摘要：美国南卫理公会大学莱尔工程学院机械工程系、美国南卫理公会大学莱尔工程学院数字与增强现实制造中心、美国ESAB公司-南卫理公会大学先进连接技术中心的科研人员报道了送丝激光熔覆技术综述：工艺原理、理论分析、在线监测与质量控制研究进展。相关论文以“A review
长三角G60激光联盟导读
美国南卫理公会大学莱尔工程学院机械工程系、美国南卫理公会大学莱尔工程学院数字与增强现实制造中心、美国ESAB公司-南卫理公会大学先进连接技术中心的科研人员报道了送丝激光熔覆技术综述：工艺原理、理论分析、在线监测与质量控制研究进展。相关论文以“A review on laser cladding with wire feeding: process fundamentals, theoretical analyses, online monitoring, and quality controls”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
送丝激光熔覆作为一种先进表面改性技术，近几十年来发展迅速，这得益于其高沉积率、材料利用率优、冶金结合强度高、稀释率低及热影响区小等优势。然而该技术涉及复杂的热-物理-冶金多场耦合机制，仅凭传统经验或专家系统难以揭示材料-设计-工艺-性能间的潜在关联。本文系统综述了冷/热丝送丝激光熔覆在工艺开发、参数优化、数值模拟基础研究、实时传感与质量控制等领域的最新进展，重点归纳了熔覆过程多物理场建模的关键突破，包括熔池传热传质、快速熔凝行为及金属微观结构冶金转变对熔覆件力学性能的影响机制。同时探讨了熔覆层形貌实时监测与体积缺陷检测的传感器选型及特征提取技术，提出基于多传感器融合与机器学习的智能在线质量监控系统开发方向，该集成方案可提升关键质量属性预测的可靠性，并实现材料特性、构件设计与工艺变量动态变化时的自适应控制。此外，本文引入送丝激光熔覆数字孪生概念，通过实验测量与数值模拟的虚实交互，为材料-设计-工艺-性能的闭环优化提供创新解决方案。
图1金属材料对激光波长的吸收特性
图2送丝激光熔覆技术从实验室研发到工业应用的成熟化路径
图3激光熔覆工艺原理示意图：(a)送粉系统 (b)离轴冷丝送进系统(c)侧向热丝送丝装置
图4影响熔覆层质量的关键因素体系
图5高斯光斑内冷丝送进位置对熔池的影响：(a)前向送丝 (b)后向送丝 (c)熔池前沿送丝 (d)中心送丝 (e)尾部送丝（上排后送/下排前送对比）
图6矩形平顶光斑热丝送进的三类位置：(a)重叠 (b)优化 (c)偏移位及其对应熔覆截面与熔池图像
图7不同电压下丝材形态：(a)过电压 (b)欠电压 (c)最佳电压
图8(a)预热丝材温度场数值模拟（左）与熔池区温度预测（右） (b)熔覆过程几何形貌/流体流动/传热行为演化（左）与熔池温度/速度场（右） (c)单道熔覆层截面与枝晶形貌数值模拟
图9激光送丝熔覆过程多阶段监测目标体系
图10a高斯光斑热丝熔覆初期熔池图像以及两张典型的熔覆层横截面金相照片。b矩形平顶光斑不同时刻熔池动态与熔覆层显微组织
图11多传感器信号融合：(a)CMOS熔池图像(b)光谱强度图谱(c)红外热像(d)熔覆试样表面形貌
图12基于声信号处理与深度学习的原位缺陷检测框架
图13集成多传感器在线监测系统的直接半导体激光热丝熔覆装备
图14(a)熔池尺寸阶跃变化对熔覆几何形貌的影响(b)激光功率随扫描速度的自适应调控
图15数字孪生驱动的送丝激光熔覆系统框架
相较于传统送粉式表面涂层工艺，本文论证了送丝激光熔覆的技术优势，结合文献数据系统阐释了材料-设计-工艺-控制-性能的关联机制，主要发现与未来方向如下：
1.工艺敏感性调控
激光功率、扫描速度与送丝速率等参数高度敏感，通过实验设计与机器学习优化可精准划定工艺窗口，这对获得均匀熔覆几何形貌、优化微观组织及保证工艺重复性至关重要。
2.多物理场建模突破
耦合传热、流体力学与相变的先进数值模型能解析熔池瞬态行为与凝固过程，不仅可解释气孔、未熔合等缺陷成因，更为通过调控冷却速率与定向凝固来定制材料性能提供理论支撑。
3.各向异性控制
基于高级建模与自适应控制策略解决熔覆件力学性能各向异性问题，是满足高性能应用需求的关键。
4.智能监测系统
高速成像、红外热成像、声发射与光谱分析的多源传感融合，结合自适应控制算法实现激光输出与送丝速率的动态调节，标志着智能制造系统向自校正方向的重要演进。
5.增减材复合工艺
将送丝熔覆与精密加工等减材技术结合，可显著提升尺寸精度与表面质量。开发混合加工的优化路径规划、自适应策略及原位监测技术是释放其高精度制造潜力的重点方向。
6.数字孪生平台
集成实时传感数据、动态仿真与预测分析的数字孪生系统，不仅加速工艺优化与缺陷预测，更推动实验室成果向工业制造的转化，为表面改性技术带来变革性突破。
论文链接：
Yao, M., Kong, F. A review on laser cladding with wire feeding: process fundamentals, theoretical analyses, online monitoring, and quality controls. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15447-5
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来源：江苏激光联盟
