激光熔覆在结晶器铜板修复与强化中的应用

摘要：结晶器铜板在连铸生产中承受高温、磨损与热疲劳，其表面状态直接影响铸坯质量和生产效率。激光熔覆技术以其高精度、低热输入和冶金结合强等优势，成为铜板修复与强化的前沿工艺。本文结合江苏智远激光装备科技有限公司的“结晶器铜板激光熔覆系统”的技术资料，系统阐述激光熔覆在结晶器铜板再制造中的工艺原理、技术挑战、装备发展与应用优势，重点分析蓝光、近红外及蓝红复合激光在铜合金熔覆中的特性，为该技术的工业化推广提供理论参考。   

1. 引言

      结晶器是连铸设备的核心，其铜板内壁直接与高温钢水接触，长期承受热冲击、摩擦磨损与腐蚀，易产生热裂纹、划伤、磨损等缺陷，导致铸坯表面质量下降，甚至引发漏钢事故。传统修复方法如堆焊、电镀等存在热影响区大、结合强度低、易变形等问题。激光熔覆技术通过高能激光束局部熔化基材与添加材料，形成冶金结合的致密涂层，可实现铜板尺寸恢复与性能提升，已成为先进再制造的关键手段。

2. 激光熔覆铜合金的技术挑战与机理

2.1 铜对激光的高反射特性

      铜及其合金在近红外波段（如常见的1064 nm）吸收率极低（通常低于5%），大部分激光能量被反射，不仅能量利用率低，反射光还可能损伤光学系统。如图所示，铜对短波长激光（如蓝光450 nm左右）的吸收率显著提高，可达60%以上，这是实现高效熔覆的重要物理基础。   

2.2 温度窗口与工艺稳定性

 铜的导热率极高，熔池形成与凝固速度快，有效熔池的温度窗口窄。工艺参数微小波动易导致未熔合、气孔或过度烧损，对激光功率、送粉、扫描速度的匹配性要求极为严格。   

2.3 吸收率动态变化

      铜在固态、液态及不同表面状态（氧化、粗糙度、粉末粒度）下对激光的吸收率差异显著。熔覆过程中吸收率的动态变化进一步增加了工艺控制的复杂性。

3. 不同波长激光在铜合金熔覆中的性能对比

蓝红复合激光熔覆原理：如图所示，先以蓝光照射铜表面，利用其高吸收率使表层迅速熔化；液态铜对红外激光吸收率大幅提升，此时红外激光作为主力能量源深入加热，实现稳定熔池与高效送粉/送丝。该技术兼顾了吸收效率与功率需求，显著降低飞溅与气孔，拓宽了工艺窗口。

4. 结晶器铜板激光熔覆系统关键设备参数

 以智远激光系统为例，其主要技术指标包括：   

•        激光系统：高功率蓝光（3–6 kW）或蓝红复合激光，适应铜材的高反特性；

•        运动机构：高精度机械手或多轴联动数控系统，适应结晶器曲面轨迹；

•        熔覆材料：CrZrCu、镍基/钴基合金、镍基WC等，满足耐磨、抗热疲劳需求；

•        送料方式：同轴送粉/送丝，精度高，涂层均匀；

•        监测与控制：集成CCD视觉与红外测温，实时监控熔池，实现闭环工艺控制。

5. 激光熔覆在结晶器铜板上的应用优势

1.      冶金结合强：涂层与基体为完全冶金结合，结合强度高于传统工艺，不易剥落。

2.      低稀释率与低变形：热输入集中，基体热影响区小，避免铜板热变形。

3.      涂层性能可设计：通过选用耐磨、耐蚀、抗热疲劳的合金粉末，可针对性提升铜板寿命。

4.      修复精度高：可实现0.1–2 mm的精确修复，减少后续加工量。

5.      绿色再制造：减少铜资源消耗，符合可持续发展理念。

6. 结论与展望

      激光熔覆技术为结晶器铜板的修复与强化提供了高效、高质的解决方案。针对铜的高反特性，蓝光与蓝红复合激光技术显著提升了工艺稳定性与效率。随着高功率蓝光激光器成本的降低与复合工艺的优化，该技术有望在冶金连铸行业大规模推广，推动结晶器延寿与智能化再制造的发展。   

      未来研究方向可聚焦于：   

•        开发针对铜板工况的专用合金材料体系；

•        多波长、多光束复合工艺的智能控制；

•        在线监测与自适应调整系统的集成；

•        大型曲面轨迹规划与工艺参数数据库构建。

作者简介

      本文基于江苏智远激光装备科技有限公司的技术实践撰写。智远激光成立于2015年，是国家级高新技术企业，专注于激光加工"工艺+设备+服务"一体化解决方案，拥有14项发明专利、33项实用新型专利和1项软件著作权，荣获2024年度北京市科学技术发明二等奖、2024年度中国电子学会科学技术发明二等奖、2025年国际有色金属新材料大会优秀科技成果奖 等荣誉。