2021激光研討會和第四屆國際增材制造研討會（ISAM）綜述

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，過去四十年來，基于激光的工藝已經(jīng)從小眾應用發(fā)展到工業(yè)加工鏈中被廣泛接受的工具。從CO2激光器開始，新型激光源（如連續(xù)波或脈沖光纖激光器和圓盤激光器）的開發(fā)，促進了激光在切割、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用。

圖1純銅基準幾何圖（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)域的廣泛應用提供了制造解決方案：汽車、交通、航空和航天、能源、工具和模具、石油和天然氣、醫(yī)療等。基于現(xiàn)代生產(chǎn)中的高技術(shù)成熟度和經(jīng)驗證的經(jīng)濟效益，科學家和工程師們?nèi)栽诓粩嗯�力開拓激光加工的新領(lǐng)域。本文重點介紹了最新的成就、趨勢和新的應用領(lǐng)域。

動態(tài)激光束成形可以緩解易裂紋材料的焊接問題，并開辟了新的應用領(lǐng)域，例如在電子移動性方面。新開發(fā)的壓電驅(qū)動致動器正在取代現(xiàn)有的振鏡驅(qū)動2D掃描光學元件。允許在三個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)需要深入的工藝理解，但如果焊接使用新的激光系統(tǒng)，如具有高強度光束調(diào)制的相干光束組合，則更為重要。

圖2激光焊接過程中，通過AlMg3中的動態(tài)光束成形，對熔池內(nèi)氣體體積的形成和脫氣進行X射線成像。


圖3實驗裝置包括激光電纜（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（3）、狹縫/快門（4）、高分辨率顯微鏡（5）和Gigafrost相機（6）。

使用新開發(fā)的X射線斷層掃描裝置（圖3）研究焊接過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程中，梁成形具有穩(wěn)定作用。此外，二維光束成形對熔池移動和焊縫缺陷的形成有影響。目前的研究主要集中在對焊縫質(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聯(lián)系起來，對工業(yè)應用具有重要意義。

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，機器運動學和動力學通常是限制因素，因此只有線性切割才能實現(xiàn)高切割速度。這里的目標是用快速激光切割代替帶狀材料的機械剪切切割。激光縱切的優(yōu)點顯而易見：無刀具磨損、無加工時間，以及對高強度鋼和鋁、銅等“軟”金屬的技術(shù)優(yōu)勢。為了經(jīng)濟地加工電工鋼，必須達到至少200 m/min的切割速度。對工藝窗口（即激光功率、焦點位置、噴嘴間距和氣體壓力）進行評估后，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為配備2 kW單模光纖激光器的試驗縱切線機。因此，以200 m/min的進給速度成功切割了1 km厚270µm的電工鋼。在先進工藝研究中，我們通過5 kW單模光纖激光器以高達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年問世，被認為是彈藥處理工業(yè)中一種成熟的工藝。激光的獨特特性吸引了它們在特殊用途上的應用。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，有必要分離金屬和化學成分。必須打開密封金屬蓋以移除化學核心。顯然，必須防止化學物質(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程控制的能力決定了激光是完成這項任務的完美工具。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，然后可以進行中間和最終的存儲。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打開火箭筒導彈。

自從20世紀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、已知的最高強度和可擴展性)以來，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)生所需的磁疇細化。激光遠程處理、領(lǐng)域細化和系統(tǒng)工程知識的結(jié)合，使高效、高通量工藝的技術(shù)開發(fā)和設(shè)備設(shè)計成為可能。高亮度激光輻射、特定聚焦設(shè)置和內(nèi)部開發(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（移動工作臺而不是連續(xù)的線圈進料），該設(shè)備模擬真實的生產(chǎn)條件。深度為20µm的凹槽可以以高達50 m/s的掃描速度進行劃線。多束激光的同步能夠擴大規(guī)模并提供相關(guān)的生產(chǎn)能力。

測試系統(tǒng)不限于激光域細化（圖6）。表面去除、大面積熱處理和進一步的高性能工藝已經(jīng)應用于使用各種激光源，并可根據(jù)客戶要求提供。

圖6激光域細化測試系統(tǒng)

純銅的增材制造
用AM制造復雜零件已不再是一種奇特的技術(shù)。它已經(jīng)在各個行業(yè)甚至消費者應用中建立起來。然而，對于銅零件來說，這還不是真的。作為熱應用和電氣工程的關(guān)鍵材料，銅是無數(shù)部件的重要元素，在過去200年中為快速技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻。由于其對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問題，合金元素也會大大降低材料的固有電氣和熱性能。基于激光源和調(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。

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）的高分辨率復雜形狀零件。冷卻通道對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，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系統(tǒng)。切換到波長為515 nm、吸收更高280%的綠色激光光源，整體效率更高。此外，這導致完全致密的部分(99.95%相對密度)具有非常好的導電性(>100%IACS，國際退火銅標準)。

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，LMD一直是一種成熟的金屬部件涂層和修復技術(shù)。使用1 千瓦綠色激光源和專用加工頭，可以制造基板上的純致密銅零件以及復雜的半成品。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現(xiàn)。各種粉末可以在現(xiàn)場應用、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。該方法最近被應用于通過局部實現(xiàn)銅特性顯著提高模具鑲件的性能，并實現(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用定制的表面涂層和三維沉積物，用于金屬零件的修復和增材制造。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)濟上具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)代大功率半導體激光器為大面積激光熔覆或增材制造提供了實用的解決方案，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用十多年，以開發(fā)具有競爭力的涂層解決方案。使用該技術(shù)獲得的沉積速率等于甚至超過了普通PTA技術(shù)的典型值，同時帶來了顯著的優(yōu)勢，如減少熱影響區(qū)、低變形和節(jié)省材料資源。多年來設(shè)計了多個同軸粉末噴嘴，以應對不同的工業(yè)挑戰(zhàn)，例如使用環(huán)形間隙或多個粉末流，產(chǎn)生一個圓形斑點或一個矩形斑點，軌跡寬度從30µm到45 mm。

一旦設(shè)備的初始投資已攤銷，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。這種效果可以通過最大限度地提高沉積效率來抵消，可以使用更便宜的原料(