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3.5KW藍光激光實現(xiàn)高質(zhì)紫銅熔覆工藝
來源:激光世界
發(fā)布日期 :2024-07-04 15:17

激光熔覆 (Laser Cladding),也稱激光熔敷或激光包覆,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,在基層表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層,可用于金屬材料的表面強化、缺陷修復(fù)。

銅上熔覆銅工藝簡介

銅和銅合金由于具備優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,在軍工、冶金、海洋裝備以及航空航天等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些領(lǐng)域的服役環(huán)境通常比較嚴苛,因此對銅件的性能提出了更高要求,例如要求高強度、高導(dǎo)電性的電磁炮導(dǎo)軌,要求高耐磨、高耐熱性的連鑄結(jié)晶器、銅軋輥等。

采用激光熔覆方法在銅基材表面熔覆一層紫銅或銅合金,可以大大提高銅基材料的耐腐蝕性、耐磨性和機械強度,提高其使用壽命。同時,對于在惡劣服役環(huán)境下造成缺陷的銅工件,也可以采用激光熔覆的方法進行修復(fù)再制造。

銅上熔覆銅工藝具有以下優(yōu)點:

(1)提高耐腐蝕性能

通過在銅基材表面覆蓋一層銅或銅合金,可以有效防止氧化和腐蝕,延長材料的使用壽命。

(2)提高導(dǎo)電性能

銅是優(yōu)良的導(dǎo)電材料,覆蓋銅層可以提高材料的導(dǎo)電性能,適用于需要良好導(dǎo)電性能的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)增強機械強度

覆蓋銅合金層可以增加材料的機械強度和耐磨性,提高材料的耐久性和穩(wěn)定性。

(4)修復(fù)表面缺陷

銅上熔覆銅工藝,可用于修復(fù)銅基材料表面的缺陷或損傷,使表面恢復(fù)平整并提高外觀質(zhì)量。

(5)適用范圍廣泛

銅上熔覆銅工藝,適用于各種形狀和尺寸的銅基材料,可以定制覆蓋層厚度和形狀以滿足不同需求。

(6)環(huán)保節(jié)能

相比其他表面處理方法,銅上熔覆銅工藝通常具有較高的能效比和較低的環(huán)境影響,符合環(huán)保要求。

銅上熔覆銅工藝的難點

對于常規(guī)的波長lμm 左右的紅外激光而言,采用激光熔覆對銅、鋁或金這類高反金屬材料進行加工,具有很大挑戰(zhàn)。

銅、鋁等高反材料對紅外激光過低的吸收率(~5%), 使得必須采用高功率激光器才能在銅材表面形成熔池;然而,過高的激光功率又會造成加工時熔池不穩(wěn)定并產(chǎn)生材 料飛濺,容易形成具體大量孔洞缺陷的低質(zhì)量熔覆層。純 銅具有非常高的熱導(dǎo)率,尤其是紫銅,這會加劇熔池的不穩(wěn)定性,使得熔覆過程中的熱量很難穩(wěn)定地保持在加工區(qū) 域,進而影響熔覆層的形成和質(zhì)量。

因此,采用紅外激光難以在紫銅基板上有效形成高質(zhì)量的銅熔覆層。

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圖1:鋁、銅、金等高反金屬在不同波長下的吸收曲線。

藍光激光是銅熔覆的理想光源

從圖1中的吸收曲線對比中可以看出,銅對藍光的吸收率可以高達50%以上,這意味著藍光 激光器在用于銅加工時表現(xiàn)優(yōu)異,因此, 采用藍光激光器可以有效解決紫銅表面熔覆的問題。

但目前市面上的藍光半導(dǎo)體激光器 的功率還不高,主要集中在1~2kW左右,對于一些大尺寸銅部件的熔覆,這樣的功率水平還難以獲得高效、高質(zhì)量的熔覆效果。

因此,開發(fā)功率更高的藍光半導(dǎo)體激光器,是滿足大尺寸銅部件高效、高質(zhì)量熔覆的關(guān)鍵一環(huán)。

3500W藍光半導(dǎo)體激光器

為了解決大尺寸銅部件的表面熔覆難題,廣東硬科院推出了 3500W 藍光半導(dǎo)體激光器 BLD-455-3500。

這款激光器輸出波長為 455±10nm,功率連續(xù)可調(diào),最大輸出功率高于 3500W,在國內(nèi)已處于領(lǐng)先水平(見圖 2)。

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圖2:BLD-455-3500 藍光激光器功率測試圖。

該款激光器的激光束以自由空間方式輸出,矩形光斑 (光斑尺寸3mm×3mm)可以直接作用于材料表面,不需 要額外的光纖或激光加工頭輸出,電-光轉(zhuǎn)換效率高。

銅對藍光激光的吸收率可高達65%,是對紅外激光 吸收率的13倍。因此,在3500W功率和高吸收率的雙重 加持下,可實現(xiàn)缺陷少、飛濺少、致密度高且更快速的銅 熔覆工藝。

這款激光器非常適用于有色金屬熔覆、淬火等領(lǐng)域, 能夠更大程度地提高加工效率和加工質(zhì)量。

在紫銅基板上熔覆紫銅

圖3為在紫銅基板表面熔覆紫銅粉的末測試效果。

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圖3:紫銅熔覆成型樣品圖。

從圖中可以看到:無論是單層熔覆還是多層熔覆,BLD- 455-3500激光器都能獲得均勻、美觀的熔覆層。

圖5是上述熔覆層的金相檢測圖,從圖中可以看出:熔覆層與基板形成了非常好的冶金結(jié)合,未發(fā)現(xiàn)明顯的未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。

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圖4:熔覆層金相檢測圖。

在金屬熔覆應(yīng)用中,BLD-455-3500激光器憑借 3500W的高功率輸出,使得熔覆過程更加高效、節(jié)能。無論是銅、鋁等有色金屬還是其他金屬,都能得到高質(zhì)量的熔覆效果。

此外,BLD-455-3500激光器還適用于激光淬火和增材制造應(yīng)用。其足夠高的功率和均勻的能量分布,使得材料能在極短的時間內(nèi)達到淬火溫度,從而實現(xiàn)快速、均勻的淬火效果;而在增材制造應(yīng)用中,其高功率和高吸收率,能夠獲得更快的加工速度、更小的熱影響區(qū)和更優(yōu)的材料性能。?

結(jié)語


3500W高功率藍光半導(dǎo)體激光器的成功開發(fā),使得 大尺寸銅部件表面熔覆銅材的難題迎刃而解。采用BLD- 455-3500藍光激光器搭建的熔覆裝置,可以實現(xiàn)紫銅基板 表面紫銅、青銅等銅合金粉末的熔覆,為業(yè)界帶來新的發(fā)展機遇。


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