Development of twin-Color LMD with Blue and IR diode lasers

使用蓝色和红外二极管激光器开发双色 LMD

基本信息

批准号：
22K04776
负责人：
佐藤雄二
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

レーザクラッディングは、基板表面に溶融池を形成し、そこに金属粉末を供給しながら、溶融凝固させて堆積する手法である。基板形状に制約が少ないため、肉盛溶接だけでなく、金型補修や積層造形など幅広く応用展開が進められている。熱源となるレーザには、波長が1.0μmの高出力レーザが用いられ、単一波長のレーザを用いて材料表面に過剰な溶融池を形成し、そこに材料粉末を供給して皮膜を形成する。そのため、熱影響が大きくなって熱ひずみや母材成分が皮膜に溶け込んだ希釈層が生じてしまい高品質な皮膜形成は難しかった。本研究では、青半導体レーザと近赤外半導体レーザの波長の異なるレーザを組み合わせた２波長複合レーザクラッディング法を開発することが目的とした。今年度は、皮膜材料ならびに基板に用いる純銅、アルミニウムなどの金属材料の光学特性を実測できる光学系を構築し、高温時の光学特性を実測した。試料には、直径9.5mm、表面粗さRa<5nm、純度99.5%の銅板、純度99.5%のアルミニウム基板を用いた。加熱プロセスには、1500℃まで加熱可能な真空ヒータを用い、800 ℃ま試料を加熱した。光源には、波長450 nmと980nm、出力1.5mWの半導体レーザを用いた。サンプル反射前後のPDの出力比率を計測し、各ミラーにおける出力減衰は、アルミミラーに対する銅の相対反射率で補正を行った。加熱過程では酸化を防ぐため真空ポンプを用いて10 Paまで減圧後、Arガスを大気圧まで充填し、Arガスをサンプルにフローしながら測定を行った。その結果、アルミニウムでは、融点の500℃まで加熱しても波長450nm、980nmの反射率の変動性は0.1%以下と大きな変化は見られなかったが、純銅では、融点の1000℃まで加熱すると波長450nmでは反射率が1%増加したのに対し、波長980nmでは2.5%減少することがわかった。

激光熔覆是在基体表面形成熔池，将金属粉末供给至熔池并沉积在其上的同时熔化并凝固的方法。由于对基材形状的限制很少，因此它不仅用于堆焊，而且还用于模具修复和增材制造等广泛的应用。采用波长1.0μm的高功率激光作为热源，利用单波长激光在材料表面形成过量熔池，并向其供给材料粉末，形成薄膜。其结果是，热的影响增大，热应变和基材成分溶解到膜中的稀释层产生，难以形成高品质的膜。本研究的目的是开发一种将不同波长的蓝色半导体激光器和近红外半导体激光器组合在一起的双波长复合激光熔覆方法。今年，我们构建了一个光学系统，可以实际测量用于涂层材料和基材的纯铜和铝等金属材料的光学特性，并测量高温下的光学特性。所用样品为直径为9.5mm、表面粗糙度Ra<5nm的铜板、纯度为99.5%的铜板、以及纯度为99.5%的铝基板。在加热过程中，使用能够加热至1500℃的真空加热器将样品加热至800℃。使用波长为450nm和980nm且输出为1.5mW的半导体激光器作为光源。测量样品反射前后的PD输出比，并通过铜镜与铝镜的相对反射率来校正每个镜处的输出衰减。在加热过程中，使用真空泵将压力降低至10Pa以防止氧化，然后将Ar气填充至大气压，并在使Ar气流过样品的同时进行测量。结果，在铝中，即使加热到其熔点 500°C，在 450 nm 和 980 nm 波长处反射率的变化也没有显着变化，小于 0.1%，但在纯铜中，当加热到其熔点为1000℃，波长发现在450nm波长处反射率增加1%，而在980nm波长处减少2.5%。