激光熔覆

激光熔覆（Laser Cladding）亦称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层，可用于金属材料的表面强化、缺陷修复。

01  铜上熔覆铜工艺简介

铜和铜合金由于具备优良的导电、导热性能，在军工、冶金、海洋装备以及航空航天等众多领域得到广泛应用。这些领域的服役环境通常比较严苛，因此对铜件的性能提出了更高的要求，例如要求高强度高导电性的电磁炮导轨，要求高耐磨耐热性的连铸结晶器、铜轧辊等。

采用激光熔覆的方法在铜基材表面熔覆一层紫铜或铜合金，可以大大提高铜基材料的耐腐蚀性能、耐磨性能和机械强度，提高其使用寿命。同时，对于在恶劣服役环境下造成缺陷的铜工件，也可以采用激光熔覆的方法进行修复再制造。

铜上熔覆铜工艺具有以下优点：

01 提高耐腐蚀性能

通过在铜基材料表面覆盖一层铜或铜合金，可以有效防止氧化和腐蚀，延长材料的使用寿命。

02 提高导电性能

铜是优良的导电材料，覆盖铜层可以提高材料的导电性能，适用于需要良好导电性能的应用领域。

03 增强机械强度

覆盖铜合金层可以增加材料的机械强度和耐磨性，提高材料的耐久性和稳定性。

04 修复表面缺陷

铜上熔覆铜工艺可以用于修复铜基材料表面的缺陷或损伤，使表面恢复平整并提高外观质量。

05 适用范围广泛

铜上熔覆铜工艺适用于各种形状和尺寸的铜基材料，可以定制覆盖层厚度和形状以满足不同需求。

06 环保节能

相比其他表面处理方法，铜上熔覆铜工艺通常具有较高的能效比和较低的环境影响，符合环保要求。

02  铜上熔覆铜工艺难点

对于常规的1um左右波长的红外激光而言，采用激光熔覆进行类似铜、铝或金这类高反金属的加工时具有很大的挑战。过低的激光吸收率（~5%）使得必须采用高功率的激光器才能在铜材表面形成熔池，但同时也会造成加工时熔池不稳定并产生飞溅，容易形成具有大量孔洞缺陷的低质量熔覆层，而紫铜超高的热导率加剧了这一问题的产生。因此，采用红外激光难以在紫铜基板上有效形成高质量的铜熔覆层。

图1  吸收率曲线

蓝光激光器在铜加工时表现结果优异，可达到高至50%以上的吸收率。因此，采用蓝光激光器可以有效解决紫铜表面熔覆的问题。但目前市面上的蓝光半导体激光器功率还不高，主要集中在1000~2000W左右，对于一些大尺寸的铜部件的熔覆还难以获得高效、高质量的熔覆效果。

03 广东硬科院3500W蓝光激光器助力铜上熔覆铜工艺

为了解决大尺寸的铜部件的表面熔覆难题，广东硬科院重磅推出3500W蓝光激光器，型号BLD-455-3500。该款激光器的激光束以自由空间的方式输出，矩形光斑可以直接作用于材料表面，不需要额外的光纤或激光加工头输出，电光效率高。激光波长为455±10nm，功率连续可调，最大输出功率高于3500W，可以应用于有色金属熔覆、淬火等领域，更大程度提高加工效率和加工质量。

图2 BLD-455-3500自由输出蓝光半导体激光器

我们采用BLD-455-3500蓝光激光器搭建熔覆装置，同时进行了紫铜基板表面熔覆紫铜粉末的测试。

图3 BLD-455-3500蓝光激光器搭建机器人熔覆装置

通过「图4 紫铜熔覆成型样品」可以看到：无论是单层熔覆还是多层熔覆，该熔覆装置都能获得均匀、美观的熔覆层。

图4 紫铜熔覆成型样品

通过「图5 熔覆层金相」检测图，可以看到：熔覆层与基板形成了非常好的冶金结合，未发现明显的未熔合、气孔、裂纹等缺陷。

图5 熔覆层金相

04 结语

得益于广东硬科院3500W高功率蓝光半导体激光器的成功开发，大尺寸铜部件表面熔覆铜材的难题迎刃而解。采用BLD-455-3500蓝光激光器搭建的熔覆装置可以实现紫铜基板表面紫铜、青铜等铜合金粉末的熔覆，有望为业界带来新的机遇。

转自：KCTII硬科院

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