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上交大+联赢激光 红蓝混合激光器处理高反资料成形难题

发布时间:2022-06-23 13:13:35 | 作者:华体会体育登陆入口 点击量: 8
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  铝合金因其密度低、导热性高、加工功能好、机械功能优异的长处,在航空航天和轿车范畴得到了广泛运用。可是,铝合金较低的熔点和较差的耐磨性约束了其在高耐磨和高温工况范畴的进一步运用,比方气缸、内燃机的凸轮、活塞、阀座等产品就不能用单一的铝合金制作。现在,许多人在测验运用激光熔覆工艺来完成铝合金的外表改性,比方经过在铝合金基体上熔覆镍基、铜基、铁基合金来取得更好的耐磨性和高温功能。

  在铝合金基体上熔覆镍基和铁基资料能够显着前进产品的外表硬度和耐磨性,但镍基和铁基合金的导热性十分差,这种产品并不合适内燃机和活塞等高散热要求的运用,由于堆集的热量会导致铝合金基体变形或熔化。

  铜合金具有高导热性和自润滑功能,十分有利于在保证导热性的前提下前进铝合金外表的耐高温性和耐磨性。因而,铜合金是铝合金外表熔覆的首选资料。

  可是,铝合金和铜合金对传统的1064nm波长的红外激光的吸收率极低,别离只要为∼7%和∼5%。

  运用高功率进行熔覆时,匙孔效应又不可避免。匙孔效应导致资料对激光的吸收功率剧烈动摇,激光在匙孔中的多级反射也使得飞溅现象愈加严峻,最终会导致孔隙、裂纹和未熔合等缺点。

  铝合金和铜合金对450纳米蓝色激光的吸收率可别离到达∼14.5%和∼65%。因而,蓝光激光器的展开有望战胜高反射率合金熔覆的困难。

  2018年,Tsukamoto教授团队经过调整光学组件将六台单功率为20瓦的蓝色激光器宣布的光束集合于一点,成功地将铜合金熔覆在不锈钢外表,但由于激光功率仍是处于较低的水平,所以在熔覆层内调查到了一些孔隙。高功率蓝光激光器成了阻止铜合金熔覆的首要难题。

  2019年,Tsukamoto教授团队开发了100瓦蓝色激光器,用于纯铜的SLM(选区激光熔化)增材制作。出产了致密度约97.8%的纯铜管。为了前进增材制作产品的质量,需求进一步前进蓝色激光器的功率。

  2020年,Tsukamoto教授团队将两台100瓦蓝色激光器的光束会聚到一处,成功取得了无显着孔隙和裂纹的纯铜熔覆层。可是,覆层的宽度只要620微米,覆层功率低。

  2019年,德国激光器厂商Laserline的Simon等人经过试验证明,1000瓦的蓝色激光在光斑直径为2mm的情况下,依然不能在铜基板上熔化纯铜合金。

  2020年,美国激光器厂商NUBURU Incorporated的Zediker等人运用1000瓦的蓝色激光器,将光斑直径下降到215微米,完成了纯铜和1100铝合金的熔化,并发现铜和铝的熔化深度类似。可是,小光斑(215微米)极大的约束了激光熔覆的功率。

  总归,短波长蓝色激光器在加工铜和铝等高反射率资料方面具有巨大优势。可是,低功率和小光斑约束了其在激光熔覆范畴的进一步运用。

  红-蓝混合激光能够战胜蓝色激光器的低功率密度和大功率红外激光的不安稳性性问题,有望完成高反射率资料的高效熔覆或SLM增材制作。实践上,德国激光器厂商Laserline的Simon等人,在红-蓝混合激光熔覆纯铜方面做过一些研讨,但缺少相关的微观结构和缺点剖析。

