一般的なレーザークラッディング技術の紹介

1974年末、米国のACVO EVERETT RES LABINCのGnanamuthu氏が世界初のレーザークラッディング特許US3952180Aを提案し、レーザークラッディング技術の基礎研究の幕開けとなりました。しかし、レーザー技術の限界により、レーザークラッディング技術の産業化はかなりの期間にわたって比較的ゆっくりと発展してきました。 21 世紀に入り、高出力レーザー技術の成熟に伴い、レーザークラッディング技術の産業化が急速に発展しました。

レーザークラッディング技術は、希釈率が低い、熱入力が少ない、材料の範囲が広いなど多くの利点があり、産業応用の過程でさまざまなタイプに進化し、積層造形、再製造、表面工学のさまざまな分野で広く使用されています。
レーザークラッディング材料の種類と材料とレーザービームの結合形式に応じて、一般的なレーザークラッディング技術は、同軸粉末供給レーザークラッディング技術、側軸粉末供給レーザークラッディング技術（横方向粉末供給レーザークラッディング技術とも呼ばれる）、高速レーザークラッディング技術（超高速レーザークラッディング技術とも呼ばれる）、および高速ワイヤレーザークラッディング技術に分類できます。

同軸粉末供給レーザークラッディング技術<br /> 同軸粉末供給レーザークラッディング技術は、一般的に半導体ファイバー出力レーザーとディスク型ガス含有粉末供給装置を使用します。クラッディングヘッドは、中心光出力の円形スポット方式を採用し、粉末は光線の周囲に環状または複数のビームで供給されます。特別なシールドガスチャネルが設定され、粉末ビーム、光線、シールドガスの流れが1点で交差します。クラッディング中、焦点に溶融池が形成され、クラッディングヘッドとワークピースが相対的に移動すると、ワークピースの表面にコーティングが形成されます。

同軸粉末供給レーザークラッディングの技術的特徴：

自由度が高く、自動化も容易です。肉盛時にどの方向に移動しても均一な形態と同品質の肉盛層が得られるため、肉盛方向に制約がありません。産業用ロボットや多軸動作工作機械と組み合わせることで、任意の経路や形状の部品の表面肉盛が可能です。3Dプリント用プリントヘッドとして使用すれば、レーザー同軸粉末供給3Dプリントが可能です。
溶融池の不活性ガス防御効果は良好です。粉末供給方式は空気粉末供給であり、クラッディングヘッドには特殊な不活性ガス流路が設けられているため、クラッディング工程中の溶融池は良好な局所不活性ガス雰囲気となり、溶融池とクラッディング層の酸化が少なくなり、クラッディング層内の酸化物介在物が少なくなります。
溶融池が小さく、粉末が均一に加熱され、クラッド層の耐亀裂性が良好です。同軸粉末供給レーザークラッディングのスポットサイズは、一般的に∮1〜∮5mmです。同時に、粉末は光線と均一に接触し、クラッディングプロセス中の熱伝達がより均一になるため、クラッディング層の耐亀裂性が良好になります。特に、タングステンカーバイドなどのセラミック粒子を含む複合材料のクラッディングでは、均一なタングステンカーバイド分布を持つクラックのないコーティングを簡単に作成できます。

同軸粉末供給レーザークラッディング技術は、上記のような特徴があるため、スピンドル、ギア、ボックスなどの高精度部品や複雑な形状の部品の表面クラッディング修正や積層再製造によく使用されます。同時に、同軸粉末供給レーザークラッディング技術に基づく金属 3D プリントは、主に大型部品のニアネット成形や傾斜材料の製造に使用されます。

横軸粉末供給レーザークラッディング技術<br /> 近軸粉末供給レーザークラッディング技術は、横方向粉末供給レーザークラッディング技術とも呼ばれます。一般的には、半導体直接出力レーザーまたは半導体ファイバー出力レーザーと重力粉末供給装置を使用します。クラッディングヘッドは、長方形スポット+近軸ブロードバンド粉末供給ソリューションを採用しています。クラッディングヘッドが作動すると、合金粉末が粉末供給ノズルを通じてワークピース表面に運ばれ、プリセットされます。クラッディングヘッドとワークピースが相対的に移動すると、長方形のレーザービームがプリセットされた合金粉末をスキャンして溶かし、溶融池を形成し、冷却後にクラッディング層を形成します。

