高平整激光熔覆涂层使用圆光斑还是矩形光斑

激光熔覆是利用高能激光将金属粉末和金属基体表面同时熔化并冷却凝固，从而在金属基体表面形成一种合金涂层。该涂层与基体表面为冶金结合，具有很好的防腐、耐磨、耐高温特性。

绝大多数工业用户在激光熔覆时，都希望熔覆涂层的表面有较高的平整度。表面越平整，后续磨抛加工量越少，越节省金属粉末，生产成本就越低。实际工作中，激光熔覆涂层是由多道熔覆叠加而成的，激光熔覆涂层平整度主要受单道熔覆的平整度、单道熔覆的厚度以及相邻两道熔覆之间的搭接率三个因素影响。

由于液态金属的表面张力和润湿性的共同作用，当单道熔覆宽度较小时（使用3mm-5mm的圆光斑 ），熔道表面是凸面而不是平面；当单道熔覆宽度较大时（使用10mm-30mm的矩形光斑），由于送粉均匀性和光斑强度均匀性等因素的影响，单道熔覆层也不是一个理想的平面。

激光熔覆时，相邻熔道必须有一定的重叠量,也就是说相邻熔道存在搭接，如图1所示。图中，W为单道熔覆宽度，D为搭接宽度。D与W的比值
R=D/W×100%，
称为搭接率，R表示相邻熔覆道间的搭接程度。图1 中d被称为步进，也就是每熔覆一道前进的距离。如果使用步进d，搭接率可表示为
R=(W-d)/W×100%

从上式可以看出，步距越小，搭接率越大，也就是相邻熔道的重叠量越大。

图1 熔道搭接示意图
若使用矩形光斑，搭接率一般小于50%，搭接率太大会影响熔覆效率。如果搭接率为50%，理论上可以避免涂层的搭接起伏。如果搭接率小于50%，相邻熔道之间搭接肯定会引起涂层厚度的波动。假设激光熔覆单道熔覆层厚度为1mm，那么涂层最薄处厚度为1mm，最厚处理论上大约为2mm(实际会小一些)，因此长矩形光斑理论上无法实现熔覆涂层较高的平整度。

要实现较高的平整度，必须采用3-5mm的圆光斑。使用3-5mm圆光斑制备熔覆涂层，其过程与矩形光斑的工作原理截然不同。矩形光斑是通过单层（最多2层）达到需要的熔覆厚度，而3-5mm圆光斑的熔覆厚度是通过多层叠加实现的。假设熔覆光斑为5mm，步进为1mm（搭接率为80%），假设最终涂层的厚度为1mm，这个1mm的涂层实际上是由5层厚度为0.2毫米熔道叠加而成的。这是小圆光斑激光熔覆与矩形光斑激光熔覆的重大差别。通过3-5mm圆光斑激光熔覆可以实现较高的平整度（10微米以下）。图2为中科中美3-5mm圆光斑高速激光熔覆涂层平整度的检测结果，平整度达到Ra5-6um。

图2 高速激光熔覆层平整度检测
通过以上分析可以得出如下结论：熔覆光斑形状尺寸决定着熔覆涂层的制备过程。3-5mm圆光斑的熔覆过程搭接率较高，通过多层熔覆层叠加达到需要的熔覆厚度，这是实现较高平整度涂层的最佳方式。

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