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      藍光半導體激光器在銅上熔覆銅的工藝實踐
      材料來源:KCTII硬科院           錄入時間:2024/4/12 22:06:43

      激光熔覆

      激光熔覆(Laser Cladding)亦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合的添料熔覆層,可用于金屬材料的表面強化、缺陷修復。

      01  銅上熔覆銅工藝簡介

      銅和銅合金由于具備優良的導電、導熱性能,在軍工、冶金、海洋裝備以及航空航天等眾多領域得到廣泛應用。這些領域的服役環境通常比較嚴苛,因此對銅件的性能提出了更高的要求,例如要求高強度高導電性的電磁炮導軌,要求高耐磨耐熱性的連鑄結晶器、銅軋輥等。

      采用激光熔覆的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能、耐磨性能和機械強度,提高其使用壽命。同時,對于在惡劣服役環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再制造。

      銅上熔覆銅工藝具有以下優點:

      01 提高耐腐蝕性能

      通過在銅基材料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。

      02 提高導電性能

      銅是優良的導電材料,覆蓋銅層可以提高材料的導電性能,適用于需要良好導電性能的應用領域。

      03 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定性。

      04 修復表面缺陷

      銅上熔覆銅工藝可以用于修復銅基材料表面的缺陷或損傷,使表面恢復平整并提高外觀質量。

      05 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。

      06 環保節能

      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境影響,符合環保要求。

      02  銅上熔覆銅工藝難點

      對于常規的1um左右波長的紅外激光而言,采用激光熔覆進行類似銅、鋁或金這類高反金屬的加工時具有很大的挑戰。過低的激光吸收率(~5%)使得必須采用高功率的激光器才能在銅材表面形成熔池,但同時也會造成加工時熔池不穩定并產生飛濺,容易形成具有大量孔洞缺陷的低質量熔覆層,而紫銅超高的熱導率加劇了這一問題的產生。因此,采用紅外激光難以在紫銅基板上有效形成高質量的銅熔覆層。

      圖1  吸收率曲線

      藍光激光器在銅加工時表現結果優異,可達到高至50%以上的吸收率。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體激光器功率還不高,主要集中在1000~2000W左右,對于一些大尺寸的銅部件的熔覆還難以獲得高效、高質量的熔覆效果。

      03 廣東硬科院3500W藍光激光器助力銅上熔覆銅工藝

      為了解決大尺寸的銅部件的表面熔覆難題,廣東硬科院重磅推出3500W藍光激光器,型號BLD-455-3500。該款激光器的激光束以自由空間的方式輸出,矩形光斑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,電光效率高。激光波長為455±10nm,功率連續可調,最大輸出功率高于3500W,可以應用于有色金屬熔覆、淬火等領域,更大程度提高加工效率和加工質量。

      圖2 BLD-455-3500自由輸出藍光半導體激光器

      我們采用BLD-455-3500藍光激光器搭建熔覆裝置,同時進行了紫銅基板表面熔覆紫銅粉末的測試。

      圖3 BLD-455-3500藍光激光器搭建機器人熔覆裝置

      通過「圖4 紫銅熔覆成型樣品」可以看到:無論是單層熔覆還是多層熔覆,該熔覆裝置都能獲得均勻、美觀的熔覆層。

      圖4 紫銅熔覆成型樣品

      通過「圖5 熔覆層金相」檢測圖,可以看到:熔覆層與基板形成了非常好的冶金結合,未發現明顯的未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。

      圖5 熔覆層金相

      04 結語

      得益于廣東硬科院3500W高功率藍光半導體激光器的成功開發,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紫銅基板表面紫銅、青銅等銅合金粉末的熔覆,有望為業界帶來新的機遇。

      轉自:KCTII硬科院

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