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    激光熔覆

    激光熔覆

        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。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激光幅照使之和基體表面一薄層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低,與基體成冶金結合的表面涂層,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,從而達到表面改性或修復的目的,既滿足了對材料表面特定性能的要求,又節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、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點,因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。 

      從當前激光熔覆的應用情況來看,其主要應用于兩個方面:一,對材料的表面改性,如燃汽輪機葉片,軋輥,齒輪等;二,對產品的表面修復,如轉子,模具等。有關資料表明,修復后的部件強度可達到原強度的90%以上,其修復費用不到重置價格的1/5,更重要的是縮短了維修時間,解決了大型企業重大成套設備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。另外,對關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;對模具表面進行激光熔覆處理,不僅提高模具強度,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、碳化鎢復合材料。其中,又以鎳基材料應用最多,與鈷基材料相比,其價格便宜。 

      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,即預置式激光熔覆和同步式激光熔覆。 

      預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,其中以粉末的形式最為常用。 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行同步送料。 預置式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---預置熔覆材料---預熱---激光熔化---后熱處理。 

      同步式激光熔覆的主要工藝流程為:基材熔覆表面預處理---送料激光熔化---后熱處理。 

      按工藝流程,與激光熔覆相關的工藝主要是基材表面預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和后熱處理。 

      激光器工作原理: 

      激光熔覆成套設備組成:激光器、冷卻機組、送粉機構、加工工作臺等。 

      激光器的選用:目前應用廣泛的有CO2激光器,固體激光器。 

      CO2激光器是應用最廣、種類最多的一種激光器,在汽車工業、鋼鐵工業、 工業、航空及宇航業、電機工業、機械工業、冶金工業、金屬加工等領域廣泛應用。約占全球工業激光器銷售額40%,北美更高達70%。 

      1.功率高。CO2激光器是目前輸出功率達到最高級區的激光器之一,其最大連續輸出功率可達幾十萬瓦 

      2.效率高。光電轉換率可達30%以上,比其它加工用激光器的效率高得多。 

      3.光束質量高。模式好,相干性好,線寬窄,工作穩定。 

      傳統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%。泵浦燈發射出的大量能量轉化為熱能,不僅造成固體激光器需采用笨重的冷卻系統,而且大量熱能會造成工作物質不可消除的熱透鏡效應,使光束質量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時,操作人員需花很多時間頻繁地換燈,中斷系統工作,使自動化生產線的效率大大降低。與傳統燈泵浦激光器比較,二極管泵浦固體激光器具有以下優點: 

      (1) 轉換效率高:由于半導體激光的發射波長與固體激光工作物質的吸收峰相吻合,加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配,從而光光轉換效率很高,已達50%以上,整機效率也可以與二氧化碳激光器相當,比燈泵固體激光器高出一個量級,因而二極管泵浦激光器體積小、重量輕,結構緊湊。 

      (2) 性能可靠、壽命長:激光二極管的壽命大大長于閃光燈,達 15000小時,泵浦光的能量穩定性好,比閃光燈泵浦優一個數量級,性能可靠,為全固化器件,是至今為止唯一無需維護的激光器,尤其適用于大規模生產線。 

    (3) 輸出光束質量好:由于二極管泵浦激光的高轉換效率,減少了激光工作物質的熱透鏡效應,大 大改善了激光器的輸出光束質量,激光光束質量已接近極限。

     

     

     

     

         激光熔覆技術是一項新興的零件加工于表面改型技術。具有較低稀釋率、熱影響區小、與基面形成冶金結合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現自動化等優點。激光熔覆技術應用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時,還可以用于廢品件的處理,大量節約加工成本。激光溶覆應用到快速制造金屬零件,所需設備少,可以減少工件制造工序,節約成本,提高零件質量,廣泛應用于航空、軍事、石油、化工、醫療器械等各個方面。
      激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程,熔覆過程中的參數對熔覆件的質量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數主要有激光功率、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,各參數之間也相互影響,是一個非常復雜的過程。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。
      隨著控制技術以及計算機技術的發展,激光熔覆技術越來越向智能化、自動化方向前進。國外在這方面做的比較好。從直線和旋轉的一維激光熔覆,經過X和Y兩個方向同時運動的二維熔覆,到上世紀90年代初開始向三維同時運動熔覆構造金屬零件發展。如今,已經把激光器、五軸聯動數控激光加工機、外光路系統、自動化可調合金粉末輸送系統(也可送絲)、專用CAD/CAM軟件和全過程參數檢測系統,集成構筑了閉環控制系統,直接制造出金屬零件。標志著激光熔覆技術的發展登上了新的臺階。各國在激光控制方面的研究的新成果往往都以專利的形式進行保護, 如高質量的同軸送粉熔覆系統以及閉環反饋控制系統等。國內西北工業大學、清華大學、北京工業大學、上海交通大學和中國科學院等單位在激光熔覆過程控制方面做了許多研究工作。

     

    來源:本站 時間:2014-03-01 14:36:46
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