半導體與CO2光斑模式下激光熔覆工藝

杜雷明，顧玉芬，石　玗，石　鋒

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進材料加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

半導體與CO2光斑模式下激光熔覆工藝

杜雷明，顧玉芬，石玗，石鋒

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進材料加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

為了研究不同光斑模式的激光熱源熔覆鎳基合金效果的差異，分別采用矩形大光斑半導體激光與圓形小光斑CO2激光在Q235低碳鋼表面上進行鎳基合金單道熔覆試驗。通過相同條件下單道熔覆試驗，對比分析不同光斑模式的激光獲得的熔覆層尺寸、稀釋率以及成形系數隨激光功率及掃描速度的變化；還分析了矩形大光斑半導體激光熱源與傳統圓形小光斑CO2激光熱源的差異。結果表明，在相同工藝參數下，矩形大光斑半導體激光獲得的熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數明顯優于傳統CO2激光。

激光熔覆；半導體激光；CO2激光

0　前言

激光熔覆技術作為材料表面改性技術的一種有效手段，可以顯著改善金屬材料表面耐磨、耐腐蝕等性能[1-2]。與傳統的表面改性技術相比，激光熔覆具有許多優點，如熱影響區小、工件變形小、易于實現自動化等[3-5]。因此，激光熔覆技術獲得了國內外許多學者的廣泛關注和研究。

目前，隨著激光技術的發展，國內外大功率半導體激光器的研制技術已趨向成熟。半導體激光器作為繼CO2和Nd∶YAG激光器之后，其在材料加工中的優勢是傳統激光器無法比擬的。現研究表明[6-7]，相對于傳統激光器而言，半導體激光器不僅體積小、成本低，而且半導體激光的短波長更容易被熔覆材料所吸收，間接提高了生產效率；同時，半導體激光器的光電轉換效率明顯高于CO2激光器和固體激光器，使能源的利用率得到顯著提高。

為了研究不同光斑模式的激光熱源熔覆鎳基合金效果的差異，分別采用矩形大光斑半導體激光與圓形小光斑的CO2激光在Q235低碳鋼表面上進行了鎳基合金單道熔覆試驗。通過相同參數下的半導體激光與CO2激光單道熔覆試驗，對比研究了激光功率及掃描速度對不同光斑模式的激光熱源獲得的熔覆層尺寸、稀釋率以及成形系數等參數的影響。

1　試驗材料和方法

1.1試驗材料

單道熔覆試驗采用基體材料為Q235低碳鋼，尺寸為120×40×12。在進行熔覆試驗前，采用打磨機對基體材料表面進行打磨，直至材料表面全部呈現出金屬光澤且較為平整為止，最后用丙酮將打磨好的材料表面擦洗干凈，并用吹風機烘干。試驗熔覆材料為Ni60A。Ni60A屬于鎳基自熔性合金的一種。其具有較好的耐高溫、耐腐蝕，耐氧化等優良性能，被廣泛應用于重型機械的表面防護層。其化學成分如表1所示。

表1　Ni60A合金粉末化學成分Tab.1Chemical compositionsofNi60ANi-basedalloy ％

1.2試驗方法

單道熔覆試驗所采用的激光器為矩形大光斑半導體激光器、圓形小光斑CO2激光器，具體參數如表2所示。本次試驗采用預置粉末法，即試驗前采用手工將待熔覆的鎳基合金粉末涂覆在Q235低碳鋼基材表面。

表2　半導體激光器與CO2激光器參數Tab.2Parameters of diode laser and CO2laser

為了研究矩形大光斑半導體激光器與圓形小光斑CO2激光器熔覆效果的差異，此次試驗過程中保持預置粉末的厚度及激光器離焦量不變，粉末厚度為1 mm，激光離焦量為0。激光功率與掃描速度依次增加，功率為900～1 500 W，掃描速度為1.5～3 mm/s。

