Разрыв в поглощении в современных облицовочных материалах

В области направленного наплавления (DED) и лазерной наплавки промышленность столкнулась с проблемой материалов. В то время как стандартные источники инфракрасного излучения (ИК) без труда справляются со сталью и титаном, рост спроса на медные и золотые сплавы, вызванный развитием рынков электромобилей и теплообменников для аэрокосмической промышленности, выявил ограничения традиционных источников с длиной волны 1064 нм.

Физика неумолима. При длине волны 1 мкм (инфракрасный диапазон) высокоотражающие металлы, такие как медь, поглощают менее 51 ТП3Т падающей энергии при комнатной температуре. Чтобы компенсировать это, операторы опасно повышают мощность своих диодный лазерный модуль, что приводит к чрезмерной турбулентности ванны плавления и “разбрызгиванию”. Решение, которое набирает популярность в 2024 и 2025 годах, заключается не только в увеличении мощности, но и в фундаментальном изменении длины волны: Синий Волоконно-связанный лазерный диод.

Преимущество длины волны: синий свет против инфракрасного

Для инженеров, занимающихся закупками волоконный лазерный модуль, понимание кривой коэффициента поглощения имеет решающее значение.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

Где $A$ — поглощение, а $R$ — отражательная способность.

• ИК (1064 нм) на меди: $\approx 5\%$ Поглощение.
• Синий (450 нм) на меди: $\около 65\%$ Поглощение.

Используя мощный синий волоконно-связанный лазерный диод, производители могут инициировать плавление с помощью энергии, в разы меньшей по плотности, чем требуется для ИК-систем. Это приводит к стабильному сварному шву с ограниченной теплопроводностью, а не к хаотичному режиму «замочной скважины».

Пример из практики: прорыв в области турбин в Цинциннати

Местонахождение: Цинциннати, Огайо, США

Компания: AeroBlade Dynamics (поставщик услуг по техническому обслуживанию и ремонту авиационных двигателей)

Дата: январь 2024 г. – август 2024 г.

Тема: Руководитель инженерного отдела Сара Дженкинс и задача “Инконель-медь”

Динамика AeroBlade специализируется на ремонте лопаток турбин высокого давления. В 2023 году компания заключила контракт на ремонт камер сгорания ракетных двигателей, изготовленных из запатентованного сплава меди, хрома и ниобия.

Проблема:

Их существующее 4-кВт ИК-волокно лазерная модульная система не удавалось. Чтобы расплавить медь, им приходилось запускать лазер на полной мощности 90%. Такая высокая интенсивность приводила к взрывному испарению медного порошка перед оседанием, что вызывало пористость 8% в слоях покрытия, что было неприемлемо для аэрокосмического оборудования.

Решение:

Сара Дженкинс возглавила работу по интеграции системы гибридного диодного лазерного модуля. Эта индивидуальная установка сочетает в себе:

1. 2 кВт синий (450 нм) волокнистое соединение лазерный диод (для увлажнения поверхности).
2. Диод ИК (976 нм) мощностью 2 кВт (для глубокого нагрева объема).

Реализация:

Лучи были объединены в одно 600-микронное волоконное оптоволокно. Синий свет эффективно соединялся с медной поверхностью, мгновенно создавая плавленную ванну. Затем инфракрасная энергия поддерживала ванну, обеспечивая высокоскоростное осаждение.

Результат (проверен в августе 2024 г.):

1. Пористость: Уменьшено с 8% до <0,1% (полностью плотные детали).
2. Скорость: Скорость наплавки увеличилась на 300% (с 0,4 м/мин до 1,2 м/мин).
3. Эффективность: Общее потребление электроэнергии снизилось на 401 ТП3Т, поскольку процесс основывался на эффективности поглощения, а не на грубой силе.

“Это как переход от кувалды к скальпелю”, — сообщил Дженкинс в официальном документе, представленном на конференции RAPID + TCT. “Синий диод предварительно нагревает оптический путь, прокладывая дорогу для инфракрасной энергии. Мы больше не боремся с отражательной способностью”.”

Интеграция модулей для гибридных систем

Создание гибридной системы DED требует сложных диодный лазерный модуль выбор. Нельзя просто соединить волокна между собой.

1. Архитектуры объединения лучей

Для смешивания длин волн (например, 450 нм + 976 нм) требуется дихроичный комбайнер лучей внутри корпуса модуля.

• Эффективность передачи: Высококачественные модули достигают эффективности >98% на оптическом комбайнере.
• Охлаждение: Сам комбайнер поглощает рассеянный свет и требует активного охлаждения. Если волоконный лазерный модуль отсутствие внутреннего контроля температуры комбайнера, тепловое смещение приведет к рассогласованию лучей.

2. Диаметр волокнистого сердечника и плотность луча

Для плакирования “яркость” (мощность на единицу площади/телесного угла) менее важна, чем для резки, но ключевым фактором является равномерность.

$$Плотность мощности (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2}$$

Связанный с волокном лазерный диод с прямоугольным или квадратным волокнистым сердечником (Square Core Fiber) все чаще предпочитается для облицовки. Круговой луч чрезмерно перекрывается в центре во время растрового сканирования, вызывая накопление тепла. Квадратный луч обеспечивает идеально равномерное “покрытие” теплом, снижая остаточное напряжение в печатной детали.

3. Изоляция обратного отражения

При обработке меди с высокой мощностью обратное отражение является интенсивным. диодный лазерный модуль должны быть оснащены специальными покрытиями на коллимационных линзах, чтобы не допускать возврата света с длиной волны 450 нм в излучатели с длиной волны 976 нм и наоборот. Стандартные антибликовые (AR) покрытия недостаточны; обязательно использование специальных двухдиапазонных покрытий.

Заключение

Будущее аддитивного производства металлов заключается в универсальности материалов. Подход “один лазер подходит для всех” устарел. Применение лазеров с определенной длиной волны волоконно-связанный лазерный диод технологии — в частности, гибридных системах Blue/IR — производители могут обрабатывать отражающие металлы с той же легкостью, что и сталь. Для мастерских по техническому обслуживанию, ремонту и эксплуатации, таких как Динамика AeroBlade, Речь идет не только о качестве, но и об открытии совершенно новых источников дохода в космической отрасли и секторе электромобилей.

Ваш оптический двигатель оптимизирован для материалов будущего или вы все еще боретесь с отражательной способностью?