海外来风 | 一文读懂激光熔覆技术的前沿优势
2021年12月27日
自1993年成立以来，总部坐落于澳大利亚新南威尔士的LaserBond公司始终专注于先进表面加工技术的研究、开发和实施，以大幅度降低对生产至关重要的零部件的磨损率、维护与运营成本。该公司在一系列资本密集型产业中，从事高磨损性关键金属部件的制造、维修与回收业务，并致力提高其性能，特别是在采矿业中，其设备必须在各种高磨蚀性及超常磨损条件下持续运行。
与此同时，LaserBond还服务于采矿业以外的诸多行业，包括金属精炼和冶炼、发电、公路与铁路运输、航空航天和燃气轮机、船舶、阀门、流体处理、油田钻井与勘探等。
激光沉积技术的发展
LaserBond最新增长源自其专利的激光沉积工艺的发展。这项研究工作由公司创始人兼执行董事Greg Hooper领导，旨在实现典型硬质相冶金中的高沉积率，并最大限度降低对基体和覆层的削弱影响。
“我们的方法可实现金属或金属基复合材料（MMC）层的激光沉积，以形成完整的冶金结合，这是通过利用一个支持多轴机器人，并与一个单独的多轴工件平台集成的精准聚焦、无极可控的高功率激光束，将精确控制的热能传递到基材和沉积层来实现的，”Hooper解释道，“这种集成使热敏型部件及材料的修复得以实现，如淬火轴和齿轮，并最大限度降低了可能破坏部件完整性或工作性能的变形或其它不良热影响的风险。这种方法实现了由小得多的硬质相粒子形成的MMC覆盖层的沉积，并使热影响降到最低。新方法使硬质相浓度显著提高，并极大改善了其分布。因此，WC（碳化钨）颗粒间的平均自由路径更小，耐磨性大大提高。
图1：一般的复合层激光熔覆会产生不良削弱，碳化物相出现脱碳，从而降低性能。
同步图像（图1和图2）说明这种沉积技术创造出了重新设计高磨损部件的机会。此技术超越其它方法的主要优势为：
● 高沉积率；
● 基材削弱极低，可实现极薄的层厚；
● 几乎不存在热影响区，消除了对基材结构性能的影响；
● 变形可忽略不计，可实现对尺寸敏感型部件的激光熔覆。
图2：LaserBond 沉积技术可提供冶金结合，同时不会出现削弱的稀释效果，并 可实现层的沉积，存留的硬质相能保持高浓度。
LaserBond的一个独特之处，在于它对熔覆结合机制及合成冶金所采用的科学方法与理解。1995年，公司投资的内部实验室配备了一台扫描电子显微镜，供纳米级涂料和冶金术研究。
公司的潜孔（DTH）钻锤产品就是新沉积方法的一个直接成果。全面的独立测试证明了钻锤的磨损寿命延长了305%（超过3倍），另外，矿山现场的钻探总成本也降低了7.5%。
成功的关键
公司董事长Allan Morton强调了他们在资源行业三个领域内无与伦比的专业知识。“我们非常了解摩擦学……特别是在采矿、钻探和矿物加工等极端环境中的磨损机制，及其对成本的影响。第二项关键点是先进的冶金术。我们非常擅长开发特定用途的熔覆产品和技术，了解客户的应用和所出现的磨损特性，比如说，针对泥浆泵、或冲击钻、或连续地下采掘机，我们会为其定制一种专用合金。第三是我们对熔覆应用流程的广泛理解，也即我们具备指定正确方法及激光参数的能力。”
25年来，LaserBond自筹资金从事表面加工与激光应用方面的研发工作。公司最近与南澳洲大学（UniSA）未来产业研究所合作，为采矿业开发高磨损寿命技术，这定将提升有关磨损机制和激光熔覆技术应用的新认知。澳大利亚采矿设备、技术和服务部门（METS）行业竞争力十年计划提出了一个提高其全球竞争力的发展蓝图，尤为关注促进METS旗下企业与研究人员之间的协作。公司也得到资助以支持增加其研发活动。
“一旦加入行业协作或共同战略合作，关系就将发生转变，你不再只是一个供应商，并且可能也不再只是一个主要供应商，而是在共同从事开创性计划，在参与合作，并且加入一个互利联盟，”Morton表示，“它开启了一个巨大的机会。这就是为什么我认为澳大利亚政府的创新与科学部，以及南澳大利亚政府发展局，在促进与支持我们的激光技术研发工作、并协助我们的下一代激光熔覆系统发展方面，做了一件非常了不起的工作。”
