1974년 말, 아보 에버렛 연구소의 그나나무투는 세계 최초의 레이저 클래딩 특허 US3952180A를 발표하여 레이저 클래딩 기술에 대한 기초 연구 작업의 막을 열었습니다.
낮은 희석률, 낮은 열 입력 및 광범위한 재료와 같은 많은 장점을 가진 레이저 클래딩 기술은 산업 적용 과정에서 다양한 유형으로 발전했으며 적층 제조, 재제조 및 표면 엔지니어링의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
레이저 용융 대상 재료의 유형과 재료와 레이저 빔 사이의 결합 형태에 따라 일반적인 레이저 용융 기술은 동축 분말 공급 레이저 용융 기술, 측면 축 분말 공급 레이저 용융 기술 (측면 분말 공급 레이저 용융 기술이라고도 함), 고속 레이저 용융 기술 (초고속 레이저 용융 기술이라고도 함)로 나눌 수 있습니다.
동축 분말 공급 레이저 코팅 기술
동축 분말 공급 레이저 클래딩 기술은 일반적으로 반도체 섬유 출력 레이저와 디스크형 공기 중 분말 공급기를 사용합니다. 클래딩 헤드는 중앙 광 출력, 빔 주변의 원형 파우더 피드 또는 다중 파우더 피드, 파우더 빔, 광선 및 보호 공기 흐름이 한 지점에서 교차하는 특수 보호 공기 채널이 있는 원형 스팟 방식을 채택합니다. 클래딩 작업 중 이 초점에 용융 풀이 형성되고 클래딩 헤드와 공작물의 상대적인 움직임에 따라 공작물 표면에 클래딩 층이 형성됩니다.
측면 축 분말 공급 레이저 클래딩 기술
측면 축 분말 공급 레이저 용융 기술은 측면 분말 공급 레이저 용융 기술이라고도하며 일반적으로 반도체 직접 출력 레이저 또는 반도체 섬유 출력 레이저 및 중력 분말 공급기를 채택하고 용융 헤드는 직사각형 스팟 + 측면 축 광대역 분말 공급 방식을 채택합니다. 클래딩 헤드가 작동하면 합금 분말이 분말 공급 노즐을 통해 프리셋을 위해 공작물 표면으로 전달됩니다. 클래딩 헤드와 공작물의 상대적인 움직임에 따라 직사각형 레이저 빔이 사전 설정된 합금 분말을 스캔하고 용융 풀을 형성하여 냉각 후 클래딩 층을 형성합니다.
초고속 레이저 클래딩 기술
초고속 레이저 용융 기술은 독일 프라운호퍼 레이저 기술 연구소에서 개발한 새로운 유형의 레이저 용융 기술로, 2017년부터 중국에서 보급 및 적용되기 시작했습니다. 초고속 레이저 용융 기술은 빔 품질이 우수한 반도체 섬유 출력 레이저 또는 파이버 레이저, 정밀 설계된 고속 레이저 용융 헤드 및 회전 속도 또는 이동 속도가 빠른 모션 메커니즘을 채택합니다. 레이저 빔과 분말 빔 및 불활성 가스 흐름의 결합은 레이저 에너지의 일부가 분말 빔을 가열하는 데 사용되는 반면 분말 빔을 관통하는 레이저 빔의 다른 부분은 기판을 가열하도록 정밀하게 설계되었습니다. 파우더 가 용융 풀에 들어가기 전에 매우 높은 온도로 녹이거나 가열되어 분말 용융에 필요한 시간이 단축됩니다. 최대 2m/min의 레이저 클래딩).
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)
| Metric | 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.
