Coherent的1万瓦直接输出半导体激光器为APEX ETG西澳大利亚重工业提供高效高速熔覆

时间： 2024-07-13 来源：COHERENT官网

技术问答

APEX ETG 使用 COHERENT 的 1 万瓦直接输出半导体激光器，为采矿、能源和建筑等行业使用的部件进行高效高速熔覆。

Daniel Rhind 从事表面涂层领域的工作 20 年了。他敏锐地意识到，与其他磨损金属部件修复方法相比，激光熔覆有很多优势。事实上，他非常看好激光熔覆技术，甚至为此成立了自己的公司 APEX ETG，将该技术的好处带给了西澳大利亚的各个行业。

但是，作为一个企业经营者，他不仅高度重视结果质量，而且同样重视成本和生产率。因此，为了保持成功，他的激光熔覆设备必须满足几个不同的要求。

首先，它必须迅速完成熔覆。这样他就能够在满足客户要求的时间内，完成他在石油和天然气、采矿和建筑行业得到的许多大型零件表面重修工作。

其次，他需要操作灵活性。他希望在自己公司的车间里，每一个熔覆系统都能执行尽可能广泛的任务 – 这样每一个系统就都能一直运行。这可以最大限度提高生产效率和投资回报。如果他为一台机器切换工作时能够最大限度减少停机时间并降低难度，生产效率就会进一步提高。

影响生产效率的另一个重要因素是设备可靠性和正常运行时间。停机的激光熔覆机不会带来收入，也不能支付自身的购买费用。

最后一点几乎是不言而喻的，那就是他需要高质量的结果。 APEX ETG 的成功在很大程度上取决于回头生意 – 例如，为采矿公司修复液压缸的持续项目。他只能通过高质量的结果、快速周转时间，当然还有正确的价格组合才能留住这些客户。 “我们的客户成功了，我们也就成功了。”Daniel 解释说。

为了满足所有这些需求，APEX ETG 非常信赖基于 Coherent HighLight DD 系列产品的激光熔覆系统。该系列产品属于半导体激光器，提供高达 1 万瓦的输出功率。它们产生一个自由空间（而非光纤耦合）光束，可以很容易地形成多种尺寸的矩形。只需简单地改变光束传输光学器件，就能产生宽 1-12 mm、长 6-36 mm 的矩形光束。 Coherent 还提供加压和重力送粉喷嘴，以支持高沉积率熔覆。

直接输出半导体激光器的优势

“如果您询问这个行业的大多数从业者，特别是销售这种设备的供应商，他们会告诉你，大面积熔覆车间的最佳工具是光纤耦合半导体激光器。他们会说，您可以买一台光纤耦合半导体激光器，然后根据需要将其连接到各种加工头，就能执行不同的工作。”Daniel 指出。 “但是，我做过大量激光熔覆工作，所以我可以告诉您，这种说法是错误的。问题发生在进行工作转换的时候。如果我在做一项工作时用的是 6 mm 长的线光束，而下一项工作需要用 18 mm 的线光束，那么我就必须换成另一个熔覆头。这需要重新校准和调整 – 而这些都需要时间。”

“通常人们认为，只需要购买一台光纤耦合半导体激光器系统和一堆不同的加工头，就可以做所有的工作。也许他们可以 – 但他们不能快速高效地做到这一点。而当设备因更换而停机时，就没法赚钱了。这就限制了进行高速、大面积熔覆的能力。”他补充说。

“相比之下，使用 HighLight DD，我只需交换加工头中的光学器件就能改变线尺寸，然后重新开始加工。这实际上只需要一小会儿时间。而且我可以得到足够长的激光线，可以在具有经济意义的时间内熔覆很大的区域。”

“当然，我并不是说光纤耦合系统有什么问题。我自己也有几台，并使用它们完成很多工作。它们是一种具有成本效益的工具，适合在价值较低的零件上熔覆较小的区域。但它们并不具备供应商经常承诺的灵活性。当然，它们也不适合大面积熔覆任务，而这已经成为 APEX ETG 业务的重要组成部分。因此在这个领域，光纤耦合系统是没有经济意义的。”

实际工作中的熔覆

借助 Coherent 1 万瓦 HighLight DD 直接输出半导体激光器，APEX ETG 能够完成在西澳大利亚从未有人完成过的熔覆工作 – 也许在整个世界范围内都没有。其中一个例子是对采矿挖掘机的“铲斗”进行“表面硬化”。铲斗就是挖掘机上的巨大铲子，用来挖土。交给 APEX ETG 处理的这个铲斗的容积达到了 42 m³，大小相当于一辆校车。