技术许可
现在，LaserBond许可将其激光熔覆技术作为定制化的交钥匙系统，集成于定制软硬件和支持包中。支持包涉及根据客户具体应用并结合 4-10kW的光纤耦合二极管激光器，进行激光熔覆单元的设计、构建、安装和调试。对于未来的工作，公司正在其位于阿德莱德的先进制造与研究机构内安装一个16kW的激光器单元。熔覆头定位由一个六轴机器人负责，它是按照能在大覆盖范围内保持高稳定性和高控制能力的标准选择的。该公司还设计并制造自己的多轴工件定位系统，适用负荷达20吨的零部件（FRONTIS），摆长可达2-9米。
激光熔覆技术能实现20吨圆锥破碎机及其旋转轴的修复再利用。
公司执行董事Wayne Hooper对专有的粉末喷射喷嘴系统进行了描述，“大型矿业部件的熔覆需要在高功率水平下长时间运行，某些项目甚至要在最高功率下运行16小时。这一要求促使我们必须开发出自己的水冷、离轴粉末喷射喷嘴。它包含了快速可更换喷粉管和气体减压重力进料粉末混合器。待处理部件的几何形状将决定喷嘴的参数设置。这激励我们投资开发自有的控制系统”。
硕果累累
LaserBond已获得260万美元的政府资金支持，以开展采矿业激光熔覆表面加工项目，帮助提高磨损寿命。LaserBond负责领导该项目，UniSA和全球钻探设备制造商Boart Longyear均为合作伙伴，获得资金用于支持与材料科学相关的三年期合作，并使用相关技术来提高一系列磨损点，其中的很多都与矿业钻探开采息息相关。
巧合的是，LaserBond和Boart Longyear最近签署了一份战略伙伴关系，寻求开发互利商业产品和服务。UniSA也已和LaserBond签署合作研发协议，共同进行耐磨与表面熔覆加工技术、系统、工艺和应用的开发，服务资源、农业和其它重工业等领域的研究工作。
LaserBond已与亚洲一家大型矿产加工设备制造与维修公司签署了一项技术许可合同，初步涉及基于该公司具体应用的激光熔覆单元的设计、建造、安装和调试。“我们选择的这家公司已展示了参与国际技术合作的能力，其在采矿设备市场占据着极大的份额，” Hooper指出，“这项合同体现了LaserBond所开发技术和知识产权的重大价值。我们将本协议视为一个起点。”
如前所述，LaserBond的新型DTH钻锤的耐久性超过行业标准三倍以上，这是通过在南澳洲进行的一次对比试验得出的结论。在总部位于布里斯班的矿业咨询公司Xtega的独家掌控下，这次独立的对比试验在一个硬质金属岩石矿进行，选择的高磨蚀性岩矿石的兆帕值（MPa）介于 90-200。“磨损的降低是不容置疑的，它使LaserBond钻锤的使用寿命延长了305%，”Xtega总结道。其它好处包括机械可用性和效率的提高、更高的抗冲击性和渗透率、现场和操作者安全性的改善、更少的停机更换时间，以及7.5%的成本降低。
通过将LaserBond激光熔覆技术应用于现成部件，使一台地下采煤机的磨损寿命达到原先的10倍。“如果没有我们的关注，这些单元只能持续工作40-60小时，坚硬的岩石内含物就会磨穿水冷系统并导致其失效。然而现在，我们的客户有望节省数百万资金，”在进行现场性能检查后， Hooper解释道。
未来会怎样
2016年，LaserBond经历了商业上的成功，得益于其新产品研发和客户拓展，国内外市场出口销售增长了240%。Morton表示，“预计2017年该公司业绩有望增长30%，未来几年，依托其投资的下一代先进的激光熔覆技术单元，将凭借其适用于更广泛产品的更高覆层性能，为OEM客户开辟更多机遇。”
“关于未来，没有什么是绝对的，你要为自己设定可能达到的最高目标，并努力令其成为现实，”Morton指出，“我们的战略性国际关系正在供应商端和客户端不断成长。我们为那些寻求在严苛条件下获得高耐磨性能的公司提供定制服务。在战略合作伙伴关系下，LaserBond总是表现超群。举个例子，我们为一家国际公司定制设计出了一台能制造10吨级破碎机压辊的机器，并使其可实现翻新。
文章来源 《工业激光解决方案—中国版》
