في نهاية عام 1974 ، طرح Gnanamuthu من ACVO EVERETT RES LABINC أول براءة اختراع لكسوة الليزر في العالم US3952180A ، والتي فتحت الستار عن العمل البحثي الأساسي حول تكنولوجيا الكسوة بالليزر.
مع العديد من المزايا مثل معدل التخفيف المنخفض ، ومدخلات الحرارة المنخفضة ، ومجموعة واسعة من المواد ، طورت تقنية الكسوة بالليزر العديد من الأنواع المختلفة في عملية التطبيق الصناعي وتستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات تصنيع المواد المضافة ، وإعادة التصنيع ، و هندسة السطح.
وفقًا لنوع المادة المراد صهرها بالليزر وشكل الاقتران بين المادة وشعاع الليزر ، يمكن تقسيم تقنيات ذوبان الليزر الشائعة إلى تقنية ذوبان الليزر لتغذية المسحوق المحوري ، وتقنية انصهار مسحوق التغذية بالليزر (تسمى أيضًا الجانبي) تكنولوجيا ذوبان الليزر للتغذية بالمسحوق) ، تقنية ذوبان الليزر عالية السرعة (تسمى أيضًا تقنية ذوبان الليزر فائقة السرعة).
تكنولوجيا طلاء الليزر لتغذية المسحوق المحوري
تستخدم تقنية الكسوة بالليزر للتغذية المحورية للمسحوق عمومًا ليزر إخراج ألياف أشباه الموصلات ووحدة تغذية مسحوق محمولة جواً من نوع القرص. يتبنى رأس الكسوة مخطط بقعة دائرية مع خرج ضوء مركزي ، وتغذية مسحوق دائرية أو مساحيق متعددة تتغذى حول الحزمة ، وقناة هواء واقية خاصة ، حيث يتقاطع شعاع المسحوق ، وشعاع الضوء ، وتدفق الهواء الواقي عند نقطة ما. يتم تشكيل حوض الذوبان في هذه النقطة المحورية أثناء عملية الكسوة ، وتتكون طبقة الكسوة على سطح قطعة العمل بالحركة النسبية لرأس الكسوة وقطعة العمل.
تكنولوجيا الكسوة بالليزر للتغذية بالمسحوق الجانبي
يُطلق على تقنية ذوبان الليزر لتغذية المسحوق الجانبي أيضًا تقنية انصهار الليزر لتغذية المسحوق الجانبي ، والتي تعتمد عمومًا الليزر الناتج المباشر لأشباه الموصلات أو الليزر الناتج من ألياف أشباه الموصلات ومغذي مسحوق الجاذبية ، ويتبنى رأس الانصهار بقعة مستطيلة + محور جانبي مخطط تغذية مسحوق النطاق العريض. عندما يعمل رأس الكسوة ، يتم نقل مسحوق السبائك إلى سطح قطعة العمل من أجل الضبط المسبق من خلال فوهة تغذية المسحوق. مع الحركة النسبية لرأس الكسوة وقطعة العمل ، يقوم شعاع الليزر المستطيل بمسح مسحوق السبيكة المعد مسبقًا ويذوبه لتشكيل بركة منصهرة ، والتي تشكل طبقة الكسوة بعد التبريد.
تقنية الكسوة بالليزر فائقة السرعة
تقنية الصهر بالليزر فائقة السرعة هي نوع جديد من تقنيات الصهر بالليزر التي طورها معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر في ألمانيا ، والتي بدأ الترويج لها وتطبيقها في الصين في عام 2017. تعتمد تقنية الصهر بالليزر فائقة السرعة على أشباه الموصلات ليزر ناتج من الألياف أو ليزر ليفي بجودة شعاع أفضل ، رأس ذوبان ليزر عالي السرعة مصمم بدقة وآلية حركة ذات سرعة دوران عالية أو سرعة نقل. تم تصميم اقتران شعاع الليزر بحزمة المسحوق وتدفق الغاز الخامل بدقة بحيث يتم استخدام جزء من طاقة الليزر لتسخين شعاع المسحوق بينما يسخن الجزء الآخر من شعاع الليزر الذي يخترق حزمة المسحوق الركيزة ، و مسحوق يتم صهره أو تسخينه إلى درجة حرارة عالية جدًا قبل أن يدخل حوض الذوبان ، وبالتالي تقصير الوقت اللازم لذوبان المسحوق. كسوة ليزر تصل إلى 2 م / دقيقة).
Frequently Asked Questions (FAQ)
1) What are the key differences between coaxial and side-axis powder feeding in Laser Cladding Technologies?
- Coaxial feeds powder concentrically with the laser, offering better track symmetry, multi-directional deposition, and higher powder capture efficiency on complex geometries. Side-axis feeds from one or two lateral nozzles, ideal for wide beads and pre-placed layers, with simpler hardware and lower cost.
2) When should ultra-high-speed laser cladding be selected?
- Choose ultra-high-speed (UHS) when you need thin, uniform layers at high travel speeds (up to ~2–5 m/min), such as wear-resistant coatings on shafts, cylinders, and large surfaces where productivity is critical and dilution must remain low.
3) How does dilution affect coating performance and how is it controlled?
- Dilution (mixing of substrate into clad) reduces coating chemistry and wear/corrosion performance. Control it via lower laser specific energy, optimized standoff, proper powder flow rate, beam shaping (top-hat), and preheating where necessary.
