，對(duì)光束的整形起著關(guān)鍵作用。這就要求2對(duì)折射棱鏡的實(shí)際制作精度要盡可能高，以保證環(huán)形光在分束前后形態(tài)不會(huì)發(fā)生太大的改變。此外，環(huán)形光束的外徑和送絲裝置的尺寸決定了2對(duì)折射棱鏡的厚度等外形尺寸。通常折射棱鏡會(huì)較厚，需要關(guān)注由此產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。

圖3 環(huán)形激光釬焊加工頭光路原理[29]

PRECITEC公司出品了一款用于激光熔覆的商用同軸送絲加工頭，其原理與圖3相似。內(nèi)部的光路變換系統(tǒng)均由透鏡配合搭建。為了保證加工頭最終的光斑質(zhì)量，所使用的透鏡加工精度和造價(jià)成本極高。同時(shí)，加工頭外部裝有多個(gè)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于精確調(diào)節(jié)準(zhǔn)直光與錐透鏡、聚焦光與送絲管的位置關(guān)系，以保證最終聚焦光斑與絲材同軸匯合時(shí)呈現(xiàn)出相對(duì)最佳的形態(tài)。

以金屬反射鏡替代石英透鏡，從而實(shí)現(xiàn)光束成環(huán)和分束—合束功能，是另一種代表性的單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭設(shè)計(jì)方案，其亮點(diǎn)就是可使加工頭的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。Kelbassa等[30]設(shè)計(jì)了一款用于激光熔覆的加工頭，其光路原理如圖4所示。準(zhǔn)直光束經(jīng)過結(jié)構(gòu)小巧的W型軸錐反射鏡轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形光束，同時(shí)其傳播方向發(fā)生了逆向改變。經(jīng)光學(xué)平面反射鏡后再次發(fā)生90°折向傳輸，并被分光反射棱鏡組整形成為2個(gè)含有較寬間隙的半環(huán)形光，其間隙用于放置送絲管等裝置。半環(huán)形光束通過第2個(gè)光學(xué)平面反射鏡轉(zhuǎn)向，并與送絲管同軸，軸向設(shè)置分光反射棱鏡組對(duì)2束半環(huán)形光束進(jìn)行合束，最后經(jīng)過平凸透鏡聚焦在工作面上。工作面附近的環(huán)形光斑的束腰外徑約為2.1 mm，環(huán)的寬度約為0.33 mm。這款加工頭的光路結(jié)構(gòu)多為金屬反射鏡，金屬反射鏡在反射光束時(shí)會(huì)吸收部分能量，這在一定程度上降低了激光功率的實(shí)際輸出值。這種復(fù)雜且精密的結(jié)構(gòu)可以很好地協(xié)調(diào)送料裝置與光路通道之間的位置關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)較緊湊，可以輸出形態(tài)完整和能量分布較均勻的環(huán)形聚焦光斑。

與多光纖匯聚式加工頭相比，單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭在實(shí)現(xiàn)同軸送料的同時(shí)，還將多枚石英透鏡或金屬反射鏡組合在基體表面，形成了完整的環(huán)形焦斑，真正達(dá)到了環(huán)形光內(nèi)送料的目的?；谶@樣的設(shè)計(jì)，加工頭內(nèi)部的光路結(jié)構(gòu)變得更加精密，各類尺寸精度高、形狀復(fù)雜的透鏡制作難度和成本有所提高。除此之外，單束高功率激光持續(xù)輸入給透鏡帶來的熱膨脹問題也不容忽視。與此相比，通過靈活的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用金屬反射鏡組替代石英透鏡在一定程度上可以降低加工頭內(nèi)部的熱膨脹影響。

