一、研究背景

因具有优异的抗菌性、导热导电性，纯铜作为一种前景广阔的涂层材料，被广泛应用于医疗设备、核工业和新能源汽车领域。

不同激光波长对纯铜激光熔覆有重要影响，纯铜材料对红外激光有很高的反射率，焊接起始阶段难以形成稳定的熔池，容易产生飞溅、锁孔等缺陷，影响焊接质量和效率。故反射率较低的蓝光激光熔覆技术成为制备纯铜涂层技术的研究热点。

广西大学研究人员采用基于高速摄像技术的可视化实验方法（如图2），使用不同波长的激光和扫描速度对316L不锈钢基板覆铜粉，利用高速摄像机研究其对液滴飞溅和粉末飞溅的影响，以及开展涂层的宏微观结构、元素分布和机械性能等进一步研究，可为纯铜涂层制备提供理论指导。

二、可视化实验仪器、实验工况

1）采用316L不锈钢作为基底，覆层采用含量为99.7%、粒径70~120µm之间的铜粉（如图1）。

图1 铜粉

2）1080nm波长的红外光纤激光器，455nm波长的蓝光激光器，按激光熔覆速度各设计三组实验用于比较（如表1）。

表1 激光熔覆的实验工况

3）千眼狼高速摄像机（Revealer X213M），以1280×1024 @10000fps参数观测。

4）808nm，40W的二极管激光器，用于减少激光辐射反射和蒸汽羽流的影响。

图2  可视化实验装置

三、高速摄像可视化实验部分

采用千眼狼高速摄像机拍摄的不同激光波长下熔池喷溅过程如图3所示，分析如下：

1）喷射飞溅物的运动有两种，一种是与覆层加工方向相反的“熔滴飞溅”，是由马兰戈尼流和蒸汽反冲压力造成，飞溅过程中经冷却后形成球形液滴。另一种是沿激光熔覆方向的“粉末飞溅”，来自激光束附近熔化或未熔化的金属，在反冲压力的挤压下向外飞溅。

2）通过比较发现，较蓝色激光，红外激光熔覆在粉末层产生了大量的飞溅物。扫描速度为50mm/s时，溅射物以粉末飞溅为主。这是因为扫描速度50mm/s时，激光输入热量有限，铜材料在红外激光下反射率较高，粉末吸收的能量不足以支持其熔化，导致熔池的稳定性较差。随着扫描速度的降低，溅射由粉末飞溅转变为液滴飞溅，热量增加导致熔池上方的金属蒸汽增多，形成向下反冲压力。

3）当纯铜材料的温度达到熔点时，铜对红外激光的吸收率会快速变化，并导致熔池的不稳定性增加。由于红外激光是高斯热源，热源中心的高能量强度使材料达到熔点后迅速升至沸点，致使涂层出现局部锁孔现象，加剧熔池的不稳定性，液滴易被金属蒸汽加速并向后喷出，因此，纯铜材料的红外激光熔覆更易产生飞溅。

4）蓝光激光熔覆下，扫描速度为50mm/s时，飞溅也以“粉末溅射”为主，随着扫描速度的降低，粉末飞溅逐渐转变为液滴飞溅。蓝光激光下的纯铜材料具有较高的吸收率，在激光束下迅速熔化，并立即在基底上润湿和扩散。由于纯铜材料在蓝光激光下的吸收率不会随着材料的熔化而显著增加，因此熔化过程稳定，飞溅较少。

5）激光熔覆后，通过电火花线切割样品，进一步研究了涂层的宏观形态、微观结构和显微硬度：利用景深光学显微镜观察涂层的表面宏观形态，用光学显微镜研究涂层横截面的微观结构，用扫描电子显微镜研究涂层的微观结构和元素分布，用显微硬度计测量了不同激光参数下涂层的显微硬度分布。

图3 高速摄像机拍摄的红外、蓝光激光波长下的熔池喷溅

四、研究结论

本研究采用了包括高速摄像的可视化实验方法，对使用红外激光和蓝光激光对纯铜熔覆进行横向比较研究。通过熔覆过程中的飞溅种类飞溅过程、涂层形态、微观结构、元素分布和机械性能，系统研究了红外激光熔覆和蓝光激光熔覆的区别。

高速摄像可视化实验部分结论如下：蓝光熔覆过程中，液滴飞溅和粉末飞溅明显减少。纯铜材料在455nm蓝激光下具有更高的能量吸收率。此外，蓝光激光熔池更加稳定，减少因马兰戈尼对流向后流动的不稳定性导致的飞溅。同时蓝激光的半平顶形能量分布使加热更加均匀，可有效避免局部过度加热，减少因金属蒸发不稳定产生的飞溅。