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激光熔覆
閱讀：1761 發(fā)布時(shí)間：2021-9-26
激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光幅照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。
與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。
從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看，其主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90％以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1／5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2／3的制造成本，縮短4／5的制造周期。
熔覆材料：目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。其中，又以鎳基材料應(yīng)用最多，與鈷基材料相比，其價(jià)格便宜。
熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。
預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式常用。 同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。 預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---預(yù)置熔覆材料---預(yù)熱---激光熔化---后熱處理。
同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---送料激光熔化---后熱處理。
按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。
激光器工作原理：
激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。
激光器的選用：目前應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。
CO2激光器是應(yīng)用、種類最多的一種激光器，在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占工業(yè)激光器銷售額40％，北美更高達(dá)70%。
1.功率高。CO2激光器是目前輸出功率達(dá)到區(qū)的激光器之一，其連續(xù)輸出功率可達(dá)幾十萬瓦
2.效率高。光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。
3.光束質(zhì)量高。模式好，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定。
傳統(tǒng)的固體激光器通常采用高功率氣體放電燈泵浦，其泵浦效率約為3%到6%。泵浦燈發(fā)射出的大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，不僅造成固體激光器需采用笨重的冷卻系統(tǒng)，而且大量熱能會(huì)造成工作物質(zhì)不可消除的熱透鏡效應(yīng)，使光束質(zhì)量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁地?fù)Q燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低。與傳統(tǒng)燈泵浦激光器比較，二極管泵浦固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達(dá)50％以上，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因而二極管泵浦激光器體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。
(2) 性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá) 15000小時(shí)，泵浦光的能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能可靠，為全固化器件，是至今為止無需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。
(3) 輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大 大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近極限。
激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的零件加工于表面改型技術(shù)。具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時(shí),還可以用于廢品件的處理,大量節(jié)約加工成本。激光溶覆應(yīng)用到快速制造金屬零件,所需設(shè)備少,可以減少工件制造工序,節(jié)約成本,提高零件質(zhì)量,廣泛應(yīng)用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個(gè)方面。
激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程,熔覆過程中的參數(shù)對(duì)熔覆件的質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等,他們的對(duì)熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時(shí),各參數(shù)之間也相互影響,是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。必須采用合適的控制方法將各種影響因素控制在溶覆工藝允許的范圍內(nèi)。
隨著控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,激光熔覆技術(shù)越來越向智能化、自動(dòng)化方向前進(jìn)。國(guó)外在這方面做的比較好。從直線和旋轉(zhuǎn)的一維激光熔覆,經(jīng)過X和Y兩個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的二維熔覆,到上世紀(jì)90年代初開始向三維同時(shí)運(yùn)動(dòng)熔覆構(gòu)造金屬零件發(fā)展。如今,已經(jīng)把激光器、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控激光加工機(jī)、外光路系統(tǒng)、自動(dòng)化可調(diào)合金粉末輸送系統(tǒng)(也可送絲)、專用CAD/CAM軟件和全過程參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng),集成構(gòu)筑了閉環(huán)控制系統(tǒng),直接制造出金屬零件。標(biāo)志著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展登上了新的臺(tái)階。各國(guó)在激光控制方面的研究的新成果往往都以的形式進(jìn)行保護(hù), 如高質(zhì)量的同軸送粉熔覆系統(tǒng)以及閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海交通大等單位在激光熔覆過程控制方面做了許多研究工作。
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光幅照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。
與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。
從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看，其主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90％以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1／5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2／3的制造成本，縮短4／5的制造周期。
熔覆材料：目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。其中，又以鎳基材料應(yīng)用最多，與鈷基材料相比，其價(jià)格便宜。
熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。
預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式常用。 同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。 預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---預(yù)置熔覆材料---預(yù)熱---激光熔化---后熱處理。
同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---送料激光熔化---后熱處理。
按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。
激光器工作原理：
激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。
激光器的選用：目前應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。
CO2激光器是應(yīng)用、種類最多的一種激光器，在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占工業(yè)激光器銷售額40％，北美更高達(dá)70%。
1.功率高。CO2激光器是目前輸出功率達(dá)到區(qū)的激光器之一，其連續(xù)輸出功率可達(dá)幾十萬瓦
2.效率高。光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。
3.光束質(zhì)量高。模式好，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定。
傳統(tǒng)的固體激光器通常采用高功率氣體放電燈泵浦，其泵浦效率約為3%到6%。泵浦燈發(fā)射出的大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，不僅造成固體激光器需采用笨重的冷卻系統(tǒng)，而且大量熱能會(huì)造成工作物質(zhì)不可消除的熱透鏡效應(yīng)，使光束質(zhì)量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁地?fù)Q燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低。與傳統(tǒng)燈泵浦激光器比較，二極管泵浦固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達(dá)50％以上，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因而二極管泵浦激光器體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。
(2) 性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá) 15000小時(shí)，泵浦光的能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能可靠，為全固化器件，是至今為止無需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。
(3) 輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大 大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近極限。
激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的零件加工于表面改型技術(shù)。具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時(shí),還可以用于廢品件的處理,大量節(jié)約加工成本。激光溶覆應(yīng)用到快速制造金屬零件,所需設(shè)備少,可以減少工件制造工序,節(jié)約成本,提高零件質(zhì)量,廣泛應(yīng)用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個(gè)方面。
激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程,熔覆過程中的參數(shù)對(duì)熔覆件的質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等,他們的對(duì)熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時(shí),各參數(shù)之間也相互影響,是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。必須采用合適的控制方法將各種影響因素控制在溶覆工藝允許的范圍內(nèi)。
隨著控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,激光熔覆技術(shù)越來越向智能化、自動(dòng)化方向前進(jìn)。國(guó)外在這方面做的比較好。從直線和旋轉(zhuǎn)的一維激光熔覆,經(jīng)過X和Y兩個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的二維熔覆,到上世紀(jì)90年代初開始向三維同時(shí)運(yùn)動(dòng)熔覆構(gòu)造金屬零件發(fā)展。如今,已經(jīng)把激光器、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控激光加工機(jī)、外光路系統(tǒng)、自動(dòng)化可調(diào)合金粉末輸送系統(tǒng)(也可送絲)、專用CAD/CAM軟件和全過程參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng),集成構(gòu)筑了閉環(huán)控制系統(tǒng),直接制造出金屬零件。標(biāo)志著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展登上了新的臺(tái)階。各國(guó)在激光控制方面的研究的新成果往往都以的形式進(jìn)行保護(hù), 如高質(zhì)量的同軸送粉熔覆系統(tǒng)以及閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海交通大等單位在激光熔覆過程控制方面做了許多研究工作。