2.3 單光束成環(huán)再聚焦式加工頭

如何在解決透鏡熱膨脹問題的同時(shí)降低加工成本，并實(shí)現(xiàn)環(huán)形光內(nèi)送料的工作方式，成為加工頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)研究方向。Govekar等[31]設(shè)計(jì)了一款單光束成環(huán)再聚焦的加工頭光路系統(tǒng)，如圖5所示。該加工頭主要由整形單元、反射引導(dǎo)鏡、聚焦單元、軸向送粉管和同軸屏蔽氣體噴嘴組成。經(jīng)準(zhǔn)直后的光束通過整形單元時(shí)，被整形單元內(nèi)部的2枚錐形透鏡轉(zhuǎn)換為環(huán)形光束。再通過反射鏡引導(dǎo)，環(huán)形光束被同軸地傳輸在送粉管的軸線上，然后進(jìn)入聚焦透鏡組被聚焦到工件表面。整形單元與聚焦單元的結(jié)構(gòu)如圖5（右側(cè)）所示，詳細(xì)展示了整形單元和聚焦單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過上下調(diào)節(jié)整形單元內(nèi)部位于錐形透鏡1和2軸線之間的雙凸透鏡L1，可在工作面獲得從空心環(huán)形到實(shí)心圓形不間斷變化的聚焦光斑，光斑在焦點(diǎn)處的最小直徑約為1.8 mm。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了加工頭的靈活性和加工過程中的可調(diào)節(jié)性。由于加工頭內(nèi)部光路的多枚透鏡必然會(huì)加重加工頭產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)有必要建立高效的冷卻系統(tǒng)使透鏡降溫。

朱剛賢團(tuán)隊(duì)[32]設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)更為簡單的成環(huán)再聚焦熔覆加工頭，原理如圖6a所示。利用圓錐鏡和反射聚焦組件將準(zhǔn)直光束變換為環(huán)形匯聚光。其中，反射聚焦組件由反射聚焦面和反射面等2個(gè)部分組成，一部分光束被反射聚焦面聚焦在工作面上，成為環(huán)錐形光斑，以熔化光斑內(nèi)的熔覆材料，光斑外徑約為3.8 mm，內(nèi)徑約為2.6 mm；另一部分光束被反射面反射形成環(huán)形光束，以對(duì)基體上方的熔覆材料進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)在加工頭掃描過程中對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱和緩冷。基于簡單的光路結(jié)構(gòu)，加工頭在制作方面的難度有所減小，如圖6b所示，整個(gè)加工頭結(jié)構(gòu)緊湊。整體而言，準(zhǔn)直的光束在傳輸過程中僅需2次反射過程即可聚焦在工作面上，激光在傳輸過程中損耗的能量較少，但這樣的光路結(jié)構(gòu)沒有留出空隙放置送粉管、水冷管等其他裝置。為了達(dá)到同軸送粉的目的，需要遮擋部分激光束來放入各個(gè)裝置，如圖6c所示，最終形成的環(huán)形光斑會(huì)存在多個(gè)缺口。

基于上述設(shè)計(jì)思路，為了進(jìn)一步改善送料裝置與光路通道之間的位置關(guān)系，吉紹山等[33]設(shè)計(jì)了三光束同軸送絲激光熔覆加工頭，光路結(jié)構(gòu)見圖7a。三棱鏡將準(zhǔn)直激光束分成周向均勻的3束光，對(duì)應(yīng)的反射聚焦組件將3束光反射，并聚焦到基材上，形成一個(gè)外徑為1.6～4.5 mm的類環(huán)形光斑。加工頭的支撐架下方形成了一個(gè)中空區(qū)域。將分光鏡固定在支撐架中心，其鏡面朝向入射激光束和聚焦鏡，聚焦鏡呈軸向均勻分布，并被固定在支撐架上，其中心軸與三棱鏡幾何中心同軸布置。在三光束中空區(qū)域，導(dǎo)絲管的直線通道與三光束同軸布置，絲材從導(dǎo)絲管進(jìn)入熔池。與單光束成環(huán)再聚焦熔覆加工頭相比，這樣的光路結(jié)構(gòu)避免了支撐裝置對(duì)光路系統(tǒng)的干擾，同時(shí)給送絲裝置留下了內(nèi)部空間，但在很大程度上犧牲了環(huán)形光斑的會(huì)聚質(zhì)量，如圖7b所示，最終對(duì)基體的燒蝕效果與多光纖匯聚式加工頭的效果有些類似。

