激光熔覆技术帮助制造商“走向绿色”

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激光熔覆技术帮助制造商“走向绿色”

来源: | 作者:辉锐集团 | 发布时间: 2021-06-07 | 730 次浏览 | 分享到:

小号一般ociety变得“绿色”，我们正在见证我们的态度和各种技术的使用了根本性的变化。只要最终产品没有质量损失，每个人都会欣赏回收和再利用资源、工具和小工具的好处。根据过去在世界工业发达地区的经验以及全球持续的经济困难，我们知道我们不再有能力扔掉所有轻微损坏的东西。然而，在世界各地，商业广告和营销工具正在迫使社会购买最新产品。这就是消费社会的创建和维持方式，损害了我们的自然资源。
幸运的是，社会和制造业的冷静头脑明白，我们必须通过修复、再生和翻新来降低成本。工业界没有多余的钱来购买新机器——相反，它需要并真正依赖于复苏。即使资源可用，现在也没有人准备把他们的钱扔到风中。由于这些社会变化、新态度和经济压力，机械和制造工程的维修和翻新部门目前正在蓬勃发展。这个维修和翻新市场的规模和潜力在几乎所有制造业领域都是巨大的，从重型设备到焊接。工业服务市场预计将在 2017 年至 2023 年间以 5.4% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，到 2023 年价值将达到 354.1 亿美元。

激光熔覆的工作原理
在这些工业过程中，建立电弧以将基材表面熔化到较浅的深度。然后以金属丝或粉末形式引入包层材料，并且也被电弧熔化，从而形成包层。通常，电弧焊技术提供具有高强度、良好冲击性能和低孔隙率的完全焊接的冶金结合。然而，输入到部件中的高热量通常会熔化足够的基材，从而使基材大量混合到包层中。这种稀释是不可取的，因为它改变了选择包层材料的特性。此外，高热输入会导致机械变形，因此需要在熔覆后进行进一步加工以恢复零件的尺寸精度。这种热应力会导致较差的机械质量、表面质量问题，例如裂纹和孔隙率，以及缩短修复部件的使用寿命。微电子追求同样的总体目标，即降低生产成本，同时提高产量和最终产品质量。
激光在许多行业推动这一趋势，因为它们能够执行高精度、非接触式加工。尤其是覆层是达到这些目的的过程。随着保持机械运转的经济压力不断变化，从而减少了我们在垃圾填埋场的碳足迹规模，生产工程的维修和翻新部门正在经历积极的增长。随着激光应用的快速增长和激光系统成本的降低，激光材料加工正在汽车、航空航天、造船和修船、石油和天然气钻井等许多行业成功实施。
根据定义，激光熔覆是一种沉积材料的方法，通过使用激光熔化和固结粉末或线材原料以重新表面或制造近净形状零件，例如在增材制造中。在许多情况下，激光熔覆技术被用于所有类型机械设备的维修和翻新（图 1）。最常见的传统金属包覆方法都是电弧工艺的变体。

图 1.激光熔覆工艺示意图 (a) 和用高强度钢重新表面处理的钢辊 (b)。
使用激光作为热源是电弧焊的一种有吸引力的替代方案，因为激光可以以高度局部化和可控的方式产生所需的加热（参见“激光熔覆优势”）。通过熔化很少的块状材料，激光熔覆显着减少了熔覆层的稀释，同时仍然产生真正的冶金结合。此外，较低的热量输入避免了零件变形，在很大程度上消除了后处理的需要。高功率二极管激光器特别适合高速、大面积熔覆应用的需求。
激光熔覆优势
• 为任何形状涂层的最佳技术，以延长磨损部件的使用寿命
• 修复零件的特殊配置，如果零件的模具不再存在或新制造需要太长时间，这是理想的选择
• 最适合渐变材料应用的技术
•非常适用于近净形米anufacturing
• 轨道和基材之间的稀释度低（与其他焊接工艺不同）和牢固的金属焊接
• 基材变形小，热影响区 (HAZ) 小
• 高冷却速度大于或等于精细微结构
• 广泛的材料灵活性（金属、陶瓷甚至聚合物）
• 构建的部件没有裂纹和孔隙
• 紧凑型技术
• 缩短生产时间
• 非常满意的零件维修
• 功能分级零件的生产
• 智能结构的生产

