1974年末、ACVO EVERETT RES LABINCのGnanamuthuは、世界初のレーザークラッディング特許US3952180Aを提出し、レーザークラッディング技術の基礎研究の幕を開けた。
レーザークラッディング技術は、低希釈率、低入熱量、幅広い材料など多くの利点を持ち、産業応用の過程で様々な種類を進化させ、積層造形、再製造、表面工学の様々な分野で広く利用されている。
レーザー溶融する材料の種類と材料とレーザービームの結合形態によって、一般的なレーザー溶融技術は、同軸粉末供給レーザー溶融技術、側軸粉末供給レーザー溶融技術（横方向粉末供給レーザー溶融技術とも呼ばれる）、高速レーザー溶融技術（超高速レーザー溶融技術とも呼ばれる）に分けることができます。
同軸粉体供給レーザーコーティング技術
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とディスク型エアボーン粉末フィーダを使用します。クラッディングヘッドは、中央光出力の円形スポットスキーム、円形粉末供給またはビームの周囲への複数の粉末供給、および特殊な保護空気流路を採用し、粉末ビーム、光ビーム、保護空気流が一点で交差します。クラッディング作業中、メルトプールはこの焦点に形成され、クラッディングヘッドとワークピースの相対的な移動により、クラッディング層はワークピースの表面に形成されます。
横軸粉末供給レーザークラッディング技術
横軸給粉レーザー溶融技術は横軸給粉レーザー溶融技術とも呼ばれ、一般的に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給粉機を採用し、溶融ヘッドは矩形スポット+横軸広帯域給粉方式を採用しています。クラッディングヘッドが作動する時、合金粉末は粉末供給ノズルを通してプリセットのために工作物の表面に供給される。クラッディングヘッドとワークピースの相対運動により、矩形レーザービームがプリセットされた合金粉末を走査し、溶融して溶融池を形成し、冷却後にクラッディング層を形成します。
超高速レーザークラッディング技術
超高速レーザー溶融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溶融技術で、2017年に中国で普及・応用が始まった。超高速レーザー溶融技術は、より優れたビーム品質の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溶融ヘッド、高速回転速度または移動速度の運動機構を採用している。レーザービームと粉末ビームおよび不活性ガスの流れの結合は、レーザーエネルギーの一部が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他の部分が基板を加熱するように精密に設計されている。 パウダー は溶融プールに入る前に非常に高い温度まで溶融または加熱されるため、粉末溶融に要する時間が短縮される。レーザークラッディング最大2m/min)。
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)
| メートル | 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.