圖4 環(huán)形激光熔覆加工頭光路原理[30]

圖5 單光束成環(huán)再聚焦式加工頭光路原理[31]

圖6 成環(huán)再聚焦式加工頭光路原理[32]

圖7 三光束同軸送絲激光熔覆加工頭[33]

多光纖匯聚式加工頭、單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭和單光束成環(huán)再聚焦式加工頭各自有其工作特點(diǎn)。多光纖匯聚式加工頭成形的光斑為實(shí)心圓形，光斑尺寸目前是最小的，這有利于提高激光金屬的沉積精度，同時(shí)加工頭內(nèi)部產(chǎn)生的熱影響、激光功率損耗等都較低。單光束成環(huán)再聚焦式加工頭與多光纖匯聚式加工頭類似，其整體結(jié)構(gòu)簡單、制作成本較低、制作難度較低，所形成的光斑為不完整的環(huán)形。單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭的熱影響、激光功率損耗和加工成本等都有所增加，其精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)形光內(nèi)同軸送料的功能，同時(shí)整個(gè)加工頭的可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，發(fā)展空間更大。

3 不同聚焦環(huán)形光斑對(duì)光料耦合過程的影響

3.1 光斑形態(tài)與能量分布的關(guān)系

Duocastella等[34]和Salter等[35]對(duì)熔覆過程中實(shí)心光斑、平頂光斑和環(huán)形光斑的能量分布進(jìn)行了研究，實(shí)心光斑的結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱式，光斑能量呈高斯分布，其主要特點(diǎn)是光斑中心能量高、邊緣能量低、能量值由中心到邊緣的變化速度快。這樣的能量分布在進(jìn)行光料耦合過程中，熔覆材料容易因熔池邊緣熱量吸收不充分、熔化不足使得中心熔化過度，造成熔覆層的不平整。這一現(xiàn)象在Lange等[22]探究強(qiáng)度分布對(duì)激光熔覆熔池和熔覆層形狀的影響時(shí)得到證明。為了改善上述現(xiàn)象，高瑀含[36]、Miyasaka[37]等通過光束整形器對(duì)光斑能量進(jìn)行了整形，將高斯光束整形成為能量分布均勻的平頂光束，以消除能量不均引起的不良反應(yīng)。平頂光斑邊緣能量分布呈拋物線狀，其邊緣溫度有所提升，中心處能量分布得更加均勻。能量分布的勻化程度決定了平頂光束更適用于激光退火[38]、脈沖激光沉積[39]、焊接應(yīng)用[40]、光刻加工[41]等。由于平頂光束面臨的挑戰(zhàn)是在傳播過程中不能始終保持其自身形狀，因此它只能在光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)附近呈現(xiàn)均勻的強(qiáng)度分布。在這個(gè)區(qū)域外，光束的輪廓和質(zhì)量會(huì)有所不同，這對(duì)材料加工可能不利。吉紹山等[33]針對(duì)3種光束光斑的幾何特性和能量分布進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明，各聚焦光斑的形態(tài)呈扇形，光斑的周向能量分布均勻，但軸向能量呈“尖頂”狀分布，只能從3個(gè)方向包裹絲材料的外表面。Duocastella等[34]在用相同直徑的不同光束進(jìn)行基體溫度測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，高斯光和平頂光產(chǎn)生的受熱區(qū)主要集中在基體中心；環(huán)形光束產(chǎn)生的受熱范圍更大，但基體中心的最大溫升程度較小，這對(duì)于基體被熔區(qū)域的整體溫度平衡是有利的。環(huán)形光束的能量分布呈雙峰狀，光束中心沒有能量傳輸。Sheikh等[42]和Hnatovsky等[43]在使用環(huán)形光束進(jìn)行材料加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)其軸上的能量強(qiáng)度對(duì)材料的熱效應(yīng)和力學(xué)性能有積極影響。Safdar等[44]通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用環(huán)形激光進(jìn)行材料加工時(shí)，基體被輻照區(qū)因熱效應(yīng)引起的應(yīng)力最小。

