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激光熔覆
半导体激光熔覆推动机械制造领域重大技术革命
材料来源:互联网           录入时间:2012-5-30 14:51:37

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷,是一种新的表面改性技术。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,在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体成冶金结合的表面涂层,显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法,从而达到表面改性或修复的目的,既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比,激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点,因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

在煤炭综采领域,液压支架、采煤机、掘进机、刨煤机等被广泛应用,其关键部件如液压支架液压油杆,采煤机、掘进机、刨煤机上用截齿是更换量最大的煤矿机械零件之一,为了提高使用寿命,需要对这些关键部件进行表面熔覆处理。通过激光熔覆修复处理,可大大提高基体表面耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化及抗疲劳特性。因此,液压支架、截齿的使用寿命能够大大提高。

北京飞虹激光科技有限公司针对煤炭行业研发、生产出的大功率半导体激光熔覆系统具有以下特点:

  (1)能量注入可控;

  (2)冷却速度快,热畸变小;

  (3)成分,厚度,稀释率可控;

  (4)组织细密,性能好;

  (5)节省高性能材料;

  (6)易于自动化,一致性好。

与第一代CO2激光器、第二代YAG激光器相比较,北京飞虹激光科技有限公司研发生产的大功率半导体激光器具有体积小、效率高、免维护的优点,在激光熔覆领域具备以下优势:

  1、整机功耗小,节约能源

以3KW半导体激光器为例,整机消耗电能9KW,包含水冷机、激光电源、控制系统用电,插头效率33%,光电转化效率37.5%,每日双班生产16小时运行费用中电费就需要(工业电按0.8元/度)¥115.2元,与横流CO2激光器相比每天节约的电能费用为¥1200余元。

  2、产生激光无需更换耗材

半导体激光器产生激光的原理是利用量子阱技术将电子和空穴在有源区复合经过增益输出激光光束,整个过程无需更换产生激光的泵浦源耗材,能量转换环节最少,是目前各种激光器类型中效率最高的激光器。

  3、激光功率波动

半导体激光器产生激光原理为固体材料物质受激发产生激光,因此不存在气体激光器的工作介质不均匀的问题,功率波动<2%,在千瓦级输出状态下可以保证激光熔覆及相变硬化的一致性。

  4、金属吸收率高

半导体激光器的激光输出波长为近红外,激光波长约1微米左右,金属材料在此波段有较高的吸收率。钢对半导体激光的吸收率在70%左右,比CO2激光器高十倍左右。在激光熔覆或相变硬化应用中,不需要涂抹墨水等吸收剂。

  5、体积小巧,使用灵活方便,不存在焦点漂移现象

以3KW半导体激光器为例,激光器机头尺寸为(长*宽*高)0.42米*0.17米*0.13米,水冷机尺寸为(长*宽*高)0.86米*0.71米*1.25米,占地面积小于1平米,激光器机头直接悬挂于机床运动机构上,激光器随激光运动机构一起移动,因此不存在焦点偏移问题。

 6、光斑尺寸适合应用于大面积激光熔覆

应用于大面积熔覆及表面硬化的半导体激光器的光斑尺寸典型值为20mm*1mm,其单道熔覆的轨迹宽度为横流CO2激光器的5倍,因此可以有效提高熔覆效率,缩短大型工件的熔覆修复时间。

  7、维护方便

半导体激光系统主要由激光器机头、电源系统、水冷系统、控制系统组成,由于光电转化效率高,因此对电源和水冷机系统的要求较低,不需要大功率的电源与水冷系统,因此维护便捷。半导体激光器不存在谐振腔失调的问题,因此对于激光光路系统免维护。


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