2　試驗結果和分析

2.1激光功率對熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數的影響

為了研究工藝參數對半導體與CO2激光熱源熔覆層成形的影響，采用熔寬-熔深比來表示熔覆層成形系數，并以熔覆層成形系數來衡量熔覆層的成形質量。圖1a、圖1b與圖2a、圖2b為掃描速度1.5 mm/s時，不同光斑模式的激光獲得單道熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數隨激光功率變化的趨勢圖。圖1a、圖1b表明不論采用半導體激光熱源還是CO2激光熱源獲得熔覆層寬度、熔深都隨激光功率的增加而增加。其原因在于當掃描速度一定時，激光功率決定了鎳基合金粉末單位時間內所能獲得的能量；增加激光功率，能量密度隨之增加，粉末與基體所吸收的能量也隨之增加，而增加的能量將增大熔池面積。提高合金粉末的利用率，進而熔覆層寬度與熔深均隨激光功率的增加而增加。進一步對比分析圖1發現在相同熔覆參數條件下，與圓形小光斑CO2激光相比，矩形大光斑半導體激光能夠獲得較寬、較淺的熔覆層。

分析圖2a發現半導體激光與CO2激光獲得熔覆層稀釋率都隨激光功率增加而增加。圖2b表明半導體激光與CO2激光作為熱源時獲得熔覆層成形系數隨激光功率增加而減小。對比分析圖2a、圖2b發現，在相同條件下，半導體激光獲得熔覆層稀釋率及成形系數明顯優于CO2激光的。其原因在于半導體激光光斑面積較大，能量分布均勻，相同功率下，能量密度較小，因而易獲得寬而淺熔覆層；而CO2激光光斑面積較小，能量集中、密度較大，因此獲得的熔覆層尺寸窄而深。因此，在相同熔覆參數條件下，矩形大光斑半導體激光獲得熔覆層稀釋率及成形系數的能力明顯優于圓形小光斑CO2激光的。進一步分析圖2b發現半導體激光熔覆層成形系數隨著激光功率增加迅速減小，而CO2激光熔覆層成形系數隨著激光功率增加減小較慢，其原因在于雖然熔覆層的熔寬與熔深隨著激光功率的增加而增加，然而熔寬不僅受激光功率的影響還受光斑大小的限制，因此增加激光功率對熔深影響大于對熔寬的影響，而半導體激光光斑面積較大，能量密度較低，隨之激光功率的增加相對于熔寬而言熔深會以較快速度增加；而CO2激光光斑面積較小，在相同功率下與半導體激光相比其能量密度較大，因此相對于半導體激光而言隨著激光功率的增加CO2激光的熔深相對于其熔寬的增加速度來說比較慢。因此，隨著激光功率增加，相對于CO2激光而言半導體激光熔覆層成形系數減小速度較快。

圖1　不同激光熱源下熔覆層寬度、熔深隨激光功率的變化Fig.1Variations of cladding layers width and depth with the laser power in different laser heat sources

圖2　不同激光熱源下熔覆層稀釋率、成形系數隨功率的變化Fig.2Variations of cladding layers dilution rate and form factor with the laser power in different laser heat sources

2.2掃描速度對熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數的影響

圖3與圖4為激光功率1 500 W時，不同光斑模式的激光熱源獲得單道熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數隨掃描速度變化的趨勢。分析圖3發現，不論采用矩形大光斑半導體激光還是圓形小光斑CO2激光作為熱源時獲得熔覆層寬度、熔深都隨掃描速度的增加而減小。由于激光功率不變，掃描速度決定了粉末與基體受激光熱源加熱時間的長短，增加掃描速度，線能量將隨之減小，單位時間內粉末與基體所吸收的能量也將減少。因此，隨著掃描速度的增加熔覆層寬度、熔深具有減小的趨勢。進一步分析圖3發現，在相同掃描速度下，相對于圓形小光斑CO2激光而言，矩形大光斑半導體激光獲得的熔覆層的尺寸寬而淺。

