CN116575022A - 铜基材上激光熔覆银层的方法及其在水电机组大电流铜母线修复中的应用 - Google Patents
铜基材上激光熔覆银层的方法及其在水电机组大电流铜母线修复中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种铜基材上激光熔覆银层的方法及其在水电机组大电流铜母线修复中的应用，具体步骤为：S1、熔覆前预处理：打磨去除铜基材表面杂质及氧化层，清理干净并干燥；S2、激光熔覆：采用蓝光激光熔覆设备，以银铜合金粉末作为粉材，通过同轴送粉的方式在对铜基材进行激光熔覆银层，其中激光功率为1100W‑1350W，激光熔覆头扫描速度6mm/s‑10mm/s，搭接率45%‑65%；S3、打磨铜基材表面熔覆银层，使其符合相关要求。采用本发明提供的方法，能够在铜母线表面熔覆高反射性，高导热性银合金涂层，且铜母线与表面熔覆银层能够实现冶金结合，结合强度高；本发明可以实现单层熔覆银层厚度0.1mm‑0.4mm，也可以根据需要进行多层熔覆。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种铜基材上激光熔覆银层的方法及其在水电机组大电流铜母线修复中的应用。
背景技术
水电机组的铜母线作为电气连接重要部件，承担大电流导通作用。为了提高导电效率，通常在铜母线接头表面镀有银层。铜母线表面的银层受镀银工艺及相关标准影响，银层厚度较薄，且经过长期运行后，铜母线表面镀银层因结合力较差会出现镀银层脱落的银层失效现象。
目前，激光熔覆技术是随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的激光增材制造技术，同时，激光熔覆技术具有的技术优势较为突出，基材与表面覆材为冶金结合，结合强度相对较高，组织致密孔隙很少，稀释率也因此较低，并且熔覆涂层厚度可控等，这些优点也契合铜母线表面银层的需求。
但目前普遍使用的激光光源为红外激光光源(波长1000nm左右)，并不适用与铜母线表面熔覆银层，因为铜和银为高反射金属在红外激光波段吸收率很低，其中铜在红外波段吸收率仅为5％左右，银对红外波段激光吸收率甚至更低，基于铜良好的导热性能，使用红外激光光源的激光熔覆手段在铜表面加工飞溅极大，熔覆涂层气孔、夹杂多，熔覆涂层质量较差，甚至有稳定成型的困难。
发明内容
本发明提供一种铜基材上激光熔覆银层的方法及其在水电机组大电流铜母线修复中的应用，该方法提高基材和粉材对激光的吸收率，熔覆层无气孔夹杂缺陷。
本发明的技术方案是，一种铜基材上激光熔覆银层的方法，具体步骤为：
S1、熔覆前预处理：打磨去除铜基材表面杂质及氧化层，清理干净并干燥；
S2、激光熔覆：采用蓝光激光熔覆设备，以银铜合金粉末作为粉材，通过同轴送粉的方式在对铜基材进行激光熔覆银层，其中激光功率为1100W-1350W，激光熔覆头扫描速度6mm/s-10mm/s，搭接率45％-65％；
S3、打磨铜基材表面熔覆银层，使其符合水电机组相关要求。
进一步地，所述铜基材为T2紫铜，铜含量(wt％)≥99.9，其它杂质(wt％)≤0.1。
进一步地，S2中银铜合金粉末按质量分数及计，Cu：20～30％，Ni：8～15％，Si：0.5～2％，其余为银及不可避免的杂质。
进一步地，银铜合金粉末粒径为75μm-150μm，使用前进行烘干。
进一步地，S2中蓝光激光熔覆设备的蓝光激光波长为450nm-480nm。
进一步地，S2中激光熔覆时光斑为圆形光斑，直径为1.5mm-1.8mm。
进一步地，S2中同轴送粉方式采用环形送粉嘴，送粉嘴与圆形光斑同轴。
进一步地，S2中激光熔覆时送粉气流量为10-15L/min；送粉量为4g/min-8g/min；保护气流量为10-15L/min；送粉气和保护气均为惰性气体，包括但不仅限于氮气、氩气或氦气。
