2021激光研討會(huì)和第四屆國(guó)際增材制造研討會(huì)（ISAM）綜述

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，過(guò)去四十年來(lái)，基于激光的工藝已經(jīng)從小眾應(yīng)用發(fā)展到工業(yè)加工鏈中被廣泛接受的工具。從CO2激光器開(kāi)始，新型激光源（如連續(xù)波或脈沖光纖激光器和圓盤(pán)激光器）的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了激光在切割、連接、表面改性和熱處理、涂層以及（最近）增材制造等方面的應(yīng)用。

圖1純銅基準(zhǔn)幾何圖（左），99.98%致密樣品的顯微切片（右），LPBF純銅的顯微結(jié)構(gòu)（插圖右上）。

如今，功率從幾瓦到多千瓦的激光源為許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了制造解決方案：汽車(chē)、交通、航空和航天、能源、工具和模具、石油和天然氣、醫(yī)療等�；�于現(xiàn)代生產(chǎn)中的高技術(shù)成熟度和經(jīng)驗(yàn)證的經(jīng)濟(jì)效益，科學(xué)家和工程師們?nèi)栽诓粩嗯�力開(kāi)拓激光加工的新領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹了最新的成就、趨勢(shì)和新的應(yīng)用領(lǐng)域。

動(dòng)態(tài)激光束成形可以緩解易裂紋材料的焊接問(wèn)題，并開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在電子移動(dòng)性方面。新開(kāi)發(fā)的壓電驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器正在取代現(xiàn)有的振鏡驅(qū)動(dòng)2D掃描光學(xué)元件。允許在三個(gè)空間方向上操縱光束，這些新的執(zhí)行器提供了廣泛的多參數(shù)處理矩陣。雖然2D掃描已經(jīng)需要深入的工藝?yán)斫�，但如果焊接使用新的激光系統(tǒng)，如具有高強(qiáng)度光束調(diào)制的相干光束組合，則更為重要。

圖2激光焊接過(guò)程中，通過(guò)AlMg3中的動(dòng)態(tài)光束成形，對(duì)熔池內(nèi)氣體體積的形成和脫氣進(jìn)行X射線成像。


圖3實(shí)驗(yàn)裝置包括激光電纜（1）、帶碰撞的模塊化焊接頭、聚焦裝置和集成x-y掃描儀（2）、帶樣品架的旋轉(zhuǎn)臺(tái)（3）、狹縫/快門(mén)（4）、高分辨率顯微鏡（5）和Gigafrost相機(jī)（6）。

使用新開(kāi)發(fā)的X射線斷層掃描裝置（圖3）研究焊接過(guò)程中激光束與熔池之間的相互作用。高速X射線成像顯示了振蕩鎖孔在高掃描頻率下逐步脫氣的效果，如圖2所示。結(jié)果表明，在鋁壓鑄材料焊接過(guò)程中，梁成形具有穩(wěn)定作用。此外，二維光束成形對(duì)熔池移動(dòng)和焊縫缺陷的形成有影響。目前的研究主要集中在對(duì)焊縫質(zhì)量和加工相關(guān)熔池特性之間相互作用的基本理解。將缺陷的形成與熔體流動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

高速激光切割
單模光纖激光器的功率水平為5千瓦以上，一般可實(shí)現(xiàn)薄金屬的高切割速度。由于在二維和三維零件輪廓切割的情況下，機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)通常是限制因素，因此只有線性切割才能實(shí)現(xiàn)高切割速度。這里的目標(biāo)是用快速激光切割代替帶狀材料的機(jī)械剪切切割。激光縱切的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)：無(wú)刀具磨損、無(wú)加工時(shí)間，以及對(duì)高強(qiáng)度鋼和鋁、銅等“軟”金屬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為了經(jīng)濟(jì)地加工電工鋼，必須達(dá)到至少200 m/min的切割速度。對(duì)工藝窗口（即激光功率、焦點(diǎn)位置、噴嘴間距和氣體壓力）進(jìn)行評(píng)估后，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為配備2 kW單模光纖激光器的試驗(yàn)縱切線機(jī)。因此，以200 m/min的進(jìn)給速度成功切割了1 km厚270µm的電工鋼。在先進(jìn)工藝研究中，我們通過(guò)5 kW單模光纖激光器以高達(dá)500 m/min的速度切割了230µm厚的晶粒取向電工板。圖4顯示了不同光學(xué)設(shè)置和功率水平下300µm厚電工鋼的切割質(zhì)量。值得注意的是，可以完全避免板材下側(cè)的毛刺。

