半導(dǎo)體激光器的熔覆 - 實際狀況及展望
防腐蝕保護(hù)、修復(fù)和3D打印
文稿/德國Laserline
在最近幾年，激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得新的應(yīng)用成為可能。特別是焊接、釬焊和熱處理方面，激光器取代了工業(yè)制造中的傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法。現(xiàn)在熔覆技術(shù)方面也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。
光纖耦合半導(dǎo)體激光器作為幾乎所有熔覆應(yīng)用的理想工具，已被選定應(yīng)用在很多安裝中。堅固和緊湊的設(shè)計與均質(zhì)光斑高能量密度的組合是其能作為低成本的靈活工具的背景。這些激光器的高轉(zhuǎn)換效率既有高的經(jīng)濟(jì)效益又有助于環(huán)境的良好發(fā)展。
激光熔覆基礎(chǔ)知識
熔覆是材料加工中的通用方法。它允許組件被改變，并根據(jù)材料的性質(zhì)、幾何形狀或功能性質(zhì)方面的需要作出相應(yīng)改造。這方面的例子有抗磨損保護(hù)、維修和設(shè)計審查、以及磨損保護(hù)和非磁性部分表面的行為。
激光熔覆相比于現(xiàn)有的表層焊接方法，如熱噴涂和TIG焊接，，我們發(fā)現(xiàn)它的主要優(yōu)點是需要較少的熱量輸入，并隨后又迅速凝固結(jié)合，因此失真較少。與基材的稀釋非常好，因為顯微結(jié)構(gòu)為微粒。通過激光產(chǎn)生的涂層只需要一點點在結(jié)尾的加工，做出的表面致密、無孔，如果想要甚至可以達(dá)到硬化。
復(fù)雜的三維零件通常使用基于粉末的熔覆應(yīng)用，原因是易于操作。圖片1顯示了一個熔覆噴嘴應(yīng)用，同軸粉末供應(yīng)（左）和離軸供給作為原理（右）。該粉末通常是通過惰性氣體輸送的。
圖1:熔覆噴嘴和原理
在大多數(shù)情況下，光纖耦合半導(dǎo)體激光器高達(dá)50％的光電轉(zhuǎn)換效率均采用圓光斑和平頂能量分配。圖片2顯示的是Laserline的LDF系列焦平面（最左邊）測量到的點和其他為大范圍和特殊情況下（左到右）來建立一個熔覆斑點的選擇。
圖2：從Laserline的LDF系的圓形和矩形光斑點
Laserline半導(dǎo)體激光器的光纖耦合使得應(yīng)對背反射有更靈活的光斑設(shè)計。和非光纖耦合激光器相比,該激光器更不易被灰塵，污垢和粉末覆蓋。直接半導(dǎo)體激光器需要維修，在一個具有維修的需要的，這些也需要工具中心點的校準(zhǔn)。另外使用一根光纖使激光頭沒有振動，當(dāng)二極管老化并不會影響到光斑形狀。在最近幾年已經(jīng)觀察到，來自工件太多背反射會使直接半導(dǎo)體激光器失效。
修復(fù)焊接
大部件的修復(fù)工作，數(shù)千瓦范圍內(nèi)的高功率半導(dǎo)體激光器被用于大范圍粉末焊接，并具有較高的速度。熔覆區(qū)域的典型寬度為3至12毫米，一次熔覆厚度范圍從0.3至1.5mm。焊接速度范圍為1至3米/分鐘。該粉末的效率一般在95 ％的范圍。舉例說，6千瓦激光器可以在一小時內(nèi)焊接4公斤鉻鎳鐵合金625 。
圖像3顯示了一個壓縮機(jī)單元的傳動軸的修復(fù)過程。有軸承部分（a）有明顯的磨損區(qū)域。激光熔覆工藝（b-c）有助于重建材料在磨損區(qū)域，在制造加工后部件煥然一新（d）。損壞部件被帶回與少量材料和能量作用。
圖3：修復(fù)軸承和壓縮機(jī)(來源: TM Comas)
使用這種方法，高應(yīng)力和昂貴的部件可以環(huán)保地與經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行返工。所以礦山、船舶、石油和天然氣、石油化工和交通運輸?shù)刃袠I(yè)的零件往往在可以在加工車間和設(shè)施改造車間看到。外徑旁邊（OD）熔覆，激光器也可以在內(nèi)徑（ID）進(jìn)行熔覆。圖片4顯示了這樣的應(yīng)用。
圖4：內(nèi)徑熔覆(來源: Nutech GmbH)
防腐蝕和磨損保護(hù)
