雷射粉末銲接技術之製程研發與應用

本文研發先進粉末聚焦之同軸式雷射噴嘴，建構高粉末堆積效率之雷射粉末銲接相關製程技術的應用。雷射粉末銲接製程，除可進行送粉雷射銲接外，並涵蓋粉末雷射披覆處理製程。在製程應用印證方面，包含2205雙相不銹鋼添加鎳粉之送粉雷射銲接與17-4 PH不銹鋼汽機葉片抗沖蝕區之雷射披覆處理等。
同軸噴嘴經模擬設計與試作件噴嘴特性測試結果，證實符合設計條件要求，並較目前之噴嘴有更佳之聚焦粉末流束、較高之粉末集中濃度分佈及粉末堆積效率等優異性。由於同軸噴嘴採雙環氣配合拘束式送粉設計，隨氣體流場之作用，改變粉末流束之集中與濃度分佈，提升粉末堆積效率與雷射遮蔽率。經由雷射焦點相對於噴嘴出口位置之調整、中心氣與雙環氣流量之控制，可改變粉末流束形狀，形成圓柱或中空之倒圓錐狀，配合雷射光與粉末流束之交互作用程度，可進行送粉雷射銲接與雷射披覆處理製程之多功能應用。
應用同軸噴嘴添加鎳粉，進行2205雙相不銹鋼之送粉雷射銲接結果顯示，隨鎳粉添加量增加，銲道之α量降低。由送粉雷射銲道α/γ比值的調整，使其趨近於1，有助於提升銲道之抗氫脆性、抗孔蝕性與低溫衝擊韌性，並可降低銲道之DBTT，克服2205雙相不銹鋼之現有雷射銲接問題。經充氫缺口拉伸試驗結果顯示，2205不銹鋼母材，因帶狀之α+γ相結構，氫易於兩相交界被補集，並導致二次裂縫；具有相同α量之LW-3試片，因銲道α與γ交錯分佈，使其較母材具有更佳之抗氫脆能力。
17-4 PH不銹鋼葉片之導引端抗沖蝕區，經由同軸噴嘴進行雷射披覆處理，並配合H900之後熱處理，可增強披覆區之抗沖蝕性。應用此方法除可修復17-4 PH葉片損傷之抗沖蝕區外，亦可應用於新葉片抗沖蝕區之製作。17-4 PH葉片經雷射披覆與H900處理，其披覆層硬度值高於420 Hv以上；熱影響區硬度值為330 Hv~420 Hv；母材之硬度值不受影響。葉片披覆層厚度視需求，可調整於0.5~2 mm範圍。由常溫機械性質、疲勞裂縫成長及沖蝕特性等試驗結果顯示，試片經披覆17-4 PH與H900處理較披覆Stellite 6與H900處理，具有較高之抗拉與降伏強度、韌性值及硬度值；相近但較穩定之疲勞裂縫傳播速率；及同等之抗沖蝕性。實驗結果顯示，以雷射同軸披覆處理技術披覆17-4 PH葉片，除可取代現有傳統硬銲接合Stellite 6 strip之製程，且可應用同軸三維成形之銲修技術，進行葉片低應力損傷區之局部再生處理。