王小范1 姚建华2
1一拖(宁波)中策拖拉机汽车有限公司 315020
2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心 310014
[摘要] 激光堆焊可以获得高性能（如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、抗气蚀和冲蚀磨损等）的合金堆焊层而在工业应用上展现了广阔的应用前景。激光堆焊在材料的表面处理方面近十来年倍受关注，主要是在于激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动化。激光堆焊技术已经在工业易损件修复、关键部件的强化等方面应用上取得了一定的成果。本文就激光堆焊的基本原理、分类、堆焊材料、工艺特点、工业应用几个方面做了详细介绍，并就该技术应用存在问题、质量控制途径、今后发展趋势做了分析预测，为研究开发以及工业应用推广提供参考。
关键词：激光堆焊 发展趋势 应用 质量控制
1. 引言[1]
堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件。采用堆焊可以延长零部件的使用寿命，降低成本，改进产品设计，尤其对合理使用材料（特别是贵重金属）具有重要意义。因此，堆焊作为一种经济有效的表面改性方法是现代材料加工与制造业不可缺少的工艺手段。为了****限度地发挥堆焊技术的优越性，优质、高效、低稀释率堆焊工艺历来是国内外堆焊技术的重要研究方向。
各国从20世纪50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法，基本上每种熔焊方法都可用于堆焊。而传统的电弧粉末堆焊技术由于受电弧吹力的影响难以同时达到高效和低稀释率的目标。为了提高堆焊效率必然导致热输入的增加，基材的熔深增大，堆焊层性能下降。近年来，基于等离子弧等高能密度热源的粉末堆焊技术研究在国外十分活跃。等离子弧堆焊可以获得较低的稀释率（5－10％），但是其堆焊效率也是各种堆焊方法中较低的。
以激光堆焊为代表的高能束堆焊技术的特点是可以实现热输入的准确控制，涂层厚度大、热畸变小、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层，是一种新的激光表面处理技术，因而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得到了迅速发展。其能源利用率很高，可达30％以上。基材的加热不受金属蒸气的影响，熔敷金属冷却速度快，熔敷层的耐磨性往往成十倍地提高。但激光设备一次性投资昂贵，运行费用高。因此，国内外对低成本、高效率的激光堆焊技术的研究开发十分重视。
2. 激光堆焊基本特点[2~15]
2.1. 基本原理与特点
激光堆焊技术的特点是：可以实现热输入的准确控制，焊接速度高，冷却速度快,热畸变小,厚度、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层，可以节省高性能的材料，同时，可以实现在普通材料上覆盖高性能(耐磨、耐高温、耐蚀等)堆焊层，而且激光加工为无接触加工，无加工惯性，且焊接工艺参数一经确定，焊接质量易于保证，焊接可靠性高，故易于实现自动化，符合现代生产的发展趋势，在经济上和覆层质量上也优于传统的堆焊和热喷涂工艺。因而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得到了迅速发展。
2.2. 激光堆焊材料
堆焊材料的成分对使用性能起着决定的作用，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。
堆焊材料按其成分分为铁基、钴基、镍基、铜基合金和碳化物等几大类型。
堆焊材料按形态来分可以分为丝状、板状、片状、和粉末状等几大类型。
铁基合金是应用最广泛的一种堆焊合金。这不仅是因为其价格低廉，经济性好，而更是因为经过成分、组织调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性。钴基合金本身具有耐蚀性，耐热性以及抗粘着磨粒磨损等性能。但钴基合金价格昂贵。在一般情况下，除非万不得已，就优先选用铁基或镍基合金。由于钴基合金的耐蚀、耐热、耐磨性，在高温腐蚀、高温磨损等条件下可以考虑用钴基合金。如高温高压阀门、热剪机刀刃、燃汽轮机涡轮叶片等场合。镍基合金中最常见的是Ni-Cr-B-Si系和Ni-Cr-Mo-W系，此外还有Ni-Cr-Mo-C、Ni-Mo-Fe和Ni-Cr-W-Si等系。它们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。
2.3. 激光堆焊工艺与焊层质量
2.3.1. 焊层质量指标
研究和应用堆焊技术时需关注以下几个问题，这也是综合评价堆焊技术选择是否得当，堆焊工艺是否正确以及堆焊质量是否符合工况要求的重要指标。
（1）稀释率 是堆焊金属被稀释的程度，常用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来表示。堆焊层及熔合区的成分和性能都受到稀释的重要影响。在堆焊方法和设备已经选定的情况下，应从堆焊材料成分上补偿稀释率的影响，并严格工艺参数来控制稀释率。一般认为其稀释率就小于10%，最好在5%左右，以保证焊层的性能。
（2）熔合区的成份、组织与性能 堆焊金属和基体热影响区之间存在一个熔合区，其化学成分介于基材和堆焊层之间，性能也不同于基材。而且当工作在高温环境下长期工作或堆焊后热处理时，元素的迁移还会使熔合区的成份和性能发生变化。熔合区的成分与性能通常会选择堆焊材料和选择正确的堆焊工艺来控制，必要时可能在工作层堆焊前先在基体上堆焊隔离层。
（3）热循环的影响 堆焊层的化学成分除了受到基体的稀释影响外，由于堆焊往往是多焊道或多层焊，后续焊道使先期的焊道反复多次加热。另外，由于堆焊工艺的需要，有进还需对工件进行预热、层间保温或焊后缓冷等措施，在这种复杂的热循环下，堆焊层和熔合区的成分组织以及内应力变得很不均匀。
（4）热应力 堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小 和载荷应力的类型(剪切、拉伸或压缩应力)。堆焊件的残余应力将加大或减小服役载荷产生的应力，因而加大或减小堆焊层开裂的倾向。减少残余应力，除对堆焊工艺采取必要的预热、缓冷措施外，还可从减少的堆焊金属与基体的线膨胀系数差、增设过渡层及改进堆焊金属的塑性来控制。 |
