1974 yılının sonunda ACVO EVERETT RES LABINC'ten Gnanamuthu, lazer kaplama teknolojisi üzerine temel araştırma çalışmalarının perdesini açan dünyanın ilk lazer kaplama patenti US3952180A'yı ortaya koydu.
Düşük seyreltme oranı, düşük ısı girdisi ve geniş bir malzeme yelpazesi gibi birçok avantaja sahip olan lazer kaplama teknolojisi, endüstriyel uygulama sürecinde birçok farklı tür geliştirmiştir ve eklemeli imalat, yeniden imalat ve yüzey mühendisliğinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Lazerle eritilecek malzemenin türüne ve malzeme ile lazer ışını arasındaki bağlantı biçimine göre, yaygın lazer eritme teknolojileri koaksiyel toz besleme lazer eritme teknolojisi, yan eksen toz besleme lazer eritme teknolojisi (yanal toz besleme lazer eritme teknolojisi olarak da adlandırılır), yüksek hızlı lazer eritme teknolojisi (ultra yüksek hızlı lazer eritme teknolojisi olarak da adlandırılır) olarak ayrılabilir.
Koaksiyel Toz Beslemeli Lazer Kaplama Teknolojisi
Koaksiyel toz besleme lazer kaplama teknolojisi genellikle bir yarı iletken fiber çıkış lazeri ve disk tipi bir havadan toz besleyici kullanır. Kaplama başlığı, merkezi ışık çıkışına sahip dairesel bir spot şeması, dairesel bir toz beslemesi veya ışının etrafında birden fazla toz beslemesi ve toz ışını, ışık ışını ve koruyucu hava akışının bir noktada kesiştiği özel bir koruyucu hava kanalı kullanır. Kaplama işlemi sırasında bu odak noktasında eriyik havuzu oluşturulur ve kaplama başlığı ile iş parçasının göreceli hareketi ile iş parçasının yüzeyinde kaplama tabakası oluşturulur.
Yan Eksen Toz Beslemeli Lazer Kaplama Teknolojisi
Yan eksen toz besleme lazer eritme teknolojisi, genellikle yarı iletken doğrudan çıkış lazeri veya yarı iletken fiber çıkış lazeri ve yerçekimi toz besleyicisini benimseyen yanal toz besleme lazer eritme teknolojisi olarak da adlandırılır ve eritme kafası dikdörtgen nokta + yan eksen geniş bant toz besleme şemasını benimser. Kaplama kafası çalıştığında, alaşım tozu, toz besleme nozulu aracılığıyla ön ayar için iş parçası yüzeyine iletilir. Kaplama kafasının ve iş parçasının göreceli hareketiyle, dikdörtgen lazer ışını önceden ayarlanmış alaşım tozunu tarar ve soğuduktan sonra bir kaplama tabakası oluşturan erimiş bir havuz oluşturmak için eritir.
Ultra Yüksek Hızlı Lazer Kaplama Teknolojisi
Ultra yüksek hızlı lazer eritme teknolojisi, Almanya'daki Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü tarafından geliştirilen ve 2017 yılında Çin'de tanıtılmaya ve uygulanmaya başlanan yeni bir lazer eritme teknolojisi türüdür. Ultra yüksek hızlı lazer eritme teknolojisi, yarı iletken fiber çıkışlı lazer veya daha iyi ışın kalitesine sahip fiber lazer, hassas tasarımlı yüksek hızlı lazer eritme kafası ve yüksek dönüş hızı veya hareket hızına sahip bir hareket mekanizması kullanır. Lazer ışınının toz ışını ve inert gaz akışı ile bağlantısı, lazer enerjisinin bir kısmı toz ışınını ısıtmak için kullanılırken, toz ışınına nüfuz eden lazer ışınının diğer kısmı alt tabakayı ısıtacak şekilde hassas bir şekilde tasarlanmıştır ve toz eritme havuzuna girmeden önce eritilir veya çok yüksek bir sıcaklığa ısıtılır, böylece toz eritme için gereken süre kısalır. 2m/dk'ya kadar lazer kaplama).
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)
| Metrik | 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.
