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激光系統的熔覆應用

2018-10-09 返回列表

激光系統的熔覆應用



再制造產業是指在原有產業基礎上,將廢舊產品利用技術手段進行修復和改造的一種產業。它是以產品全壽命周期理論為指導,以實現廢舊產品性能提升為目標的一種產業。

熔覆(Cladding)屬于再制造領域的關鍵技術。熔覆技術廣泛應用于冶金、石化、電力、能源、交通、軍工、輕工、磨具、機械制造、煤機、農機、水泥等諸多行業。典型應用包括:

1)渦輪動力設備修復和改造;

2)高載荷、低轉速、高精度、高合金零部件的修復和強化;

3)汽車覆蓋件大型模具激光修復;

4)礦山機械零件的激光強化與修復;

熔覆可以改善材料表面的性質。根據不同的工業應用,熔覆可以使材料變得耐磨,耐腐蝕,耐熱等。硬化(Hardening)只是改變了基體材料表面薄層性質,相對而言,熔覆產生了完全不同于基體材料的新表面層。目前有多種方法實現熔覆,每種方法各有特點。但從質量、產量、兼容性及性價比等多方面綜合考慮,激光熔覆(Laser Cladding)正越來越受到市場認可。由于激光能量集中,激光熔覆僅僅融化“基體材料的表面”和“覆層材料(Clad Material)”。激光熔覆產生的覆層質量很高。覆層材料空隙少,表面均勻。激光熔覆僅在特定部位注入特定能量,實現了對工藝參數的精確控制,省略后處理過程。減少熔融體,避免材料浪費。避免了基體材料的硬化。另外,伴隨激光熔覆的自然淬火過程也使得熔覆材料更加致密。

 

1:德國DILAS直接輸出激光系統的熔覆應用實例

覆層材料可以是線狀,帶狀或者粉末狀。由于待熔覆區域通常遠大于光斑,光束總是沿著某個方向掃描工件表面。采用線狀或者帶狀覆層材料時,光斑的短軸方向與光束掃描方向垂直。采用粉末狀覆層材料時,光斑的長軸方向與光束掃描方向垂直。

激光熔覆的工藝參數主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度等。激光熔覆各參數之間相互影響,是一個非常復雜的過程。通常來說,激光功率越高,熔覆層厚度越大,熔覆材料利用率越高。但激光功率也不能過高,因為激光功率越高,熔覆材料產生氣孔的概率也越大。

 

2:德國DILAS 3kW直接輸出激光系統

當熔覆層深度達到極限深度后,隨著功率提高,基體表面溫度升高,變形和開裂現象也會加劇。當然,激光功率也不能過低,否則僅表面涂層融化,基體未熔,此時熔覆層表面出現局部起球、空洞等,達不到熔覆目的。為了得到最佳熔覆效果,客戶需要根據具體應用反復摸索相關參數。

 

3a):德國DILAS3kW直接輸出激光系統——線型(Line)光斑(14mm*2.5mm3D能量分布

 

 

3b):德國DILAS3kW直接輸出激光系統——線型(Line)光斑(14mm*2.5mm)快軸(Fast Axis)能量分布

  

3c):德國DILAS3kW直接輸出激光系統——線型(Line)光斑(14mm*2.5mm)慢軸(Slow Axis)能量分布。

目前市場上激光器種類繁多,哪種激光器更適合激光熔覆呢?氣體激光器由于體積大、能耗高等原因,其市場應用正在逐步縮小。光纖激光器和碟片激光器雖然光束質量優異,但是熔覆硬化之類的表面熱處理應用對光束質量的要求并不高,半導體激光器的光束質量足以勝任。此外,半導體激光器直接實現電光轉換,整體效率高達50%以上。而固體激光器、光纖激光器和碟片激光器都需要半導體激光器作為光泵浦源,無論光光轉換效率多高,整體效率仍然遜色于半導體激光器。從體積、能耗、光束質量等各方面綜合考慮,半導體激光器是激光熔覆的首選。

DILAS1994年成立于德國美因茲,是一家專注于半導體激光領域整整20年的公司。也是全球唯一在德國、美國和中國都建有生產基地的高功率半導體激光公司。DILAS團隊負責產品研發、設計和制造的各個環節,來自德國的卓越工藝與先進技術保證了其產品的可靠與穩定,即使面對惡劣復雜的應用環境仍能擁有出色的表現。

作為激光熔覆、激光硬化等應用領域的領先者,DILAS積累了豐富的行業經驗,其產品結構緊湊,性能優異,是表面熱處理應用的首選方案。

DILAS近幾年推出的3kW直接輸出激光系統深受市場好評。該款激光器體積僅220mm×237mm×410mm,客戶可以靈活地將其置于各類機械臂上。由于內部配備了先進的控制系統,該款激光器可以提供多種模擬/數字接口,包括CANopen接口,BUS接口,網線接口等,為客戶后期的系統集成帶來極大便利。除了980nm主波長,該款激光器也提供650nm紅色指示光束,易于定位加工區域。該款激光器的工作距離330mm。標準光斑形狀可以是3mm*3mm,也可以是14mm*2.5mm。前者適合小區域的精加工,后者更適合大范圍的掃描。該款激光器的鏡頭組可以在無塵室中拆卸更換。

 

4:德國DILAS6kW直接輸出激光系統

當客戶工藝發生改變時,DILAS可以為客戶定制其他光斑形狀的鏡頭組。通過優異的光束整形技術,該款激光器光斑強度呈平頂(Top Hat)分布,其均勻度在快慢軸方向均超過85%,從而可以在加工表面實現均勻一致的熔覆效果。

熔覆硬化之類的表面熱處理應用中,工件表面會產生大量的濺射物、煙塵和背反射光。得益于多年的行業經驗,DILAS推出了多項措施保護直接輸出激光頭的安全:DILAS激光頭內部集成了背反射光傳感器,當背反射光功率超過設定閾值后,傳感器將發送報警信號給激光控制單元,及時關閉電源。

 

5:德國DILAS6kW光纖耦合輸出系統(1000μm, 0.22 NA

DILAS的鏡頭組內包含了可更換的保護窗片,可以有效防止濺射物對鏡頭組內昂貴鏡片的直接損傷。保護窗片上被濺射物污染的區域會吸收激光能量,導致局部溫度快速升高,進而損壞窗片表面的防反光涂層。防反光涂層損壞后,部分激光能量將反射回激光頭內部,導致激光核心元件損壞。因此定期檢查清潔保護窗片,并在適當情況下更換窗片是必須的。

在應用系統中加裝橫向氣簾裝置,用壓縮氣體吹走熱處理過程中的顆粒物,防止其落在保護窗片表面上。還可以加裝排煙裝置,及時吸走熱處理過程中的廢氣和煙塵。

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