横軸粉末供給レーザークラッディングの技術的特徴：

高い材料利用率。同軸粉末供給と比較して、側軸粉末供給レーザークラッディング技術の材料利用率は 95% 以上に達します。同軸粉末供給レーザークラッディング技術の粉末は、不活性ガスによってレーザー溶融池に吹き付けられます。このプロセスでは、粉末同士の衝突、溶融池の飛散、粉末供給チャネルの精度などにより、かなりの量の金属粉末がクラッディング層を形成できずに無駄になり、材料利用率はわずか50％～80％程度にとどまります（スポットが小さいほど、材料利用率は低くなります）。側軸粉末供給レーザークラッディングは、ワークピースの表面に粉末を事前に堆積させ、レーザービームをスキャンして照射して溶融させることにより、非常に高い材料利用率を達成し、材料コストを大幅に節約できます。
高いクラッディング効率。側軸粉末供給レーザークラッディング技術は、長方形のスポットソリューションを採用しており、クラッディング方向のスポットのエネルギー密度が変わらないようにしながら、レーザー出力とスポット幅を増加させることができ、クラッディング効率が大幅に向上します。実際の生産では、1 回のパスでのクラッディング幅は 30 mm 以上に達し、クラッディング効率は 1 m2/h または 12 Kg/h に達します。
不活性ガス消費なし。一方、側軸粉末供給レーザークラッディング技術では、一般的に重力粉末供給装置が使用され、不活性ガスの消費が不要です。一方、プリセット粉末供給を使用しているため、空気の流れが粉末のプリセットと蓄積に影響を与えるため、クラッディングヘッドには特別な不活性ガス保護機能がありません。したがって、側軸粉末供給レーザークラッディング技術では、圧縮空気以外のガスを消費する必要がありません。コストの観点から見ると、不活性ガスのコストが大幅に節約されます。技術的な観点から見ると、この技術には粉末材料の耐酸化性に関する特定の要件があり、その適用分野が制限されます。

サイド軸粉末供給レーザークラッディング技術は、その高効率性と低コストにより、油圧シリンダーやローラーなど、大面積で形状が単純な部品の表面クラッディングや積層再製造に一般的に使用されています。

超高速レーザークラッディング技術<br /> 超高速レーザークラッディング技術は、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所が開発した新しいタイプのレーザークラッディング技術であり、2017年に中国で推進され、適用され始めました。超高速レーザークラッディング技術は、ビーム品質の良好な半導体ファイバー出力レーザーまたはファイバーレーザー、精密に設計された高速レーザークラッディングヘッド、および高速回転速度または移動速度を備えた動作機構を使用します。レーザービーム、粉末ビーム、不活性ガスの流れの結合が精密に設計されています。作業中、レーザーエネルギーの一部は粉末ビームの加熱に使用され、粉末ビームを貫通するレーザービームのもう一部は基板を加熱します。粉末は溶融池に入る前に溶融または非常に高温に加熱されているため、粉末の溶融に必要な時間が短縮されます。そのため、非常に高いクラッディングライン速度を実現できます（最大ライン速度は200m /分に達しますが、通常のレーザークラッディングの最大ライン速度は2m /分です）。

超高速レーザークラッディング技術の特徴:

