文/廣東粵港澳大灣區(qū)硬科技創(chuàng)新研究院

激光熔覆（Laser Cladding），也稱激光熔敷或激光包覆，它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成冶金結合的添料熔覆層，可用于金屬材料的表面強化、缺陷修復。

銅上熔覆銅工藝簡介

銅和銅合金由于具備優(yōu)良的導電、導熱性能，在軍工、冶金、海洋裝備以及航空航天等眾多領域得到廣泛應用。這些領域的服役環(huán)境通常比較嚴苛，因此對銅件的性能提出了更高要求，例如要求高強度、高導電性的電磁炮導軌，要求高耐磨、高耐熱性的連鑄結晶器、銅軋輥等。

采用激光熔覆方法在銅基材表面熔覆一層紫銅或銅合金，可以大大提高銅基材料的耐腐蝕性、耐磨性和機械強度，提高其使用壽命。同時，對于在惡劣服役環(huán)境下造成缺陷的銅工件，也可以采用激光熔覆的方法進行修復再制造。

銅上熔覆銅工藝具有以下優(yōu)點：

（1）提高耐腐蝕性能

通過在銅基材表面覆蓋一層銅或銅合金，可以有效防止氧化和腐蝕，延長材料的使用壽命。

（2）提高導電性能

銅是優(yōu)良的導電材料，覆蓋銅層可以提高材料的導電性能，適用于需要良好導電性能的應用領域。

（3）增強機械強度

覆蓋銅合金層可以增加材料的機械強度和耐磨性，提高材料的耐久性和穩(wěn)定性。

（4）修復表面缺陷

銅上熔覆銅工藝，可用于修復銅基材料表面的缺陷或損傷，使表面恢復平整并提高外觀質(zhì)量。

（5）適用范圍廣泛

銅上熔覆銅工藝，適用于各種形狀和尺寸的銅基材料，可以定制覆蓋層厚度和形狀以滿足不同需求。

（6）環(huán)保節(jié)能

相比其他表面處理方法，銅上熔覆銅工藝通常具有較高的能效比和較低的環(huán)境影響，符合環(huán)保要求。

銅上熔覆銅工藝的難點

對于常規(guī)的波長1μm左右的紅外激光而言，采用激光熔覆對銅、鋁或金這類高反金屬材料進行加工，具有很大挑戰(zhàn)。

銅、鋁等高反材料對紅外激光過低的吸收率（~5%），使得必須采用高功率激光器才能在銅材表面形成熔池；然而，過高的激光功率又會造成加工時熔池不穩(wěn)定并產(chǎn)生材料飛濺，容易形成具體大量孔洞缺陷的低質(zhì)量熔覆層。純銅具有非常高的熱導率，尤其是紫銅，這會加劇熔池的不穩(wěn)定性，使得熔覆過程中的熱量很難穩(wěn)定地保持在加工區(qū)域，進而影響熔覆層的形成和質(zhì)量。

因此，采用紅外激光難以在紫銅基板上有效形成高質(zhì)量的銅熔覆層。

圖1：鋁、銅、金等高反金屬在不同波長下的吸收曲線。

藍光激光是銅熔覆的理想光源

從圖1中的吸收曲線對比中可以看出，銅對藍光的吸收率可以高達50%以上，這意味著藍光激光器在用于銅加工時表現(xiàn)優(yōu)異，因此，采用藍光激光器可以有效解決紫銅表面熔覆的問題。

但目前市面上的藍光半導體激光器的功率還不高，主要集中在1~2kW左右，對于一些大尺寸銅部件的熔覆，這樣的功率水平還難以獲得高效、高質(zhì)量的熔覆效果。

因此，開發(fā)功率更高的藍光半導體激光器，是滿足大尺寸銅部件高效、高質(zhì)量熔覆的關鍵一環(huán)。

3500W藍光半導體激光器

為了解決大尺寸銅部件的表面熔覆難題，廣東硬科院推出了3500W藍光半導體激光器BLD-455-3500（見圖2）。這款激光器輸出波長為455±10nm，功率連續(xù)可調(diào)，最大輸出功率高于3500W，在國內(nèi)已處于領先水平（見圖3）。

該款激光器的激光束以自由空間方式輸出，矩形光斑（光斑尺寸3mm×3mm）可以直接作用于材料表面，不需要額外的光纖或激光加工頭輸出，電-光轉(zhuǎn)換效率高。

銅對藍光激光的吸收率可高達65%，是對紅外激光吸收率的13倍。因此，在3500W功率和高吸收率的雙重加持下，可實現(xiàn)缺陷少、飛濺少、致密度高且更快速的銅熔覆工藝。

這款激光器非常適用于有色金屬熔覆、淬火等領域，能夠更大程度地提高加工效率和加工質(zhì)量。

圖2：BLD-455-3500藍光激光器實物圖。

圖3：BLD-455-3500藍光激光器功率測試圖。

在紫銅基板上熔覆紫銅

圖4為在紫銅基板表面熔覆紫銅粉的末測試效果。從圖中可以看到：無論是單層熔覆還是多層熔覆，BLD-455-3500激光器都能獲得均勻、美觀的熔覆層。

圖4：紫銅熔覆成型樣品圖。

圖5是上述熔覆層的金相檢測圖，從圖中可以看出：熔覆層與基板形成了非常好的冶金結合，未發(fā)現(xiàn)明顯的未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。

圖5：熔覆層金相檢測圖。

在金屬熔覆應用中，BLD-455-3500激光器憑借3500W的高功率輸出，使得熔覆過程更加高效、節(jié)能。無論是銅、鋁等有色金屬還是其他金屬，都能得到高質(zhì)量的熔覆效果。

此外，BLD-455-3500激光器還適用于激光淬火和增材制造應用。其足夠高的功率和均勻的能量分布，使得材料能在極短的時間內(nèi)達到淬火溫度，從而實現(xiàn)快速、均勻的淬火效果；而在增材制造應用中，其高功率和高吸收率，能夠獲得更快的加工速度、更小的熱影響區(qū)和更優(yōu)的材料性能。

結語

3500W高功率藍光半導體激光器的成功開發(fā)，使得大尺寸銅部件表面熔覆銅材的難題迎刃而解。采用BLD-455-3500藍光激光器搭建的熔覆裝置，可以實現(xiàn)紫銅基板表面紫銅、青銅等銅合金粉末的熔覆，為業(yè)界帶來新的發(fā)展機遇。

文章來源：KCTII 硬科院 

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