3.2 環(huán)形光束聚焦特性對(duì)熔覆層形貌的影響

Kelbassa等[30]通過改變單光束成環(huán)—分束—合束式加工頭聚焦透鏡的焦距發(fā)現(xiàn)，聚焦透鏡的焦距變大會(huì)增大單道熔覆層的高度，減小熔覆道的寬度。在多層堆積實(shí)驗(yàn)中，聚焦透鏡焦距的增大有利于提高熔覆層表面的平整性。Alexander等[6]在304不銹鋼板材表面進(jìn)行了316L不銹鋼粉末的環(huán)形激光熔覆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增大環(huán)形光的環(huán)寬可以增大熔覆層的寬度和高度，同時(shí)基本不改變基體的稀釋度。Edvard等[12]在探究環(huán)形激光形態(tài)變化對(duì)熔覆層的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在沒有等離子體形成的情況下，從環(huán)形光形態(tài)變換為離焦量為負(fù)值時(shí)的平頂光形態(tài)，整個(gè)熔覆過程最為穩(wěn)定，并且基體的稀釋度和熔覆層內(nèi)的孔隙率最低。Kotar等[45]在304不銹鋼板材表面對(duì)316L不銹鋼金屬絲進(jìn)行環(huán)形激光熔覆工藝實(shí)驗(yàn)探究時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管環(huán)形激光熔覆工藝相對(duì)復(fù)雜，但它比傳統(tǒng)的激光金屬熔覆工藝更有優(yōu)勢，主要原因在于光料耦合過程的高度對(duì)稱性及從金屬絲尾端反射到熔池內(nèi)部的激光束的潛在能源效率有所提高。吳繼琸等[46]利用環(huán)形光內(nèi)送粉技術(shù)進(jìn)行薄壁零件逐層堆積探究實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用環(huán)形激光不同離焦量區(qū)間的拼接方法可以獲得變斑過程中的熔覆層自愈合區(qū)間，而“自愈合”效應(yīng)有助于在薄壁墻頂部形成形貌平整、質(zhì)量良好的熔覆層結(jié)構(gòu)。

4 熔覆材料在不同狀態(tài)下（固相和液相）的典型沉積應(yīng)用

4.1 環(huán)形激光金屬液滴沉積

激光金屬液滴沉積指充分吸收激光能量輻照后的金屬絲材，其尾端熔化形成金屬液滴，液滴滴落在基體表面，與基體形成穩(wěn)固的結(jié)合層。激光金屬液滴沉積主要用于電子觸點(diǎn)的耐高溫?zé)o鉛連接、異種材料的連接及溫度敏感材料的連接。

與常規(guī)的電弧液滴沉積技術(shù)相比，環(huán)形激光液滴沉積技術(shù)具有熱影響區(qū)域更小、金屬液滴的形態(tài)和沉積時(shí)間的可控性更強(qiáng)、可以熔化熔點(diǎn)更高的材料等優(yōu)點(diǎn)。通過環(huán)形激光進(jìn)行金屬液滴沉積，激光束的環(huán)形形狀確保了金屬絲尾端在其整個(gè)圓周上的均勻加熱。Kuznetsov等[47]基于環(huán)形激光束的特性和垂懸液滴頸部上方被熔金屬絲尾部的瑞利?泰勒不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制液滴脫離。這在很大程度上減小了液滴飛濺的程度，同時(shí)金屬液滴直徑的變化程度和被分離液滴的橫向散射程度均有所減小。除此之外，同軸送絲方式的環(huán)形激光金屬液滴沉積還可以在液滴沉積過程中進(jìn)行預(yù)加熱和后緩冷。如圖8所示，Govekar等[48]利用環(huán)形激光液滴加工頭配合激光脈沖來熔化金屬絲尾端，并將其送入環(huán)形激光束的焦點(diǎn)，形成的垂滴通過分離脈沖分離，在基體表面形成了沉積層。通過確定工藝參數(shù)（包括激光脈沖參數(shù)和影響液滴生成過程中特定的附加參數(shù)）完成了在鈦基體表面的鎳液滴沉積，證明了環(huán)形激光技術(shù)在金屬液滴沉積中的能力。