进一步地，S3中铜基材表面银层打磨后厚度要求大于0.1mm，表面粗糙度小于Ra0.8。
进一步地，铜母线表面可进行多层银涂层熔覆，且单层熔覆银层厚度在0.1mm-0.4mm。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中采用蓝光激光光源，相较于红光激光光源，能够大幅提高材料对激光的吸收率，且本发明中的激光熔覆基材和粉材均为高反射材性材料，尤其是银粉末材料对红外波段激光的吸收率(不足3％)相比于铜基材(对红外波段激光吸收率不足5％)更低，导致在铜基材上熔覆银粉末材料的工艺窗口较窄，难以找到铜基材和银粉末材料吸收激光能量充分熔化结合的平衡点，而采用短波长的蓝光激光对铜基材和银粉末进行熔覆时可以有效提高对激光的吸收率。
2、在铜基材上通过蓝光激光熔覆银粉末材料时，虽然铜基材和银粉末对激光能量的吸收率提高了，但铜基材和银粉末材料对激光能量的吸收率仍旧存在较大差异，而不同材料对激光能量吸收率的差异会导致各材料吸收激光能量打开熔池的最低能量阈值和熔池沸腾过烧的最高能量阈值不一样，若仅达到铜基材吸收激光能量达到打开熔池的最低阈值而银粉末材料未能达到熔化的阈值时制备出的熔覆层会出现团聚、未熔合等缺陷；若完全达到银粉末材料完全充分熔化的阈值时，铜基材对激光能量的吸收更多进而导致铜基材过烧和熔池沸腾，而铜液态下流动性好会在熔池出现沸腾时会快速流动凝固时快速闭合从而导致熔池内有未能充分溢出的气体及杂质被禁锢形成气孔及夹杂缺陷。发明人创造性的发现功率在1100～1350W能够较好的匹配铜基材和银铜合金粉的熔池状态，同时通过低扫描速度和高搭接率的控制，能够实现熔覆层组织致密，无气孔夹杂缺陷。
3、采用本发明提供的方法，能够在铜母线表面熔覆高反射性，高导热性银合金涂层，且铜母线与表面熔覆银层能够实现冶金结合，结合强度高；本发明可以实现单层熔覆银层厚度0.1mm-0.4mm，也可以根据需要进行多层熔覆。
4、本发明中采用的银铜合金粉末中，通过掺入一定量的Cu，能够提高抗氧化性能，强化机械性能，Cu的掺入量大，Cu与Ag形成共晶强化其机械性能，但Cu含量的大量加入，容易造成析晶，本发明中通过加入一定量的Ni，能够细化晶粒，降低银基合金内部组织的偏析；更进一步地，该合金材料中加入一定量的Si，其与Cu协同，能够显著提高合金材料的抗高温氧化性能。
附图说明
图1为在水电机组大电流铜母线上熔覆银层后的图片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
以下实施例中使用的银铜合金粉末中，按质量百分数计，Cu：28％，Ni：10％，Si为1％，余量为Ag及不可避免的杂质，其粒径在75μm～150μm。
实施例1：
铜基材上激光熔覆银层的方法，铜基材采用铜板，进行单层熔覆，要求熔覆打磨后银层厚度在0.1mm以上，粗糙度小于Ra0.8。
具体步骤为：
1、将银铜合金粉末置于经烘干设备140℃环境下，30min烘干。
2、开启保护气(高纯氮气)，保持气流量恒定，直至关闭设备电源。
3、激光熔覆头与铜板表面始终保持12～14mm。
4、使用800目砂纸打磨铜板。使用无尘布及工业酒精擦拭铜板表面金属粉尘，灰尘，油污等，保证铜板的表面洁净，晾干，保持铜板表面干燥。
5、选定工艺参数如下所示：激光光斑直径1.6mm，激光功率1300W，激光熔覆头扫描速度6mm/s，熔覆扫描搭接率50％，银铜合金粉末送粉量4.5g/min，送粉气流量11L/min，激光熔覆保护气气流量11L/min。
6、激光熔覆完成后使用先后使用100目、400目砂纸打磨银熔覆层。检测银熔覆层前后表面粗糙度、厚度。打磨后满足水电机组的铜母线要求粗糙度小于Ra0.8，银层厚度大于0.1mm无气孔夹杂缺陷，具体见表1。
实施例2-1
以实施例1为基础，区别仅在于：激光功率1100W。激光能量密度达到打开熔池的最低能量阈值时才能形成熔池，进而实现激光熔覆。