  我国的上海交通大学在这个根底之上,体系的研讨了蓝光、红光和红-蓝混合激光在铝基材上熔覆纯铜时的熔池安稳性、熔池尺度和熔覆层的微观结构。评论了不同激光的成形机理。为红-蓝混合激光在高反射率资料(如铜、金、铝等)的增材制作运用研讨奠定了理论根底。

  (1)用同轴红-蓝混合激光器在AlSi7Mg合金基板上熔覆纯铜,并比较三种光源(红外、蓝色及其混合源)的熔池安稳性、熔池尺度和微观结构。

  (2)高反金属对红外激光的吸收率低,所以加工时需求较高的功率,但高功率的激光会导致熔池安稳性较差。蓝光激光的波长较短,高反金属对其的吸收率高,但蓝色激光器的功率较低,导致零件的致密度较差。经过将高功率红外激光和低功率蓝色激光复合,能够有用处理以上两个问题。

  (3)混合激光熔覆进程中的热堆集愈加显着,冷却速度较慢(1.36×10^4 K/s),导致微结构更粗大。因而,在铝基材上覆纯铜时,混合激光构成的熔池更安稳、熔池尺度更大,这与高反射率合金总激光吸收率的大幅前进和吸收率动摇的下降密切相关。

  (1)熔覆试验是在深圳市联赢激光股份有限公司的UW-B4310M高功率红外-蓝光混合激光器上进行的,它由一个接连的3000W(1064nm)红外激光器、一个1000W(450nm)蓝光激光器和一套操控软件组成。

  (2)红外激光器发射高斯光束,光斑巨细为2.4mm。蓝色激光器发射平顶光束,光斑巨细为1.75mm。

  (5)在试验中,气体雾化纯铜粉的尺度散布规模为50至150μm,其均匀尺度为120.5μm。纯铜粉的氧含量被操控在0.013wt%以下。

  (8)在不同的激光源下,展开单道试验。试验参数见下表,其间一切样品的扫描速度(v)为60毫米/秒。

  (9)一切的试验都是在氩气的维护下进行的。氩气的流量为15升/分钟。(10)在熔覆进程中,运用了一台Revealer® X113 CMOS高速摄像机来调查熔池,其采样频率为6800 fps(帧/秒)。

  (1)红外激光功率为200瓦:由于纯铜和AlSi7Mg合金的高导热性和高激光反射率,使得能量吸收缺乏,熔覆道的熔深十分浅。在随后的运送进程中,熔覆乃至从基板上掉了下来。

  (2)跟着红外激光功率的添加,单道变得接连、均匀。在1000瓦的红外激光功率下,取得了杰出的铜/铝熔覆单道,没有缺点。

  (4)小定论:红外激光器的能量密度过高或过低不合适在AlSi7Mg衬底上覆纯铜合金。尽管能够在1000瓦时取得无缺点熔覆单道,但低激光功率约束了堆积功率。

  (1)由于铜和铝对450nm激光的吸收率较高,所以蓝色激光器将前进熔覆质量和功率,这是理论逻辑的揣度。可是,蓝光激光功率较小(1000 W)、光斑较大(1.75毫米),实践试验中并没有取得期望的冶金结合。

  (1)为了补偿大功率红外激光器和低功率蓝色激光器的构成不安稳性,运用同轴红外-蓝色混合光源将铜合金熔覆到铝基板上。

  (2)与红外激光样品比较,混合激光样品的截面和纵截面的尺度更大,样品中的孔洞缺点(20-50微米)显着缩小。

  (1)跟着纯红外激光功率从200瓦添加到2600瓦,一次枝晶臂距离(PDAS)从0.71微米添加到1.43微米。

  (2)在红外-蓝色混合激光源下,跟着红外激光功率从200瓦添加到2600瓦,PDAS从1.56微米添加到2.42微米。

  (3)混合光源下的样品的微观结构尺度大于纯红外激光器下的样品,这或许是由于凝结进程中冷却率较低导致。

  在红外激光熔覆进程中,由于金属蒸汽构成的剧烈后坐压力,构成了显着的飞溅、液滴和洼陷区。跟着激光向前移动,这些洼陷会闭兼并演变成空腔,恶化样品的力学功能。

  在纯蓝色激光工艺下,激光器向前平稳移动,没有任何粉末飞溅,这意味着蓝色激光有助于增强熔池的安稳性。可是,蓝色激光器的光斑直径大、能量密度低,导致激光能量涣散。因而,熔池的杰出和洼陷区是清楚明了的(即,未完成深熔焊)。