圖8 二維金屬液滴沉積[48]

4.2 環(huán)形激光光內(nèi)同軸送粉沉積

激光粉末沉積的特點(diǎn)在于粉末材料成分的多樣性，其成分包括金屬、合金、陶瓷和復(fù)合材料等。激光粉末沉積中最關(guān)鍵的問題是加工頭提供多少能量才能保證基體表面的光粉耦合作用是一個(gè)穩(wěn)定過程。同時(shí)，如何提高粉末利用率也是激光粉末沉積過程中的一個(gè)焦點(diǎn)問題。石拓等[49]采用光內(nèi)同軸送粉環(huán)形激光熔覆加工頭，配合六軸機(jī)器人在空間可變方向上進(jìn)行沉積，實(shí)現(xiàn)了非水平包層和懸垂結(jié)構(gòu)的沉積。在沉積過程中，加工頭與零件的生長方向相切，成功沉積了一個(gè)具有懸垂結(jié)構(gòu)的“花瓶”形金屬樣品，沉積效果如圖9a所示，其最大懸垂角與垂直方向的角度達(dá)到80°，整個(gè)花瓶結(jié)構(gòu)表明完全消除了包覆層之間的“步長效應(yīng)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，成形件的壁厚均勻、組織精細(xì)、顯微硬度高。石拓等[50]進(jìn)一步采用熔覆頭空間變姿態(tài)的成形方法，通過沿著生長的切線方向連續(xù)變角度送粉堆積的方法成形了懸垂薄壁件，通過建立傾斜基面熔池受力和位移模型，優(yōu)化工藝參數(shù)，抑制了熔池的位移和熔池內(nèi)部的流淌現(xiàn)象。如圖9b所示，傾斜角可從0°逐漸變化至81°，實(shí)現(xiàn)了大傾角懸垂結(jié)構(gòu)的無支撐成形，成形件表面平整光滑，完全消除了“臺(tái)階效應(yīng)”。

圖9 三維同軸送粉激光沉積[49-50]

4.3 環(huán)形激光絲材沉積

由于金屬絲具有利用率高、沉積率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以常被用作熔覆材料進(jìn)行金屬直接沉積。穩(wěn)定的金屬絲沉積工藝對(duì)能量的輸入和分配有著明確的要求。激光的能量輸入與分配多取決于激光功率、金屬絲進(jìn)給速率及工件的掃描速度等常規(guī)因素，而激光能量的分配多取決于光束在金屬絲及基體之間的分布狀態(tài)。與常規(guī)加工頭相比，環(huán)形激光加工頭的優(yōu)勢在于基體表面和金屬絲吸收的能量及工件被照區(qū)域的面積均可以通過調(diào)整環(huán)形光束和基體表面的相對(duì)位置來改變。

5 結(jié)語

綜合來看，加工頭的結(jié)構(gòu)決定了光?料?基體的作用方式、熔覆材料的供應(yīng)方式和激光能量的分布狀態(tài)等。環(huán)形激光熔覆技術(shù)具有掃描方向不受限、熔覆材料種類多、材料利用率高、熔覆過程可干預(yù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上述特點(diǎn)決定了環(huán)形激光熔覆技術(shù)在激光金屬沉積領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，在之后的研究中建議重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面。

1）加工頭光路的傳輸、整形和聚焦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。目前，環(huán)形激光加工頭內(nèi)部光路設(shè)置較為復(fù)雜，光束在傳輸過程中會(huì)因鏡面過多而損失部分能量，或因多枚鏡片的熱膨脹累積效應(yīng)和累積誤差導(dǎo)致聚焦光斑變形、聚焦質(zhì)量變差等問題的出現(xiàn)。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化加工頭光路的傳輸、整形和聚焦結(jié)構(gòu)，以降低激光能量的損耗值，提高光學(xué)鏡片的加工質(zhì)量。同時(shí)，配合高效的水冷系統(tǒng)減小熱膨脹效應(yīng)的影響，進(jìn)而提高聚焦光斑質(zhì)量。