圖4不同光學(xué)和電源設(shè)置的切割質(zhì)量。

用于彈藥處理和拆卸的激光

激光切割技術(shù)于1978年問(wèn)世，被認(rèn)為是彈藥處理工業(yè)中一種成熟的工藝。激光的獨(dú)特特性吸引了它們?cè)谔厥庥猛旧系膽?yīng)用。例如，F(xiàn)raunhofer IWS使用激光拆除彈藥（圖5）和核電站。使用彈藥時(shí)，有必要分離金屬和化學(xué)成分。必須打開(kāi)密封金屬蓋以移除化學(xué)核心。顯然，必須防止化學(xué)物質(zhì)的活化，以避免危及生命的爆炸。激光參數(shù)的可控性、在水下工作的可能性以及遠(yuǎn)程控制的能力決定了激光是完成這項(xiàng)任務(wù)的完美工具。遙控器和其他USPs也讓拆除核電站變得有趣。與目前使用的等離子切割相比，使用激光的熔融材料體積減少到十分之一，這也將核污染粉塵減少到十分之一。最新的研究表明，厚混凝土塊可以可靠地分離成確定的碎片，然后可以進(jìn)行中間和最終的存儲(chǔ)。這里使用的激光裝置與金屬切割相同，但采用了新的工藝制度。

圖5打開(kāi)火箭筒導(dǎo)彈。

自從20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了一種工具(“鋒利”、力和接觸自由、極好的可控性、已知的最高強(qiáng)度和可擴(kuò)展性)以來(lái)，晶粒取向硅鋼的激光處理已經(jīng)被用于改善其磁性能。然而，新的需求需要耐熱或永久性結(jié)構(gòu)。深度約為10微米且盡可能窄的凹槽可產(chǎn)生所需的磁疇細(xì)化。激光遠(yuǎn)程處理、領(lǐng)域細(xì)化和系統(tǒng)工程知識(shí)的結(jié)合，使高效、高通量工藝的技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備設(shè)計(jì)成為可能。高亮度激光輻射、特定聚焦設(shè)置和內(nèi)部開(kāi)發(fā)的基于掃描儀的偏轉(zhuǎn)元件布置用于去除硅鋼，以形成所需的凹槽。除了物料處理（移動(dòng)工作臺(tái)而不是連續(xù)的線圈進(jìn)料），該設(shè)備模擬真實(shí)的生產(chǎn)條件。深度為20µm的凹槽可以以高達(dá)50 m/s的掃描速度進(jìn)行劃線。多束激光的同步能夠擴(kuò)大規(guī)模并提供相關(guān)的生產(chǎn)能力。

測(cè)試系統(tǒng)不限于激光域細(xì)化（圖6）。表面去除、大面積熱處理和進(jìn)一步的高性能工藝已經(jīng)應(yīng)用于使用各種激光源，并可根據(jù)客戶要求提供。

圖6激光域細(xì)化測(cè)試系統(tǒng)

