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高平整激光熔覆涂層使用圓光斑?還是使用矩形光斑?熔覆激光器

2022-09-22 19:31   來源: 互聯(lián)網(wǎng)
      激光熔覆是利用高能激光將金屬粉末和金屬基體表面同時(shí)熔化并冷卻凝固,從而在金屬基體表面形成一種合金涂層。該涂層與基體表面為冶金結(jié)合,具有很好的防腐、耐磨、耐高溫特性。
      絕大多數(shù)工業(yè)用戶在激光熔覆時(shí),都希望熔覆涂層的表面有較高的平整度。表面越平整,后續(xù)磨拋加工量越少,越節(jié)省金屬粉末,生產(chǎn)成本就越低。實(shí)際工作中,激光熔覆涂層是由多道熔覆疊加而成的,激光熔覆涂層平整度主要受單道熔覆的平整度、單道熔覆的厚度以及相鄰兩道熔覆之間的搭接率三個(gè)因素影響。
由于液態(tài)金屬的表面張力和潤濕性的共同作用,當(dāng)單道熔覆寬度較小時(shí)(使用3mm-5mm的圓光斑 ),熔道表面是凸面而不是平面;當(dāng)單道熔覆寬度較大時(shí)(使用10mm-30mm的矩形光斑),由于送粉均勻性和光斑強(qiáng)度均勻性等因素的影響,單道熔覆層也不是一個(gè)理想的平面。   
      激光熔覆時(shí),相鄰熔道必須有一定的重疊量,也就是說相鄰熔道存在搭接,如圖1所示。圖中,W為單道熔覆寬度,D為搭接寬度。D與W的比值
                                                      R=D/W×100%,
稱為搭接率,R表示相鄰熔覆道間的搭接程度。圖1 中d被稱為步進(jìn),也就是每熔覆一道前進(jìn)的距離。如果使用步進(jìn)d,搭接率可表示為

                                                     R=(W-d)/W×100%

從上式可以看出,步距越小,搭接率越大,也就是相鄰熔道的重疊量越大。

             

                                                              圖1  熔道搭接示意圖
      若使用矩形光斑,搭接率一般小于50%,搭接率太大會(huì)影響熔覆效率。如果搭接率為50%,理論上可以避免涂層的搭接起伏。如果搭接率小于50%,相鄰熔道之間搭接肯定會(huì)引起涂層厚度的波動(dòng)。假設(shè)激光熔覆單道熔覆層厚度為1mm,那么涂層最薄處厚度為1mm,最厚處理論上大約為2mm(實(shí)際會(huì)小一些),因此長矩形光斑理論上無法實(shí)現(xiàn)熔覆涂層較高的平整度。
       要實(shí)現(xiàn)較高的平整度,必須采用3-5mm的圓光斑。使用3-5mm圓光斑制備熔覆涂層,其過程與矩形光斑的工作原理截然不同。矩形光斑是通過單層(最多2層)達(dá)到需要的熔覆厚度,而3-5mm圓光斑的熔覆厚度是通過多層疊加實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)熔覆光斑為5mm,步進(jìn)為1mm(搭接率為80%),假設(shè)最終涂層的厚度為1mm,這個(gè)1mm的涂層實(shí)際上是由5層厚度為0.2毫米熔道疊加而成的。這是小圓光斑激光熔覆與矩形光斑激光熔覆的重大差別。通過3-5mm圓光斑激光熔覆可以實(shí)現(xiàn)較高的平整度(10微米以下)。圖2為中科中美3-5mm圓光斑高速激光熔覆涂層平整度的檢測結(jié)果,平整度達(dá)到Ra5-6um。


                                                               圖2 高速激光熔覆層平整度檢測
      通過以上分析可以得出如下結(jié)論:熔覆光斑形狀尺寸決定著熔覆涂層的制備過程。3-5mm圓光斑的熔覆過程搭接率較高,通過多層熔覆層疊加達(dá)到需要的熔覆厚度,這是實(shí)現(xiàn)較高平整度涂層的最佳方式。

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