為了保護(hù)金屬部件免受磨損和腐蝕，一般都采用不同的技術(shù)。熱涂層像火焰、等離子噴涂通常用于更大范圍的薄層。這是防止過高的能量輸入基材。主要消極點是涂層對基材的純機(jī)械粘合。此外，該層是不致密，而是非常多孔的。不在一個面積較大的機(jī)械上，這些涂料常常失效，將剝落或成片。其他常規(guī)方法用于焊接像MIG /MAG/TIG（弧焊）產(chǎn)生非常高的能量輸入。后者常常導(dǎo)致失真。對那些傳統(tǒng)的方法存在的缺點還包括自動化或不符合客戶需求。表1給出了一些涂層技術(shù)的概述。
表1:涂層技術(shù)對比(來源: Fraunhofer IPT)
與此傳統(tǒng)方法相反，激光相關(guān)的應(yīng)用具有基體材料和涂覆材料之間的真正的冶金結(jié)合。熱影響區(qū)非常小。用激光進(jìn)行熱噴涂，有較少的孔，更高的粉末效率，一種基于激光的更大的腐蝕保護(hù)方法。
所使用的粉末可以是任何能夠被焊接的金屬。在試驗中，以及在與科研院所專家、或激光公司和系統(tǒng)制造商的討論中，發(fā)現(xiàn)了最適用的材料或合金。最常見的粉末是鎳、鈷、鐵基，可能會包含一些抗磨陶瓷，如碳化鎢。
接下來的首要目標(biāo)，是保護(hù)部件免受磨損和破裂，特別在石油和天然氣、采礦和運土等特定行業(yè)，可以很好的實施。鉆頭可以成形以特定的方式，并確保在鉆探和開采中沒有火花，零件在深孔鉆時往往需要有無磁性表面涂層，不會干擾到鉆井裝置中的傳感器和其它特定部件。舉例說明，圖5顯示的是用鎢碳化物系陶瓷的鎳基合金建立的最高磨損保護(hù)的軸熔覆。
圖5: 鎳矩陣碳化鎢熔覆工具(來源:Fraunhofer CCL)
增材制造
有幾種技術(shù)用于從粉末或線材產(chǎn)生一個部件。粉末的加工由惰性氣體攜帶通過一個噴嘴，通常被稱為直接金屬沉積或激光金屬沉積（LMD）。另一個基于激光的方法是選擇性激光熔化（SLM），其中一個非常小的激光束在粉末床上創(chuàng)建部件。SLM非常適用于小型和精確的零件，但花費的時間比LMD更長。聽了近期的會議或談話告訴最終用戶和激光公司，LMD正在獲得越來越多的份額，尤其是在一些非常有趣的商業(yè)案例。材料的建造中只有很少的損耗，幾乎不需要返工，被認(rèn)為是近凈成形制造。
一個非常有趣的方法是激光及其工作頭與噴嘴集成到一個加工中心。增材（通過激光）和減材（通過機(jī)械加工）的加工組合給制造帶來一種新的方法。一個例子是，一個具有2.5千瓦半導(dǎo)體激光器五軸銑床的組合。這是看不見的，因為極其緊湊的光纖耦合半導(dǎo)體激光器，在橫截面創(chuàng)建部件。這使得部件的制造中不會產(chǎn)生不應(yīng)該的固體材料塊。激光產(chǎn)生部件，使用所要求的材料特性的粉末，最終加工成符合要求的形狀和精度，并且是夾緊生成;沒有必要重新測量。有任何切邊或背部錐度的新設(shè)計是可以想象的。設(shè)計師能想到零件在汽車、航空航天、通用制造、機(jī)械加工等方面的新方法。空心型部件成為輕量但強大的有前途的組件。材料不是限制因素。任何鋼、鐵、鎳、鈷，包括黃銅和鈦合金都可以用于增材制造。
最近進(jìn)行的比較另外地表明，LDM零件可以比SLM過程快10倍。圖片6顯示了激光產(chǎn)生的部件，由不銹鋼粉末創(chuàng)建，并在相同的五軸機(jī)床的銑削和加工而成。它是一個在同一臺機(jī)器上使用使用增材和減材的方法。
圖6:激光增材制造部件(來源: DMG MoriSeiki)
總結(jié)和展望
總的而言，熔覆是生產(chǎn)、修復(fù)和性能改造的一種多用途的材料處理方法。高層次的自動化在幾乎所有的應(yīng)用組合中能夠提高生產(chǎn)率、節(jié)約能源、材料和最終的成本。推出更高效率和更高輸出功率的激光器，Laserline公司正在參與這個市場，并在中國的市場提供激光器和配件方面的量身定制的解決方案。使用20KW功率半導(dǎo)體激光器，提供近2 m2/小時的涂層區(qū)域效率。粉末用量在弗勞恩霍夫研究中心被證明是接近到15kg/小時。
下一步提高純數(shù)字的熔覆應(yīng)用，更高的集成到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)是另一個積極的態(tài)度和展望。這將使我們能夠制造零件，而在幾年前我們完全沒想到。
（本文翻譯：Johnny Lee）
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