系统开发
实质性研究现在正集中在开发自动激光熔覆机上（图 2）。许多工艺参数必须手动设置，例如激光功率、激光焦点、基板速度和粉末注入速率，因此需要专业技术人员的注意以确保正确的结果。然而，许多团体正将注意力集中在开发传感器以在线测量过程上。此类传感器可监测包层的几何高度和沉积轨迹的宽度、冶金特性（例如凝固速率）、最终微观结构以及直接熔池及其周围区域的温度信息。使用此类传感器，正在设计控制策略，以便不再需要技术人员的持续观察来生产最终产品。进一步的研究已针对前向处理，
图 2.显示了卡车车轴上的激光熔覆工艺；该过程还可用于修复风力涡轮机部件，例如损坏或磨损的轴。
包覆层提高了性能，同时降低了成本和零件基板材料的选择。这总是代表其体积和表面特性以及成本之间的折衷。例如，可能需要用足够柔韧的材料制造发动机曲轴，以便在承受高扭转应力时不会断裂。然而，例如，如果该曲轴的轴承表面非常坚硬，则该部件在使用中不会快速磨损，这也将是有利的。包覆是一种可以独立选择材料的体积和表面特性的过程，因此避免了这种类型的妥协。具体而言，包覆涉及在成分与基材不同的基材上形成新的表面层。例如，它使制造商能够将低成本材料用于大部分零件，同时仍然有选择地实现更昂贵合金的耐磨、耐腐蚀或耐热性能。此外，通过实现高价值零件的经济翻新，而不是昂贵的更换，包层可以降低许多行业的成本。
用于激光熔覆的粉末通常具有金属性质，并通过同轴或横向喷嘴注入系统。金属粉末流和激光的相互作用导致发生熔化，称为熔池。将其沉积在基材上——移动基材可使熔池凝固，从而产生一条固体金属轨迹。这是最常用的技术，但有些工艺涉及在固定基板上移动激光器/喷嘴组件以产生固化轨迹。基板的运动由计算机辅助设计 (CAD) 系统引导，该系统将实体对象插入到一组轨迹中，从而在轨迹的末端产生所需的部分。
现在的研究集中在开发自动激光熔覆机上。许多工艺参数必须手动设置，例如激光功率、激光焦点、基板速度、粉末注入速率等，因此需要专业技术人员的注意以确保正确的结果。然而，许多团体正将注意力集中在开发传感器以在线测量过程上。这种传感器监测包层的几何形状（沉积轨迹的高度和宽度）、冶金特性（例如凝固速度以及最终的微观结构）以及直接熔池及其周围区域的温度信息。使用此类传感器，正在设计控制策略，以便不再需要技术人员的持续观察来生产最终产品。

图 3.磨损和腐蚀过程需要环境可持续的工程实践，以减少能源消耗、符合政府标准的危险排放和材料浪费。
激光熔覆部署在制造和维修行业，基本上分为三个不同的部门：表面熔覆、补焊和创成制造。这些技术与过去 15 年来激光堆焊的商业成功密切相关。更新一代激光束源的可用性为这一成功发展提供了决定性的推动力。制造/生产设备中的组件通常会受到极端操作条件的影响，其中可能包括氧化、高温腐蚀、热疲劳、高压缩应力和磨料磨损。这些情况会导致功能表面加速退化，从而缩短部件的使用寿命。
因此，在操作任何类型的带有活动部件的机械设备时，磨损的金属部件都需要修理或重建，这是日常生活的一部分。以新组件成本的一小部分来修复组件将为用户节省大量资金。此外，将部件维修到原始规格也将减少对备件的需求，如果维修能够快速就地实施，则可以显着减少停机时间。
当磨损的部件被重建时，也存在修复该部件以增强其性能的潜力，从而导致比新部件更长的磨损寿命。由于基于激光的翻新具有独特的能力，因此该工艺将适用于绝大多数部件的翻新，在某些情况下甚至适用于这些部件的增强。然而，从激光熔覆翻新过程中获益最多的部件通常是高价值部件，定期进行翻新和维修。尽管使用激光和供体材料进行部件修复、表面图案化和强化的翻新应用已经开发了几十年，但基于激光的翻新才刚刚获得广泛的工业和商业采用。

图 4.显示了磨损的炼油厂渣浆泵。
例如，图 4显示了一个过度磨损的渣浆泵，用蓝色标出并用黄色边界标记勾勒出轮廓。每次停用泵进行更换都会造成 54 吨的生产损失，这相当于每吨 100 美元的损失 5400 美元。在 4000 小时或大约一年的服务后，每台泵的重建成本平均为 20,000 美元。复合衬垫的目标改进时间为 16,000 小时，或大约两年。
这项技术在提高新旧部件的可靠性方面具有巨大的潜力，世界各地的研究和政府团体继续通过研究计划、工业应用和激光熔覆技术培训学生为其发展做出贡献。
当今最重要的制造考虑因素之一是生命周期工程，其中设计人员必须同时考虑零件在整个使用寿命期间的影响以及零件的使用寿命结束处理。这意味着我们现在必须考虑部件在碳足迹和部件对环境的长期影响方面对生命周期的影响。
通过翻新，通过优化产品设计并使用绝对最少的材料制造，可以显着减轻零件的重量。然而，如果该部件恰好是飞机或汽车部件，那么车辆的生命周期碳足迹将显着减少，因为使用激光辅助加工制造的部件重量更轻，产生的燃料负担也更低。