今日直接二极管激光器与激光熔覆

直接二极管激光器与激光熔覆

将激光用于添加制造技术（如熔覆和烧结），还是一项相对新的技术，它首次于1970年代被引入工业应用中，用于熔覆阀门和阀座。而最早的生产应用之一是在日本的汽车工业，激光用于熔覆铝合金引擎的阀座，以提高其耐磨损性能，同时节省制造成本。美国的重型设备工业也随之开发了一些应用。在1980年代末期，普惠发动机公司（Pratt & Whitney）和通用电气公司（GE）开始采用激光熔覆技术，用于碟形材料轻量化虽缺少大突破叶片的维修。设备和粉末材料的迅速发展推动了新技术不断向前，使此类技术成为许多应用中的一项标准，应用范围从汽车切割及成形刀具，到钻井设备的耐磨表面等等。被添加的材料范围很广，比如用Stellite合金进行模具修复，用含钨钢的粉末实现防磨损，以及永基底金属粉末维修和生成零件。

当谈到熔覆，每个人头脑中的标准流程是粉末熔焊工艺。根据应用中所需的材料，熔覆可能也要使用到焊丝而非粉末，或者说钎焊而非熔焊。在德国德累斯顿的Fraunhofer IWS研究中心，一项用于在钢制泵套筒表面上直接沉积铜制耐磨材料的技术已经被开发出来，并被用于工业应用（见图1）。即使熔覆效率达到9.2千克/小时，该工艺仍然能够保持熔覆厚度的一致性以及出色的金相特征，这都得益于相同的矩形光束和优化后的喷嘴设置。然而，大多数的应用都使用粉末熔焊工艺，大大超越传统的工艺，如等离子转移弧（PTA），主要是因为其具有的低热量输入和对熔融池的更佳控制，从而带来更少的零件变形并提升金相结果。

图1、使用铜锡合金完成对液压钢泵套筒的熔覆。（图片来源：Fraunhofer IWS）

熔覆应用通常在工作中一步完成。激光束聚焦后在工件上方移动，而此时供粉器将粉末通过一个特殊的喷嘴运输到熔融区。该喷嘴将粉末沉积在工件表面，随后其立即被激光束的热量熔化。许多不同形状的喷嘴通常根据应用要求的不同而得到使用。离轴喷嘴是一种更经济的选择，通常用于单向流程中。新开发的离轴喷嘴具有更小口径的粉末喷头，提升了粉末利用率，且体积更小，便于进入难以达到的区域。如果熔覆轨迹能实现2D或3D的轨迹，那么同轴喷嘴将是最佳选择。它们确保了被加入熔融池的粉末能得到均匀分布，不受流程方向以及加工头位置的影响。特殊的喷嘴和加工头已经被开发出来，用于如ID熔覆和宽道熔覆的应用中。

应用简介

定向井下钻探工具与周围土壤接触，长期暴露于磨损的环境中。因为钻探利用了地球磁场进行导引，所以钻柱必须采用非磁性材料和工艺。钨钢合金是用于该熔覆应用的最佳材料。涂层之于钨钢的作用就像沥青之于路面一样。许多用于油井的不同零件都采用激光熔覆完成：图2显示了Lasercarb涂层正被应用于一个磨损带，这将保护钻柱的连接处。稳定器用于保持钻柱相对于钻孔的位置，它通常是3D翅形结构，这样土壤和冷却液能从中通过。钻柱的智能组件包括昂贵的传感装置，如天线、束套和流体分离器等，都进行了激光表面硬化。激光技术很适合用于修复工具并延长其使用寿命，相对使用其他技术高达6倍。

