作者：DILAS Diodenlaser GmbH 沈軼群 博士

再制造產(chǎn)業(yè)是指在原有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上，將廢舊產(chǎn)品利用技術(shù)手段進(jìn)行修復(fù)和改造的一種產(chǎn)業(yè)。它是以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品性能提升為目標(biāo)的一種產(chǎn)業(yè)。

熔覆(Cladding)屬于再制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。熔覆技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力、能源、交通、軍工、輕工、磨具、機(jī)械制造、煤機(jī)、農(nóng)機(jī)、水泥等諸多行業(yè)。典型應(yīng)用包括：

(1) 渦輪動(dòng)力設(shè)備修復(fù)和改造；

(2) 高載荷、低轉(zhuǎn)速、高精度、高合金零部件的修復(fù)和強(qiáng)化；

(3) 汽車覆蓋件大型模具激光修復(fù)；

(4) 礦山機(jī)械零件的激光強(qiáng)化與修復(fù)；

熔覆可以改善材料表面的性質(zhì)。根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用，熔覆可以使材料變得耐磨，耐腐蝕，耐熱等。硬化(Hardening)只是改變了基體材料表面薄層性質(zhì)，相對(duì)而言，熔覆產(chǎn)生了完全不同于基體材料的新表面層。

圖1：德國(guó)DILAS直接輸出激光系統(tǒng)的熔覆應(yīng)用實(shí)例

目前有多種方法實(shí)現(xiàn)熔覆，每種方法各有特點(diǎn)。但從質(zhì)量、產(chǎn)量、兼容性及性價(jià)比等多方面綜合考慮，激光熔覆(Laser Cladding)正越來越受到市場(chǎng)認(rèn)可。由于激光能量集中，激光熔覆僅僅融化“基體材料的表面”和“覆層材料(Clad Material)”。激光熔覆產(chǎn)生的覆層質(zhì)量很高。覆層材料空隙少，表面均勻。激光熔覆僅在特定部位注入特定能量，實(shí)現(xiàn)了(1)對(duì)工藝參數(shù)的精確控制，省略后處理過程。(2)減少熔融體，避免材料浪費(fèi)。(3)避免了基體材料的硬化。另外，伴隨激光熔覆的自然淬火過程也使得熔覆材料更加致密。

覆層材料可以是線狀，帶狀或者粉末狀。由于待熔覆區(qū)域通常遠(yuǎn)大于光斑，光束總是沿著某個(gè)方向掃描工件表面。采用線狀或者帶狀覆層材料時(shí)，光斑的短軸方向與光束掃描方向垂直。采用粉末狀覆層材料時(shí)，光斑的長(zhǎng)軸方向與光束掃描方向垂直。

激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度等。激光熔覆各參數(shù)之間相互影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。通常來說，激光功率越高，熔覆層厚度越大，熔覆材料利用率越高。但激光功率也不能過高，因?yàn)榧す夤β试礁�，熔覆材料產(chǎn)生氣孔的概率也越大。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開裂現(xiàn)象也會(huì)加劇。當(dāng)然，激光功率也不能過低，否則僅表面涂層融化，基體未熔，此時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達(dá)不到熔覆目的。為了得到最佳熔覆效果，客戶需要根據(jù)具體應(yīng)用反復(fù)摸索相關(guān)參數(shù)。

目前市場(chǎng)上激光器種類繁多，哪種激光器更適合激光熔覆呢？氣體激光器由于體積大、能耗高等原因，其市場(chǎng)應(yīng)用正在逐步縮小。光纖激光器和碟片激光器雖然光束質(zhì)量?jī)?yōu)異，但是熔覆硬化之類的表面熱處理應(yīng)用對(duì)光束質(zhì)量的要求并不高，半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量足以勝任。此外，半導(dǎo)體激光器直接實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，整體效率高達(dá)50%以上。而固體激光器、光纖激光器和碟片激光器都需要半導(dǎo)體激光器作為光泵浦源，無論光光轉(zhuǎn)換效率多高，整體效率仍然遜色于半導(dǎo)體激光器。從體積、能耗、光束質(zhì)量等各方面綜合考慮，半導(dǎo)體激光器是激光熔覆的首選。

圖2 德國(guó)DILAS的 3KW直接輸出激光系統(tǒng)

DILAS于1994年成立于德國(guó)美因茲，是一家專注于半導(dǎo)體激光領(lǐng)域整整20年的公司。也是全球唯一在德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)都建有生產(chǎn)基地的高功率半導(dǎo)體激光公司。DILAS團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，來自德國(guó)的卓越工藝與先進(jìn)技術(shù)保證了其產(chǎn)品的可靠與穩(wěn)定，即使面對(duì)惡劣復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境仍能擁有出色的表現(xiàn)。

