激光熔融技术及其工业案例

作者：Steen Erik Nielsen

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 你将如何处理昂贵的机器部件上的破损或腐蚀的表面，怎样以合理的费用修复，以便尽快恢复 生产？生产经理时常会为这个问题感到困扰。我们需要买一个新的部件吗？相关的价格和交货期如何？选择修复是现实可行的选择吗？ 丹麦的FORCE技术公司研发出了一种激光熔融技术，可以用在很多行业，是解决以上问题的可行办法，它不仅是一种修复技术，同时也可用于制造新的部件。 激光表面处理 利用激光对工业部件进行表面处理，已有一系列成熟的工艺，比如相变硬化和激光熔覆。激光熔覆工艺主要用于生成特定的抗磨损和耐腐蚀的表面。基于激光技术的表面处理技术非常有用，因为在加工过程中只产生有限的且可控制的热量，并能形成高质量的薄涂层，同时最大化地降低了部件的热变形。这些激光加工过程是全自动的，节省成本，与使用TIG或MIG/MAG的传统表面处理技术相比具有明显优势。 激光表面处理的应用领域非常广阔，包括： ● 汽车、航空、船舶发动机部件； ● 食品加工设备； ● 医疗设施和生产设备； ● 钻孔工具以及用于石油开采行业的相关部件； ● 轻质部件； ● 涡轮叶片； ● 金属成形工具； ● 模具； ● 印刷和纸张加工设备； ● 切割工具。 尽管激光加工已经发展了许多年，但直到近来它才开始引起广泛关注，这主要归功于新的、更加稳定的高功率激光器的诞生，以及更加稳定的辅助设备，例如特殊设计的光学元件。另外，稳定的设备价格也让这些先进的加工技术在行业竞争中更具优势。 激光熔融技术 丹麦FORCE技术公司研发的激光熔融技术基于将材料预先覆盖在元件表面的加工过程。该预先覆盖工序是通过合适的热喷涂技术来完成，比如等离子喷涂或高速氧燃料（HVOF）。该涂层材料在喷涂时通常作为细粒粉末而存在。在惰性气体环境中通过直流放电使粉末融化，以高速吹起，使其附着在需要处理的元件表面。 热喷涂表面涂层的特点是渗透性，以及能与表面很好地融合（图1a）。当激光束进行熔化/熔合时，涂层会产生同质化，从而密封/焊接到表面（见图1b）。在这种状态下，涂层牢固，没有孔隙度，与母材之间的稀释程度非常低（10%-15%）。如果需要的话，为了稀释或获取特定的化学组份，可以在喷涂的基础粉末中添加额外的合金元素。 为了熔化/熔合热喷涂涂层，通常激光束通过重叠路径模式扫描表面。与标准的激光熔覆过程相比，该方式可以在25-30毫米范围的宽轨道上进行加工，从而在加工更大的元件时可以实现更高的生产力，成本也更加经济。 加工路径之内，可以考虑使用不同的光学手段用来实现所要求的均匀能量分布的。另外，传统的高速光束扫描，或特定的基于镜片的线性聚焦单元可能更合适。 常用的耐磨和防腐蚀涂层是含钴的材料，例如司太立合金（Stellite）。非常坚硬的镍基涂层（例如碳化钨硬质合金）也是工业常用的。对于抗热和防腐蚀涂层，常用Inconel合金。典型的这些材料是自熔性合金并含有硅和硼，从而降低了它们的熔点。Dolloro Stellite、Pac、Hoeganas和Colmonoy等公司供应这样的合金。 应用于工业部件的案例 如前所述，激光熔融技术是一项完美的修复技术。图2展示了某发电厂的一个钢材部件，它因磨损而导致直径超出直径公差约0.2毫米——达到足以丢弃该部件的程度。这个200毫米直径的轴被清洁、喷砂、重新涂上司太立材料，并利用激光熔融技术做处理。整个表面处理的过程是以重叠路径在螺旋运动中完成。这意味着后续机加工仅需要去除微小的材料。实际上，激光熔融表面处理只需要珩磨或抛光就能得到镜面一般的表面质量。通过这样的方式，能以最节省的成本在最短的时间内修复出几乎崭新的部件。 图3所展示的是轮船发动机活塞槽的修复过程，这是存在多年的难题。其挑战性在于如何通过将活塞槽的磨损转移到活塞环部件上，以延长活塞槽的使用寿命，在水平槽表面喷涂上一种抗磨损材料之后，再应用激光熔融工艺。在更大半径的活塞上，比如半径为1000毫米时，活塞槽的表面大约有22毫米宽。该激光处理过程是一站式完成的。已经有大量的活塞被安装于轮船发动机中，并在真实条件下得到了长期的测试证明。 多年来，食品加工设备的表面处理都是一个热门的话题，焦点主要集中在食品健康和安全上，例如，如何降低非安全材料进入食物的风险。金属表面同食品直接接触的情况正引起人们关注。 图4显示了长1500毫米、直径180毫米的钢管，其内部经过喷涂和激光熔融。这个钢管是刮板式热交换器的主要部件，主要用在食品加工业。许多食品，如油、牛奶、黄油、人造植物油、冰淇淋、番茄酱或其它酱类，都是在这个部件上生产的。表面涂层是司太立合金，具有很好的防磨损和抗腐蚀功能。这种涂层是电解镀锌铬涂层的改良版，之前由于在初始涂层中会出现微裂纹，会导致出现磨损和腐蚀。经过激光熔融技术处理的低碳钢管保持着良好的冷却能力，得益于其最终表面涂层厚度小于0.3毫米。 激光熔融技术还适用于多层加工，多层相同或不同的涂层材料能有效地熔合在一起。这种加工方式有以下优点：可以生产更厚的涂层，也可以生产不同金属的夹心层，还可以完成定制金属组合的复合层，对表面的修复能方便地通过等离子喷涂结合激光熔融在几个步骤内完成。 上述的几个工业案例只是激光熔融技术发挥潜力的少数例子。FORCE技术公司仍在持续研发激光熔融技术。另一家工业企业出于对该技术的极大兴趣，已经同FORCE公司展开了紧密的合作。激光熔融过程得到了优化，可以根据实际工件定制工艺，并根据工件加工条件选择最佳的涂层材料。 激光熔融技术已经证明了其巨大的潜力，毫无疑问，未来将在众多现有的工业表面涂层技术中保持重要的角色。 本文作者Steen Erik Nielsen (sen@force.dk)来自丹麦FORCE技术公司（www.force.dk）。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/18/2010)