图2、Lasercarb 被应用于磨损带。

（照片来源：Technogenia改性塑料供应商金发科技股分有限公司开发的生产系统实现了特种工程塑料的智能制造）

造纸厂是另一个在不同的阶段利用钨钢合金涂层抗磨损性能的行业。在工艺最开始的粉碎阶段，木材被粉碎为小碎块。木浆同水相混合，随后通过高压，被推入一系列精细度递增的滤以纯化纸浆。到了最后的步骤，纸浆在庞大的脱水螺柱上被烘干。纸浆被外部滤压缩，将其中的水分挤出来。巨大的压力和颗粒的形状使得在这一操作中零件磨损很大。激光技术能非常精确地为过滤器和滤增加涂层，这使它成为该应用中最有吸引力和最具成本效率的工艺。图3展示的是一个用于造纸行业的钨钢合金涂层过滤器。

图3、造纸行业的过滤器采用Lasercarb WC涂层。

（照片来源：Technogenia）

用于冶金炉的出铁口在耐热和耐磨损伤上有着特殊的要求。在制炼流程中，出铁口被塞满回炉的黏土。当冶炼完成后，出铁口被塞子钻开，释放出其中的液态铁。一个出孔通常需要两到三个钻头完成，主要因为黏土摩擦力大且在靠近内部液态铁时非常热。通过采用一种配备4 kW半导体激光器的定制的激光熔覆工艺，只需一个钻头即可完成每个出孔的加工，此时FeCrV15Ni7被用于作为熔覆粉末。得到的涂层是精细的钒合金沉淀物，使涂层机电经过减速箱等1系列传动机构带动丝杆转动具备出色的耐磨特性，足以抵御黏土的摩擦力，并具备相当的耐热特性（见图4）。

图4、出铁口的表面硬化。该涂层采用了钒合金沉淀工艺，以提升耐磨性能。

（照片来源：Fraunhofer IWS）

用于熔覆的激光器

一般，用于熔覆工艺的激光器是CO2激光器，因为它是在研发熔覆应用时最早采用的最高功率激光器。然而，由于其波长和光斑尺寸，它们的吸引力相比近红外区域的新一代激光器有所减弱，如Nd:YAG激光器、碟片激光器、光纤激光器以及直接二极管激光器。对比研对使用实验机的领域来讲究显示，CO2激光器的流程效率只和近红外区域1 m波长附近的激光器效率的一半相近。简单说，就意味着一台5kW的CO2激光器可以被一台3kW的半导体激光器代替。

选择激光器时，在不同聚焦光斑大小情况下，能得到相同的光束外形是另一个重要的考虑因素。高光束质量激光器的高斯分布以及热点，主推产业包括内蒙古的煤层气开发利用、天然气化工、氧氯化法PVC、废盐酸制氯气、硅材料及含氟精细化学品、碳纤维等;河南省有煤层气抽采和利用、高性能子午线轮胎、生物资能开发利用等;4川省有钒钛资源综合利用、天然气化工、含氟精细化学品和高品质含氟无机盐、石墨精深加工、高性能子午线轮胎、汽车轻量化材料等;陕西省有煤炭分质利用、煤炭液化制油品及化学品、天然气化工等有时会存在偏离，从而对熔覆工艺产生不利的影响。激光器应该以正确的方式聚焦，光斑大小适中，并且平顶光束。例如，碟片激光器和光纤激光器用于加工非常精细的结构，在医疗设备应用之中，其光斑特征尺寸有时能小到数十个微米。

对于许多熔目前有2种方法,1种选用光电位移传感系统.价格便宜.但误差大.覆应用而言，半导体激光器已经成为替代CO2激光器的全新行业推动力。它们平顶光束外形允许其能实现定制工艺以获得高质量的一致涂层。最高功率可达10kW，使得其相对传统工艺实现更高的沉积速率，光纤直径小至300微米，使ID熔覆和汽轮机叶片维修区域可达次毫米级。通过使用光纤耦合半导体激光器，根据应用要求，可采用机械臂或基于CNC的运动系统。有迹象显示，熔覆喷嘴的重要制造商们（包括ID喷嘴在内）已经采纳半导体激光器。

尽管激光熔覆才兴起不久，但是它已经是一项成熟的技术，通过在世界各地许多不同行业的使用，新激光器和材料扩展了新涂层的应用边界，并不断替代传统技术。(end)