2）微小環(huán)形焦斑技術(shù)的研發(fā)。與常規(guī)的圓形聚焦光斑相比，現(xiàn)有加工頭的環(huán)形聚焦光斑尺寸相對(duì)較大，這限制了環(huán)形激光熔覆技術(shù)向精細(xì)化方向的發(fā)展。應(yīng)進(jìn)一步研究基于微小焦斑的環(huán)形激光技術(shù)，通過減小環(huán)形光斑尺寸來提高小型結(jié)構(gòu)件的成形精度。環(huán)形光斑尺寸的減小意味著聚焦光斑能量密度的提高，這有利于高熔點(diǎn)材料的成形制造。

3）多材料的綜合利用。目前，用于環(huán)形激光熔覆技術(shù)的材料大多為金屬絲材、合金粉末等固相材料，還可進(jìn)一步發(fā)展?jié){料等液相材料，以及絲材與粉材相結(jié)合的混合材料，并用于激光金屬沉積技術(shù)。隨著環(huán)形激光熔覆加工頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和熔覆工藝的發(fā)展，必然會(huì)提高激光沉積的精度，這會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大環(huán)形激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如陶瓷、難熔高熵合金等材料的增材制造等。

4）新型激光工藝的開發(fā)。環(huán)形激光技術(shù)的優(yōu)勢不應(yīng)只限于激光熔覆方向，可以在環(huán)形激光的基礎(chǔ)上配合開發(fā)新型工藝，如環(huán)形激光高質(zhì)量絲材釬焊、超高速環(huán)形激光熔覆、環(huán)形激光噴涂等新型技術(shù)。

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Research Progress and Perspective in the Annular Laser Cladding Technology

1,2,2,2,2,1,2

(1. Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. Defense Innovation Institute, PLA Academy of Military Science, Beijing 100071, China)

Annular laser cladding technology, consisting of a ring-shape focused laser beam and an internal laser coaxial- powder, is an advanced material surface deposition technology. Compared with the conventional laser cladding technology, annular laser cladding technology has attracted tremendous attention due to improvement of the laser energy utilization, increase of deposition rate of the cladding material, accuracy of coupling on laser and cladding material, stability of the cladding process and bonding quality of the cladding layer, respectively. According to the recent research, the working characteristics of various typical processing heads based on the traditional laser cladding technology were introduced in this paper, and the principles and advantages of annular laser cladding technology were summarized herewith. Furthermore, the effects of processing heads on annular laser cladding technology were analyzed. The relationship between the internal optical design of the annular laser cladding head and the morphology of focused spot was reviewed in detail. In addition, on the basis of different optical designs, the internal structures of representative processing heads were analyzed, and therefore their working features were discussed. What’s more, the influences of the change of focused spot shape and the energy distribution on the optical-material coupling process were investigated. Applications of typical deposition about the cladding materials in different states (solid phase or liquid phase) performed by the ring-shaped irradiation were described. At last, a couple of the potential applications and the development trends on the annular laser cladding technology in the field of laser metal deposition were put forward.

annular laser; laser cladding; cladding process; laser processing head; additive manufacturing

TG156.99

A

1001-3660(2022)07-0001-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.001

2021–06–22；

2022–03–01

2021-06-22；

2022-03-01

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC1902400）；國家自然科學(xué)基金（51975582）

National Key R&D Program of China (2018YFC1902400); National Natural Science Foundation of China (51975582)

陳珂瑋（1997—），男，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)形激光熔覆技術(shù)。

CHEN Ke-wei (1997-), Male, Master, Research focus: annular laser cladding technology.

陳永雄（1978—），男，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)闊釃娡颗c激光增材制造技術(shù)。

CHEN Yong-xiong (1974-), Male, Associate researcher, Research focus: thermal spray and laser additive manufacturing technologies.

陳珂瑋, 陳永雄, 孔令超, 等.環(huán)形激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 1-10.

CHEN Ke-wei, CHEN Yong-xiong, KONG Ling-chao, et al. Research Progress and Perspective in the Annular Laser Cladding Technology[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 1-10.

責(zé)任編輯：彭颋