实施例2-2
以实施例1为基础，区别仅在于：激光功率1000W。熔池打不开，不能实现熔覆。
实施例2-3
以实施例1为基础，区别仅在于：激光功率1400W。激光能量密度过高后会导致铜基材出现过烧，以及熔池沸腾情况，一定程度加剧熔池流动性，并在凝固时快速闭合，最终导致熔覆层出现气孔、夹杂等缺陷，而Cu和Ag会形成共晶体，在熔池不稳定状态下也可能导致出现组织偏析的情况。
实施例3-1
以实施例1为基础，区别仅在于：激光熔覆头扫描速度10mm/s。
实施例3-2
以实施例1为基础，区别仅在于：激光熔覆头扫描速度20mm/s。缩短了单位熔覆尺寸内激光的热输入时间，降低了单位熔覆尺寸内的热积累，导致熔池不能稳定充分的熔化，熔覆层会出现较多未熔合缺陷。
实施例4：
铜板表面单层熔覆后，进一步在铜板表面熔覆多层银涂层。
与实施例1操作流程相同。
在完成第二层蓝光激光熔覆银层后，检测打磨前后熔覆银层厚度及表面粗糙度，如表1所示。
铜板表面银层打磨后满足基础要求粗糙度小于Ra0.8，银层厚度大于0.3mm无气孔夹杂缺陷。
以上实施例所得银熔覆层打磨前和打磨后表面粗糙度、厚度检测结果见表1。
表1
将本发明的方法用于水电机组大电流铜母线激光熔覆银修复，铜母线与熔覆银层对蓝光激光光源的吸收率均较高，能够在铜母线上形成一定厚度无气孔无夹杂的银涂层，如图1所示。实现冶金结合。
Claims (10)
1.一种铜基材上激光熔覆银层的方法，其特征在于，具体步骤为：
S1、熔覆前预处理：打磨去除铜基材表面杂质及氧化层，清理干净并干燥；
S2、激光熔覆：采用蓝光激光熔覆设备，以银铜合金粉末作为粉材，通过同轴送粉的方式在对铜基材进行激光熔覆银层，其中激光功率为1100W-1350W，激光熔覆头扫描速度6mm/s-10mm/s，搭接率45%-65%；
S3、打磨铜基材表面熔覆银层，使其符合相关要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铜基材为T2紫铜，铜含量（wt%）≥99.9，其它杂质（wt%）≤0.1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S2中银铜合金粉末按质量分数及计，Cu：20~30%，Ni：8~15%，Si：0.5~2%，其余为银及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：银铜合金粉末粒径为75μm-150μm，使用前进行烘干。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S2中蓝光激光熔覆设备的蓝光激光波长为450nm-480nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S2中激光熔覆时光斑为圆形光斑，直径为1.5mm-1.8mm；同轴送粉方式采用环形送粉嘴，送粉嘴与圆形光斑同轴。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S2中激光熔覆时送粉气流量为10-15L/min；送粉量为4g/min-8g/min；保护气流量为10-15L/min；送粉气和保护气均为惰性气体，包括但不仅限于氮气、氩气或氦气。
8.根据权利要求1~8任意一项所述的方法，其特征在于：S3中铜基材表面银层打磨后厚度要求大于0.1mm，表面粗糙度小于Ra0.8。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：铜母线表面可进行多层银涂层熔覆，且单层熔覆银层厚度在0.1mm-0.4mm。
10.权利要求1~9任意一项所述方法在水电机组大电流铜母线修复中的应用。
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