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工业应用
3.5kW蓝光激光实现高质紫铜熔覆工艺
材料来源:KCTII 硬科院            录入时间:2024/5/29 22:08:35

文/广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院

激光熔覆(Laser Cladding),也称激光熔敷或激光包覆,它通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层,可用于金属材料的表面强化、缺陷修复。

铜上熔覆铜工艺简介

铜和铜合金由于具备优良的导电、导热性能,在军工、冶金、海洋装备以及航空航天等众多领域得到广泛应用。这些领域的服役环境通常比较严苛,因此对铜件的性能提出了更高要求,例如要求高强度、高导电性的电磁炮导轨,要求高耐磨、高耐热性的连铸结晶器、铜轧辊等。

采用激光熔覆方法在铜基材表面熔覆一层紫铜或铜合金,可以大大提高铜基材料的耐腐蚀性、耐磨性和机械强度,提高其使用寿命。同时,对于在恶劣服役环境下造成缺陷的铜工件,也可以采用激光熔覆的方法进行修复再制造。

铜上熔覆铜工艺具有以下优点:

(1)提高耐腐蚀性能

通过在铜基材表面覆盖一层铜或铜合金,可以有效防止氧化和腐蚀,延长材料的使用寿命。

(2)提高导电性能

铜是优良的导电材料,覆盖铜层可以提高材料的导电性能,适用于需要良好导电性能的应用领域。

(3)增强机械强度

覆盖铜合金层可以增加材料的机械强度和耐磨性,提高材料的耐久性和稳定性。

(4)修复表面缺陷

铜上熔覆铜工艺,可用于修复铜基材料表面的缺陷或损伤,使表面恢复平整并提高外观质量。

(5)适用范围广泛

铜上熔覆铜工艺,适用于各种形状和尺寸的铜基材料,可以定制覆盖层厚度和形状以满足不同需求。

(6)环保节能

相比其他表面处理方法,铜上熔覆铜工艺通常具有较高的能效比和较低的环境影响,符合环保要求。

铜上熔覆铜工艺的难点

对于常规的波长1μm左右的红外激光而言,采用激光熔覆对铜、铝或金这类高反金属材料进行加工,具有很大挑战。

铜、铝等高反材料对红外激光过低的吸收率(~5%),使得必须采用高功率激光器才能在铜材表面形成熔池;然而,过高的激光功率又会造成加工时熔池不稳定并产生材料飞溅,容易形成具体大量孔洞缺陷的低质量熔覆层。纯铜具有非常高的热导率,尤其是紫铜,这会加剧熔池的不稳定性,使得熔覆过程中的热量很难稳定地保持在加工区域,进而影响熔覆层的形成和质量。

因此,采用红外激光难以在紫铜基板上有效形成高质量的铜熔覆层。

图1:铝、铜、金等高反金属在不同波长下的吸收曲线。

蓝光激光是铜熔覆的理想光源

从图1中的吸收曲线对比中可以看出,铜对蓝光的吸收率可以高达50%以上,这意味着蓝光激光器在用于铜加工时表现优异,因此,采用蓝光激光器可以有效解决紫铜表面熔覆的问题。

但目前市面上的蓝光半导体激光器的功率还不高,主要集中在1~2kW左右,对于一些大尺寸铜部件的熔覆,这样的功率水平还难以获得高效、高质量的熔覆效果。

因此,开发功率更高的蓝光半导体激光器,是满足大尺寸铜部件高效、高质量熔覆的关键一环。

3500W蓝光半导体激光器

为了解决大尺寸铜部件的表面熔覆难题,广东硬科院推出了3500W蓝光半导体激光器BLD-455-3500(见图2)。这款激光器输出波长为455±10nm,功率连续可调,最大输出功率高于3500W,在国内已处于领先水平(见图3)。

该款激光器的激光束以自由空间方式输出,矩形光斑(光斑尺寸3mm×3mm)可以直接作用于材料表面,不需要额外的光纤或激光加工头输出,电-光转换效率高。

铜对蓝光激光的吸收率可高达65%,是对红外激光吸收率的13倍。因此,在3500W功率和高吸收率的双重加持下,可实现缺陷少、飞溅少、致密度高且更快速的铜熔覆工艺。

这款激光器非常适用于有色金属熔覆、淬火等领域,能够更大程度地提高加工效率和加工质量。

图2:BLD-455-3500蓝光激光器实物图。

图3:BLD-455-3500蓝光激光器功率测试图。

在紫铜基板上熔覆紫铜

图4为在紫铜基板表面熔覆紫铜粉的末测试效果。从图中可以看到:无论是单层熔覆还是多层熔覆,BLD-455-3500激光器都能获得均匀、美观的熔覆层。

图4:紫铜熔覆成型样品图。

图5是上述熔覆层的金相检测图,从图中可以看出:熔覆层与基板形成了非常好的冶金结合,未发现明显的未熔合、气孔、裂纹等缺陷。

图5:熔覆层金相检测图。

在金属熔覆应用中,BLD-455-3500激光器凭借3500W的高功率输出,使得熔覆过程更加高效、节能。无论是铜、铝等有色金属还是其他金属,都能得到高质量的熔覆效果。

此外,BLD-455-3500激光器还适用于激光淬火和增材制造应用。其足够高的功率和均匀的能量分布,使得材料能在极短的时间内达到淬火温度,从而实现快速、均匀的淬火效果;而在增材制造应用中,其高功率和高吸收率,能够获得更快的加工速度、更小的热影响区和更优的材料性能。

结语

3500W高功率蓝光半导体激光器的成功开发,使得大尺寸铜部件表面熔覆铜材的难题迎刃而解。采用BLD-455-3500蓝光激光器搭建的熔覆装置,可以实现紫铜基板表面紫铜、青铜等铜合金粉末的熔覆,为业界带来新的发展机遇。

文章来源:KCTII 硬科院 

注:文章版权归原作者所有,本文仅供交流学习之用,如涉及版权等问题,请您告知,我们将及时处理。


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