純銅的增材制造
用AM制造復(fù)雜零件已不再是一種奇特的技術(shù)。它已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)甚至消費(fèi)者應(yīng)用中建立起來(lái)。然而，對(duì)于銅零件來(lái)說(shuō)，這還不是真的。作為熱應(yīng)用和電氣工程的關(guān)鍵材料，銅是無(wú)數(shù)部件的重要元素，在過(guò)去200年中為快速技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。由于其對(duì)常用紅外激光輻射的低吸收，純銅零件的AM尤其具有挑戰(zhàn)性。即使使用銅合金有助于解決這個(gè)問(wèn)題，合金元素也會(huì)大大降低材料的固有電氣和熱性能�；�于激光源和調(diào)幅技術(shù)的新發(fā)展，F(xiàn)raunhofer IWS已成功使用兩種不同的基于激光的調(diào)幅工藝制造純銅零件，每種工藝都具有特定的優(yōu)勢(shì)。

激光粉末床聚變（LPBF）可以使用眾所周知的LPBF技術(shù)制造具有功能集成（如內(nèi)部冷卻通道）的高分辨率復(fù)雜形狀零件。冷卻通道對(duì)于由純銅制成的高效熱交換器具有巨大的潛力。提高激光功率是一種選擇，使粉末能夠選擇性熔化，以克服通常使用的紅外激光光源的吸收差。然而，這也顯示了一些具體的缺點(diǎn)，例如整體效率低，由于高能輸入而成球，以及由于激光的大背向散射而可能損壞光學(xué)系統(tǒng)。切換到波長(zhǎng)為515 nm、吸收更高280%的綠色激光光源，整體效率更高。此外，這導(dǎo)致完全致密的部分(99.95%相對(duì)密度)具有非常好的導(dǎo)電性(>100%IACS，國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn))。

圖7使用綠色激光器制作多材料模具嵌件的LMD（純銅/鋼1.2764）。

激光金屬沉積（LMD）

十多年來(lái)，LMD一直是一種成熟的金屬部件涂層和修復(fù)技術(shù)。使用1 千瓦綠色激光源和專(zhuān)用加工頭，可以制造基板上的純致密銅零件以及復(fù)雜的半成品。與基于粉末床的增材制造相比，LMD使混合制造(增材、減法)方法和多材料工藝在新的維度上得以實(shí)現(xiàn)。各種粉末可以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、交換和混合，以獲得具有局部調(diào)整材料特性的多材料成分。該方法最近被應(yīng)用于通過(guò)局部實(shí)現(xiàn)銅特性顯著提高模具鑲件的性能，并實(shí)現(xiàn)縮短周期。

高功率激光熔覆

激光熔覆在工業(yè)上被廣泛用于精確地應(yīng)用定制的表面涂層和三維沉積物，用于金屬零件的修復(fù)和增材制造。然而，由于沉積速率通常較低，較大部件的加工，如石油和天然氣生產(chǎn)工具、造紙工業(yè)或農(nóng)業(yè)用工具，在經(jīng)濟(jì)上具有挑戰(zhàn)性�，F(xiàn)代大功率半導(dǎo)體激光器為大面積激光熔覆或增材制造提供了實(shí)用的解決方案，大大提高了生產(chǎn)率。

在IWS，20千瓦功率的激光線光纖耦合二極管激光器已被應(yīng)用十多年，以開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的涂層解決方案。使用該技術(shù)獲得的沉積速率等于甚至超過(guò)了普通PTA技術(shù)的典型值，同時(shí)帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)，如減少熱影響區(qū)、低變形和節(jié)省材料資源。多年來(lái)設(shè)計(jì)了多個(gè)同軸粉末噴嘴，以應(yīng)對(duì)不同的工業(yè)挑戰(zhàn)，例如使用環(huán)形間隙或多個(gè)粉末流，產(chǎn)生一個(gè)圓形斑點(diǎn)或一個(gè)矩形斑點(diǎn)，軌跡寬度從30µm到45 mm。

一旦設(shè)備的初始投資已攤銷(xiāo)，原料成本在優(yōu)化激光熔覆工藝中起著至關(guān)重要的作用。這種效果可以通過(guò)最大限度地提高沉積效率來(lái)抵消，可以使用更便宜的原料(