  (1)当运用红外激光器时,在高功率密度条件下会发生一个钥匙孔。钥匙孔的内壁经过屡次反射和吸收显着前进了激光的总吸收率。

  (2)大功率密度激光诱导的等离子体和金属蒸汽或许会吸收和散射入射激光,然后大幅下降激光的利用率。由于等离子体和蒸汽的多重反射进程十分不安稳,激光总吸收率或许会在5%的规模内大幅动摇。如此大的吸收率动摇和能量动摇使熔池中的熔化和凝结进程极端不安稳,很简略构成气孔缺点。

  (3)在金属蒸汽的效果下,熔道边际的粉末颗粒逐步集合、熔化,构成飞溅。当接近熔池时,这些颗粒被吸到熔池的顶部,与基体别离,构成液滴飞溅。这两种飞溅再彼此磕碰和熔合,构成大飞溅。

  (2)与红外激光器比较,蓝色激光器下的等离子体温度较低,电离度更低,这大大削减了入射激光器的吸收和散射。

  (3)总归,前进激光吸收率和下降能程(削减散射)十分有利于前进高反射资料熔覆单道的安稳性,蓝色激光熔覆进程的孔洞和飞溅更少。

  (1)运用混合激光器时,铜对蓝色激光的高吸收率导致合金敏捷熔化并构成洼陷区,经过洼陷区域的反射显着前进了红外激光器的吸收率。高能密度红外激光器的参加能够快速将洼陷区转变为深熔焊区。在这个深层钥匙孔中红外激光器的屡次反射添加了激光的总吸收率。因而,混合光源的总能量吸收率远高于65%(蓝光的理论吸收率)。

  (2)与纯红外激光器比较,混合激光诱导的等离子体和金属蒸汽更均匀,由于吸收率的改变较小。如此小的吸收率动摇更有利于熔池的安稳性,削减熔覆进程中的孔洞和飞溅。

  (3)此外,混合激光器总能量利用率的添加使熔覆进程中的热堆集愈加显着,凝结速度更慢,熔池尺度更大。缓慢的冷却速度也使熔池中的气体溢出更简略,然后取得无缺点的样品。

  (1)这项作业证明了红外-蓝色混合激光器在熔覆高反射率资料(如铜、金、铝等)方面的潜力,混合激光器能够扩展到其他运用,如SLM。

  (2)听说通快的碟片式绿光激光器价格不菲,深圳联赢激光的混合激光器的价格不知道,但的确让AMLetters看到了SLM范畴运用国产激光器打破高反资料成形难题的期望。

  (3)引领全球增材制作技能的德国弗劳恩霍夫试验室(Fraunhofer)的官网有这么一张图,描绘的是增材制作技能未来的展开头绪及咱们现在所在的阶段。无疑,增材制作技能现已来到了简略工业运用到广泛承受和大规模工业运用的前史交汇点,SLM等技能自身带来的商业价值还会进一步迸发,但咱们也要意识到,这些技能很快会到达瓶颈。光束整形(激光束整形:SLM的未来)、面曝光(区域打印 或将推翻SLM)、绿光、蓝光、混合光、飞翔打印(飞翔打印)等新式技能,都有或许是引发下一次技能跳动的关键。这个职业和这个国际相同,展开的太快了。不学习前进的企业和脚步慢的企业,终将被前史激流筛选,成为一朵从前汹涌的浪花。