这些铲斗在使用过程中会发生磨损，最终会用新材料进行表面再处理，以保持其可用性。在过去，这意味着在铲斗上焊上碳化铬/钨制成的厚“耐磨板”。每块板的尺寸可能约为 3 m x 1 m，因此需要很多块板来覆盖整个铲斗表面。

但焊接耐磨板有一些明显的缺点。首先，这个过程非常耗时，而且人力消耗巨大。其次，铲斗会增加额外重量 – 或者更准确地说，这个特定铲斗的耐磨板套件重达 9 吨。

将平耐磨板焊接在铲斗的弧形表面上会带来一些额外的问题。板会受到应力（因为它们弯成了弓形），所以在使用过程中，有时会发生回弹。这意味着在焊接耐磨板时，挖掘机需要停机。此外，还有一个重要的安全问题。如果一块板带着巨大的力量裂开，就有可能导致工人受伤。

为了进行激光熔覆，APEX ETG 将铲车安装在一个大型机器人平台上。这样激光束就能够连续移动并对整个表面进行熔覆。与通常使用焊接进行的维修相比，这种工艺花费的时间要少得多。

涂在铲斗上的全部熔覆材料重达 450 kg。这意味着与覆盖有耐磨板的铲斗相比，挖掘机每次都能多铲起 8.5 吨物料。这就提高了设备的效率，并显著降低了燃料成本。

使用直接输出半导体激光器系统涂敷的熔覆层并没有牺牲质量。事实上，情况恰恰相反。在 APEX ETG 进行表面硬化处理的铲斗已经工作了 5000 个小时，激光熔覆表面没有受到任何影响。此外，激光熔覆不存在安全问题，因为新表面不会裂开。

“这项工作是一个极端的例子，”Rhind 指出。 “这很可能是有史以来进行熔覆的最大零件。而用任何其他技术都完全不可能获得同样水平的结果。因此，这真正凸显了高功率直接输出半导体激光器的非凡能力。这种技术可以为建筑、石油和天然气、采矿和其他重工业部门常见的极大零件进行熔覆，带来了很多好处。”

“但是，APEX ETG 的激光熔覆能力可以满足各种尺寸和几何形状的应用。这使我们能够为西澳大利亚州内的众多行业提供服务，满足其需求。正是凭借我们与 Coherent 的牢固关系，我们才能够将这项技术带入市场。”

什么是激光熔覆

熔覆是一种增材制造工艺，用于各种行业，可以改善零件的表面特性，或对因使用而磨损的零件的进行表面再处理。熔覆是在基材上创造一个新表面层，其成分与基材不同。

熔覆技术种类繁多，每一种技术都有自己的特点，包括所使用的材料、熔覆层的质量以及各种实际问题，包括生产速度、工艺兼容性和成本。

一些方法涉及到某种形式的电弧焊，如气体钨极氩弧焊 (GTAW)、等离子体电弧焊 (PAW)、等离子体转移电弧 (PTA)、气体金属电弧焊 (GMAW)、埋弧焊 (SAW)，或其他几种方法。

在所有这些工艺中，电弧会熔化基材表面。然后熔覆材料以金属丝或粉末形式引入，并被电弧熔化。它与熔融的零件表面混合，然后重新凝固，形成熔覆层。

另一种方法是热喷涂。在这种工艺中，粉末状的融覆材料被火焰或电力融化，然后喷涂到工件上。工件只加热到 <200℃。四种最常见的热喷涂类型是火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和高速氧燃料 (HVOF)。

激光熔覆与电弧焊接方法类似。激光同时熔化基材表面和熔覆层材料，熔覆层材料可以是线状、条状或粉末状。

然而，与其他技术相比，激光熔覆具有明显的优势。与焊接方法一样，激光熔覆层与基材形成了真正的冶金结合。这意味着熔覆层非常耐用，不会碎裂或脱层，并具备极佳的耐磨和耐腐蚀性能。热喷涂方法做不到这一点。

然而，与电弧焊不同的是，激光不会显著加热零件的主体。这就避免了热诱发零件变形，也避免了纠正变形所需的后处理步骤。电弧焊过程中的加热也会导致挥发性合金元素蒸发，并可能导致某些材料的表面硬化。

图 1. 激光熔覆是一种非常有效的磨损金属零件修复方法

图 2. 用 Coherent HighLight DD 系列激光器进行熔覆，它产生的自由空间光束可以轻松形成一条长线，可以在具有经济意义的时间内实现大面积熔覆

图 3. 为采矿公司修复液压缸是 APEX 公司目前的业务之一

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