大光斑半导体激光与TIG电弧复合表面熔覆技术的文献学习体会

研究背景与技术创新点

本文献发表于2016年《应用激光》第36卷第4期，由兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室的顾玉芬、苏艳文、朱明等人完成，受国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、国家火炬计划等多项基金资助。研究针对现有表面熔覆方法存在的单一热源特性调控范围窄、熔覆效率低、稀释率大、裂纹倾向明显、成本高等问题，创新性地提出了一种大光斑半导体激光与TIG电弧复合热源可调控的表面熔覆方法。

表面熔覆技术广泛应用于阀门、泵、管道等关键部件的耐磨耐腐蚀修复和性能提升。Co06粉末（一种Co基自熔合金粉末）是常用的熔覆材料，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和高温性能。然而，传统激光熔覆存在热冲击大、稀释率高、裂纹倾向明显等问题，而传统电弧熔覆虽然效率高，但熔覆层质量难以保证。复合热源方法旨在结合两种热源的优势，实现高效、高质量的表面熔覆。

复合热源成形规律分析

大光斑半导体激光与TIG电弧复合熔覆的核心思想是利用两种热源的不同特性实现互补。半导体激光具有能量密度高、热影响区小、工艺灵活等优点，但单一激光热源在熔覆大面积区域时效率较低。TIG电弧具有热输入大、熔覆效率高、设备成本低的优点，但单独使用时稀释率高、熔覆层成形质量差。

实验结果表明，70A电流配合500W激光功率的复合熔覆效果，与1300至1500W纯激光熔覆效果基本相似，但高宽比减小了35%，稀释率减小了27%。这一数据说明，复合热源方法在显著降低激光功率需求的同时，保持了与纯激光熔覆相当的质量水平。

复合热源的协同效应体现在以下几个方面。首先，TIG电弧提供了额外的热量输入，扩大了熔覆区域的预热范围，降低了激光热冲击强度，从而减少了熔覆层裂纹倾向。其次，TIG电弧的熔池搅拌作用促进了熔覆粉末与基体的均匀混合，改善了熔覆层的冶金结合质量。第三，大光斑激光的宽面积加热效应与电弧的集中加热效应相结合，实现了熔覆区域热场的合理分布，有利于控制熔覆层的稀释率和成形质量。

工艺参数对比与经济性评估

从经济性角度分析，复合热源方法的优势十分明显。纯激光熔覆需要1300至1500W的激光功率，而复合方法仅需500W，激光功率需求降低了约60%至65%。考虑到半导体激光器的成本与功率成正比，这一降低意味着设备投资和生产成本的显著减少。同时，TIG电弧设备成本远低于高功率激光器，进一步降低了整体工艺成本。

在生产效率方面，复合热源方法通过增加热输入总量，可以在不增加激光功率的前提下提高熔覆速度。这对于大面积熔覆作业尤为重要，可以显著缩短生产周期。在稀释率控制方面，复合方法将稀释率降低了27%，意味着熔覆层中Co06合金的比例更高，熔覆层的性能更接近合金粉末的固有性能，这对于要求高性能熔覆层的阀门密封面、泵叶轮等关键部件尤为重要。

从工艺调控灵活性的角度来看，复合热源方法提供了两个独立的调控变量——激光功率和焊接电流，相比单一热源方法具有更宽的工艺窗口和更精细的参数调控能力。通过调整激光功率与焊接电流的配比，可以在熔覆效率、稀释率、成形质量之间找到最佳平衡点。这种灵活性对于不同基体材料、不同熔覆材料和不同工况要求的熔覆作业具有重要的工程价值。

工程应用展望与思考

大光斑半导体激光与TIG电弧复合表面熔覆技术在阀门制造、管道修复、泵叶轮强化等领域具有广阔的应用前景。文献中提到南方阀门制造有限公司作为合作单位，说明该技术已在阀门行业得到初步验证。在管道工程中，该工艺可用于管道内壁的耐磨耐蚀修复、管道弯头和三通等管件内壁的性能提升，以及管道连接法兰密封面的强化处理。

然而，在实际工程应用中，还需要解决以下几个关键问题。第一，复合热源的同步控制。激光和电弧两种热源的精确同步是保证熔覆质量的前提，需要开发可靠的同步控制系统。第二，大光斑激光的束斑均匀性。大光斑半导体激光器的光束质量可能不如小光斑激光器，束斑不均匀会导致熔覆层性能不一致。第三，熔覆层与基体的冶金结合质量。复合热源方法虽然降低了稀释率，但过低的稀释率可能影响熔覆层与基体的结合强度，需要通过金相分析和剥离试验进行验证。

从质量控制的角度来看，复合熔覆工艺的质量评定标准需要综合考虑熔覆层的微观组织、力学性能、结合强度、稀释率和成形质量等多个指标。建议按照ASTM A860或ISO 2063等标准建立熔覆层质量评定体系，同时结合具体应用工况制定相应的验收标准。

总体而言，该文献提出的大光斑半导体激光与TIG电弧复合表面熔覆方法，为高性能表面熔覆提供了一种高效、经济、可控的新途径。复合热源技术的协同效应为熔覆工艺优化开辟了新的思路，在管道和阀门等关键设备的表面强化和修复领域具有重要的应用价值。