4) What materials are most commonly used in laser cladding?
- Ni-based (Inconel 625/718, NiCrBSi), Co-based (Stellite), Fe-based martensitic alloys, stainless steels (316L), tool steels, Ti alloys, WC/W2C reinforced metal matrix composites, and Cu-based for conductivity. Selection depends on wear, corrosion, or heat requirements.
5) What in-situ monitoring improves quality in 2025 laser cladding lines?
- Melt pool vision/IR pyrometry, coaxial cameras, acoustic emission, and closed-loop power modulation. These systems stabilize bead geometry, reduce porosity/cracking, and improve first-pass yield.
2025 Industry Trends: Laser Cladding Technologies
- Throughput leap: Beam shaping and multi-spot optics raise deposition rates without excess dilution.
- AI-driven control: Real-time melt pool feedback adjusts laser power/powder feed to hold bead width/height within spec.
- Powder efficiency focus: Optimized carriers and nozzle aerodynamics push capture efficiency >80% on coaxial heads.
- Green shielding: Nitrogen for Fe-based alloys where metallurgy allows; argon recirculation cuts gas consumption 20–35%.
- Standardization: More users adopt ISO/ASTM data packages for cladding parameter traceability and performance validation.
Performance and Cost Snapshot (indicative ranges, 2023 vs 2025)
| متري | 2023 Typical | 2025 Typical | Notes/Sources |
|---|---|---|---|
| Deposition rate, coaxial (kg/h) | 2–6 | 3–8 | Optics + powder aerodynamics |
| Travel speed, UHS (m/min) | 1.0-2.0 | 2.0–5.0 | Material/laser dependent |
| Dilution (Ni/Co alloys, %) | 5–12 | 3–8 | Beam shaping + control |
| Powder capture efficiency, coaxial (%) | 60–75 | 75–85 | Nozzle redesign |
| First-pass yield with closed-loop control (%) | 88–93 | 92–97 | Vision + pyrometry |
| Shielding gas consumption reduction (%) | — | 20–35 | Recirculation systems |
Sources: Fraunhofer ILT publications, ISO/ASTM 52900/52907 guidance, OEM application notes (TRUMPF, Laserline), peer-reviewed cladding studies
Latest Research Cases
Case Study 1: AI-Closed-Loop Coaxial Cladding of NiCrBSi on Hydraulic Rods (2025)
Background: A remanufacturing shop faced variable bead height and excessive post-grind on long rods.
Solution: Integrated coaxial camera and IR pyrometer with ML-based controller to modulate laser power and powder feed; optimized nozzle for higher capture efficiency.
Results: Bead height variation reduced from ±0.25 mm to ±0.08 mm; dilution dropped from 9% to 5%; grinding time −28%; powder usage −14%.
Case Study 2: Ultra-High-Speed Laser Cladding of WC‑reinforced Fe Matrix on Conveyor Rolls (2024)
Background: Steel plant required high-wear coatings with minimal downtime.
Solution: UHS head with fiber laser and preheated substrate; bimodal WC feed for dense packing; nitrogen shielding validated by hardness/carbide retention tests.
Results: Line speed 3.2 m/min; microhardness 950–1,050 HV0.3; wear rate −37% vs PTA baseline; turnaround time −22% for roll refurbishment.
Expert Opinions
- Prof. Andreas Weisheit, Head of Materials, Fraunhofer ILT
Key viewpoint: “UHS cladding with engineered powder preheating and beam shaping delivers coating quality at line speeds that were impractical a few years ago.” - Dr. Trevor Kalash, Senior Applications Engineer, TRUMPF Laser
Key viewpoint: “Coaxial heads with closed-loop melt pool control are pushing dilution below 5% on Ni/Co alloys while improving powder efficiency, which directly lowers total cost per square meter.” - Dr. Martina Zimmer, Materials Scientist, RWTH Aachen
Key viewpoint: “For carbide-reinforced layers, controlling thermal cycles is paramount; maintaining carbide integrity requires adapted shielding and rapid solidification to avoid dissolution.”
Practical Tools/Resources
- Fraunhofer ILT: Publications and application notes on laser cladding and UHS
https://www.ilt.fraunhofer.de/ - ISO/ASTM 52900 and 52907: AM terminology and powder characterization
https://www.iso.org/ - ASM Handbook, Volume 6A: Welding, Brazing, and Soldering (cladding sections)
https://www.asminternational.org/ - OEM resources: TRUMPF, Laserline, and Meltio cladding process guides and parameter frameworks
https://www.trumpf.com/ | https://www.laserline.com/ | https://meltio3d.com/ - Process simulation tools: COMSOL Multiphysics (thermal), Ansys Additive (melt pool), and open literature datasets from NIST AM‑Bench
https://www.comsol.com/ | https://www.ansys.com/ | https://www.nist.gov/ambench - Safety and compliance: HSE guidance on laser and metal powder handling
https://www.hse.gov.uk/
Last updated: 2025-08-27
Changelog: Added five focused FAQs, a 2025 performance/cost table, two case studies (AI-closed-loop cladding; UHS carbide-reinforced coatings), expert viewpoints, and vetted tools/resources for Laser Cladding Technologies.
Next review date & triggers: 2026-03-31 or earlier if major OEMs release next-gen UHS heads, ISO/ASTM standards update, or new data on dilution/powder efficiency improvements becomes available.