レーザーエネルギー利用効率が高い。超高速レーザークラッディング技術は、レーザービーム、粉末ビーム、不活性ガス流の精密に設計された結合構造を採用しており、レーザービームエネルギーの大部分が粉末とワークピースに作用し、レーザーの反射と散乱による損失を減らし、レーザーエネルギーの利用効率を大幅に向上させます。同軸粉末供給レーザークラッディング技術と側軸粉末供給レーザークラッディング技術のレーザービームは溶融池に直接照射されます。溶融池の表面は非常に滑らかで、レーザー反射率が高いため、これら2つのレーザークラッディング技術のレーザーエネルギー利用率は約35％です。超高速レーザークラッディング技術のレーザービームは粉末ビームを通過して溶融池に照射されます。レーザーエネルギーの大部分は粉末ビームに吸収されるため、レーザーエネルギー利用率は約65％と高くなります。
高いクラッディング効率。超高速レーザークラッディング技術は、レーザーエネルギー利用率が高く、クラッディングライン速度が非常に速く、クラッディング層が薄いため、非常に高いクラッディング効率（クラッディング効率は 0.7m2/以上）を実現できます。
クラッド層の希釈率は低いです。超高速レーザークラッディング技術はクラッディングライン速度が速いため、溶融池の存在時間が非常に短く、クラッディング層の希釈率が非常に低くなります。
超高速レーザークラッディング技術は、コーティング粗さが良好で、耐亀裂性が良好で、ワークピースの変形が小さいという特徴もあります。

超高速レーザークラッディング技術によって製造されるクラッディング層は比較的薄いため、新しい部品の表面の予備保護コーティングの製造に非常に適しています。

高速ワイヤーレーザークラッディング技術<br /> 高速ワイヤレーザークラッディング技術は、環境保護、高効率、高品質をコンセプトに、市場の需要とレーザークラッディング技術の発展動向に基づいて天元智能製造会社が開発した新世代のレーザークラッディング技術です。半導体ファイバー出力レーザー、高精度ワイヤ供給システム、精密クラッディングヘッドを採用し、金属ワイヤをクラッディング材としてレーザークラッディングを行います。動作中、金属線は側面からレーザービームに供給され、レーザービームは金属線を溶かして溶融池を形成します。クラッディングヘッドとワークピースが互いに相対的に移動すると、クラッディング層が形成されます。

高速ワイヤレーザークラッディング技術の特徴:

環境に優しい。従来の粉末レーザークラッディングでは、金属粉末の飛散、粉末供給気流の吹き付け、溶融池の飛散、粉末内のスラグ形成元素やガス形成元素の影響により、大量の粉塵と煙が発生し、設備操作エリアの環境に深刻な影響を及ぼし、リサイクルされた廃粉塵も一定の汚染を引き起こします。高速ワイヤーレーザークラッディング技術は、従来の金属粉末の代わりに金属ワイヤーを使用します。硬いワイヤーは完全に溶融してクラッディング層を形成します。クラッディングプロセス中に飛散や金属粉塵は発生しません。従来の粉末レーザークラッディングよりも環境への配慮性が高くなっています。
高い材料利用率。精密なクラッディングヘッド設計と金属ワイヤ設計により、高速レーザークラッディングプロセス中に金属ワイヤが完全に溶融され、溶融プロセスが非常に穏やかで飛散がなく、高速ワイヤレーザークラッディングの材料利用率が非常に高くなります（材料利用率は99％に達することができます）。
高いクラッディング効率。高速ワイヤレーザークラッディング技術は、特殊な複合エネルギーを使用して、金属を溶融池に入る前に半溶融状態に到達させます。完全に溶融して溶融池を形成するには、非常に小さなエネルギーと非常に短い時間しか必要ありません。そのため、高速ワイヤレーザークラッディングのクラッディング効率は、従来の粉末レーザークラッディングよりも高くなります。
熱入力が少なく、線エネルギーが低く、ワークピースの変形が小さい。高速ワイヤレーザークラッディングプロセスでは、エネルギー入力と高いクラッディングライン速度を正確に制御することで、ラインエネルギーを 0.29KJ/cm まで低減でき、熱入力によるワークピースの変形を大幅に低減します。
上記の特徴に加えて、高速ワイヤレーザークラッディング技術は、高密度クラッディング層、低希釈率、低欠陥率という特徴も備えています。

高速ワイヤレーザークラッディングは、部品の表面保護コーティングの準備、部品のレーザークラッディング再製造、細いシャフトや薄壁などの変形しやすい部品のレーザークラッディングに使用できます。

出典：陝西天源智能再製造有限公司