作為激光熔覆、激光硬化等應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先者，DILAS積累了豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)異，是表面熱處理應(yīng)用的首選方案。DILAS近幾年推出的3KW直接輸出激光系統(tǒng)深受市場(chǎng)好評(píng)。該款激光器體積僅220mm x 237mm x 410mm，客戶可以靈活地將其置于各類機(jī)械臂上。由于內(nèi)部配備了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，該款激光器可以提供多種模擬/數(shù)字接口，包括CANopen接口，BUS接口，網(wǎng)線接口等，為客戶后期的系統(tǒng)集成帶來極大便利。除了980nm主波長(zhǎng)，該款激光器也提供650nm紅色指示光束，易于定位加工區(qū)域。該款激光器的工作距離330mm。標(biāo)準(zhǔn)光斑形狀可以是3mm*3mm，也可以是14mm*2.5mm。前者適合小區(qū)域的精加工，后者更適合大范圍的掃描。該款激光器的鏡頭組可以在無塵室中拆卸更換。當(dāng)客戶工藝發(fā)生改變時(shí)，DILAS可以為客戶定制其他光斑形狀的鏡頭組。通過優(yōu)異的光束整形技術(shù)，該款激光器光斑強(qiáng)度呈平頂(Top Hat)分布，其均勻度在快慢軸方向均超過85%，從而可以在加工表面實(shí)現(xiàn)均勻一致的熔覆效果。

圖3(a) 德國(guó)DILAS的3KW直接輸出激光系統(tǒng)--線型(Line)光斑(14mm*2.5mm) 3D能量分布

圖3(b) 德國(guó)DILAS的3KW直接輸出激光系統(tǒng)--線型(Line)光斑(14mm*2.5mm)快軸(Fast Axis)能量分布

圖3(c) 德國(guó)DILAS的3KW直接輸出激光系統(tǒng)--線型(Line)光斑(14mm*2.5mm)慢軸(Slow Axis)能量分布

熔覆硬化之類的表面熱處理應(yīng)用中，工件表面會(huì)產(chǎn)生大量的濺射物、煙塵和背反射光。得益于多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，DILAS推出了多項(xiàng)措施保護(hù)直接輸出激光頭的安全：

(1) DILAS激光頭內(nèi)部集成了背反射光傳感器，當(dāng)背反射光功率超過設(shè)定閾值后，傳感器將發(fā)送報(bào)警信號(hào)給激光控制單元，及時(shí)關(guān)閉電源。

(2) DILAS的鏡頭組內(nèi)包含了可更換的保護(hù)窗片，可以有效防止濺射物對(duì)鏡頭組內(nèi)昂貴鏡片的直接損傷。保護(hù)窗片上被濺射物污染的區(qū)域會(huì)吸收激光能量，導(dǎo)致局部溫度快速升高，進(jìn)而損壞窗片表面的防反光涂層。防反光涂層損壞后，部分激光能量將反射回激光頭內(nèi)部，導(dǎo)致激光核心元件損壞。因此定期檢查清潔保護(hù)窗片，并在適當(dāng)情況下更換窗片是必須的。

(3) 在應(yīng)用系統(tǒng)中加裝橫向氣簾裝置，用壓縮氣體吹走熱處理過程中的顆粒物，防止其落在保護(hù)窗片表面上。還可以加裝排煙裝置，及時(shí)吸走熱處理過程中的廢氣和煙塵。

(4) 加裝電子控制的保護(hù)窗片傳感器，該傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)由附著在窗片表面的顆粒物引起的散射激光，同時(shí)檢測(cè)保護(hù)窗片的溫度。如果散射激光功率或者窗片溫度超過閾值，傳感器將發(fā)送報(bào)警信號(hào)給激光控制單元，及時(shí)關(guān)閉電源。DILAS將結(jié)合實(shí)際工藝參數(shù)，幫助用戶設(shè)定合適的傳感器閾值。

基于3KW直接輸出激光系統(tǒng)的成功，DILAS相繼推出了6KW的直接輸出激光系統(tǒng)，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)取得訂單。

圖4德國(guó)DILAS的6KW直接輸出激光系統(tǒng)

除了該系列直接輸出激光系統(tǒng)，德國(guó)DILA的6KW光纖耦合輸出系統(tǒng)(1000μm, 0.22 NA)，為各種激光表面熱處理應(yīng)用提供了更多選擇。通過光纖，激光可以靈活地傳輸很多米。一個(gè)光源的激光束可以分束并將能量引導(dǎo)到多個(gè)加工頭。還可以將光纖與機(jī)器人相結(jié)合實(shí)現(xiàn)各種柔性加工。ROFIN集團(tuán)最新推出的DF 060 HP系統(tǒng)內(nèi)部就采用了DILAS的6KW光纖耦合輸出系統(tǒng)。

圖5德國(guó)DILAS的6KW光纖耦合輸出系統(tǒng)(1000μm, 0.22 NA)

圖6 ROFIN集團(tuán)最新推出的DF 060 HP系統(tǒng) / DILAS 6KW光纖耦合輸出系統(tǒng)(1000μm, 0.22 NA)