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激光熔覆 |
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激光熔覆（Laser Cladding)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，並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。 基本信息 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塗層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固後形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面塗層，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、噴塗、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織緻密、塗層與基體結合好、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，其主要應用於兩個方面：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，修復後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的製造成本，縮短4/5的製造週期。 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、碳化鎢複合材料。其中，又以鎳基材料應用最多，與鈷基材料相比，其價格便宜。 工藝設備原理 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於基材表面的熔覆部位，然後採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，有的也採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---後熱處理。 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---後熱處理。 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、預熱和後熱處理。 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、加工工作台等。 激光器的選用：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、造船工業、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。約佔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採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採用笨重的冷卻系統，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，固體激光器(光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器）具有以下優點： (1) 轉換效率高：由於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盪模式相匹配，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於閃光燈，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，尤其適用於大規模生產線。 (3) 輸出光束質量好：由於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。 （4）速度快、深度大、無變形、熔覆層無夾渣、熔池細膩無氣孔。 （5）可以在室溫或者特殊的條件下進行工作，比如激光經過磁場之後光束不會發生偏轉嗎，在真空情況下都能夠進行使用，通過玻璃和透明的材料進行熔覆。 （6）可進行薄壁激光熔覆[1]，基體無變形。 但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，則光纖激光器、二極管激光器由於其自身設計的特點，就顯得不太適合了，而碟片激光器則比較適合焊接（包括熔覆）、切割反射率比較高的材料。 工藝參數 激光熔覆的工藝參數主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預熱溫度等。這些參數對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的緻密性等有很大影響。各參數之間也相互影響，是一個非常複雜的過程，須採用合理的控制方法將這些參數控制在激光熔覆工藝允許的範圍內。 [2] |
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