由圖4a可知，不論采用半導體激光還是CO2激光獲得熔覆層稀釋率都隨掃描速度的增加而減小。由圖4b可知，半導體激光與CO2激光，作為熱源時獲得單道熔覆層成形系數都隨掃描速度增加而增大。同樣，圖4也表明在相同熔覆參數條件下，矩形大光斑半導體激光獲得熔覆層稀釋率及成形系數明顯優于圓形小光斑CO2激光。

圖3　不同激光熱源下熔覆層寬度及熔深隨掃描速度的變化Fig.3Variations of cladding layers width and depth with the travel speed in different laser heat sources

圖4　不同激光熱源下熔覆層稀釋率及成形系數隨掃描速度的變化Fig.4Variations of cladding layers dilution rate and form factor with the travel speed in different laser heat sources

上述試驗研究了激光功率與掃描速度對矩形大光斑半導體激光與圓形小光斑CO2激光獲得單道熔覆層尺寸、稀釋率及成形系數影響。結果表明，在相同條件下矩形光斑半導體激光獲得的熔覆層寬度、稀釋率及成形系數明顯優于傳統CO2激光，即大光斑半導體激光器更適合于激光熔覆。從根本上講這是由矩形大光斑激光與傳統圓形小光斑CO2激光的熱源模型所決定的。矩形大光斑半導體激光熱源特性呈梯形平臺分布如圖5所示[8]，而圓形小光斑CO2激光熱源呈高斯分布如圖6所示[9]。與圓形小光斑高斯熱源分布的CO2激光相比，矩形大光斑半導體激光呈梯形平臺分布的熱源具有較小的溫度梯度、更容易被熔覆材料與基體所吸收的短波長特點，因此與傳統的小光斑CO2激光器相比大光斑半導體激光器具有較高的熔覆效率，能夠獲得寬、稀釋率較低的熔覆層。此外，矩形大光斑半導體激光能量分布更加均勻，能量密度也較低，分布均勻的功率密度不會給材料基體造成較大的局部熱畸變，能夠減少后續加工。因此，大光斑半導體激光器更適合于表面熔覆。

3　結論

（1）在相同工藝參數下，矩形大光斑半導體激光獲得單道熔覆層尺寸、稀釋率以及成形系數的能力明顯優于傳統圓形小光斑CO2激光的。

（2）與傳統CO2激光熱源相比，大光斑半導體激光熱源呈梯形平臺分布，能量分布更加均勻,相同功率下具有較小的能量密度，易獲得寬而淺的熔覆層，即呈梯形平臺分布大光斑半導體激光熱源更適合于表面熔覆。

圖5　半導體激光熱源分布Fig.5Heat distribution of diode laser

圖6　CO2激光熱源分布Fig.6 Heat distribution of CO2laser

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Laser cladding by diode laser and CO2laser with different beam pattern

DU Leiming，GU Yufen，SHI Yu，SHI Feng
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

To study which of beam pattern can be suitable to make fine bead with less power,diode laser with a rectangular beam profile and conventional CO2laser with a circular beam profile were used for cladding of Ni-based alloy on the mild steel（Q235），respectively. In the paper,the study under different beam pattern lasers on effects of process parameters such as laser power output，travel speed was carried out by single pass cladding experiments，and comparing the clad by conventional CO2laser，weld width，low dilution rate could be obtained in diode laser cladding.In addition，models of the heat distribution of diode laser and CO2laser were analyzed.The results show that the excellent clad layer with a wider bead and low dilution was obtained by diode laser，compared with CO2laser.

laser cladding；diode laser；CO2laser

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.01

2015-09-26；

2015-12-10

973計劃前期研究專項（2014CB660810）；國家自然科學基金資助項目（51305189）；甘肅省自然科學基金資助項目（145RJZA119）；省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室開放基金（SKLAB02014208）；蘭州理工大學紅柳杰出人才培養計劃（J201201）

杜雷明（1988—），男，河南鹿邑人，碩士，主要從事焊接過程智能控制方面的研究工作。