CN103305843A

CN103305843A - 一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法及装置

Info

Publication number: CN103305843A
Application number: CN2013102867721A
Authority: CN
Inventors: 王东生; 田宗军; 杨友文; 周杏花; 沈理达; 黄因慧
Original assignee: Tongling University
Current assignee: Tongling University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103305843B

Abstract

本发明提供一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，包括下列步骤：①采用激光分束镜将激光器发出的一束激光束L分成两束激光束L₁、L₂；②激光束L₁、L₂分别经激光全反镜反射至激光束整形元件完成光强分布变换；③采用激光合束镜将变换后的两光束进行合束得到所需要的激光功率密度分布的凸字形光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样表面从而实现熔覆加工。本发明还提供了一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置。本发明的技术效果：可以方便的控制最终输出的凸字形激光光束尺寸及功率密度分布；采用凸字形光束进行激光熔覆，可起到预热、缓冷的效果，可以有效地减小熔覆层的开裂趋势。

Description

一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种激光光束变换方法和装置，尤其是一种通过改变激光功率密度分布控制激光熔覆层裂纹的方法和装置，具体地说是一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法和装置。

背景技术：

激光熔覆是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高功率密度激光束(10⁴～10⁶W/cm²)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通常达到10²～10⁶℃/s)，在基材表面形成与其为冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，因而在工业上有着广泛的应用前景。然而，由于材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，因熔覆材料与基体材料的热物性差异以及成形工艺等因素的影响，容易在熔覆层中形成裂纹、气孔等缺陷，目前熔覆层的开裂问题是限制激光熔覆技术工业化应用的最大障碍。

为此，众多学者在防止熔覆层裂纹产生方面开展了大量的研究，并提出了一些实现措施，主要有：通过减小温度梯度来减少激光熔覆开裂倾向，通过往熔覆材料中添加增韧、增塑材料的方法来控制裂纹的产生，通过超声波震动的方法来控制裂纹的产生等。其中通过减小熔覆区域与周边区域温度梯度的预热/缓冷方法是最常用的控制熔覆层裂纹产生的措施，如采用激光熔覆专用保温箱，采用遥感红外线或火焰喷枪等方式对工件进行加热。但专用保温箱要按照不同的熔覆试样专门设计制作，通用性差；而遥感红外线或火焰喷枪等为外部热源，将增加整个激光熔覆系统的复杂程度，而且其控制精度较低。因此，如果能够通过调整激光光束来达到预热/缓冷效果将会是一种更有效的控制熔覆层裂纹的方法。专利201110352257.X提出了一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，其熔覆过程中有三束光束，在激光扫描前面的一束激光为预热激光束，用于对基材表面进行预热处理；后面的一束激光为后热激光束，用于对形成的涂层进行后热处理；中间区域的一束激光束用于熔覆。该方法的主要优点是可以有效削除涂层内的残余内应力，获得无裂纹的涂层，另外可提高激光熔覆的效率。李言祥等人的研究表明，采用方波脉冲叠加尖脉冲的输出方式可以使铝合金表面等离子喷涂陶瓷涂层的激光重熔裂纹问题得到很大的缓解（李言祥,李炜.用等离子喷涂加激光重熔方法在铝合金表面熔覆陶瓷[J].表面技术,1996,25(3):35-37）。申请人提出了一种通过改变激光功率密度分布控制激光熔覆层裂纹的方法，并用数值模拟的方法对均布及凸字形激光光束熔覆过程进行了有限元分析，在理论上证明了采用凸字形光束对减小熔覆层裂纹的有效性（王东生,田宗军,王泾文,等.一种通过改变激光功率密度分布控制熔覆层裂纹的方法[J].中国激光,2011,38(1):0103004）。计算结果表明，用均布光束熔覆呈现出激光加工典型的快速加热、快速冷却特征，而采用凸字形光束可在一定程度上起到预热、缓冷的效果，从而降低了熔覆区与非熔覆区的温度梯度，另外，在熔覆效果相当的前提下，其熔覆层热应力也较小，因而可以有效地减小熔覆层的开裂趋势。本发明专利就是一种可减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束的具体实现方式。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法。

本发明是采用以下技术手段解决上述技术问题的：一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，它是利用激光分束镜、激光束整形元件、激光合束镜等元件实现激光束功率密度分布的变换，包括下列步骤：

①采用激光分束镜（2）将激光器（1）发出的一束激光束L分成两束激光束L₁、L₂；

②激光束L₁、L₂分别经激光全反镜（3）、（4）反射至激光束整形元件（5）、（6）完成光强分布变换；

③采用激光合束镜（7）将变换后的两光束进行合束得到所需要的激光功率密度分布光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样（8）表面从而实现熔覆加工。

更具体的，所述的激光器输出光束L及经激光分束镜后的光束L₁、L₂的功率密度分布为高斯分布的光束。

进一步的，所述的激光光束L₁、L₂功率分配（分光比）由激光分束镜调节，通过更换不同的激光分束镜可实现激光光束L₁、L₂的不同的功率分配。

进一步的，所述的激光束整形元件为平顶激光束整形元件。

进一步的，所述的激光束整形元件把光束整形为均布矩/方形光束，通过更换激光束整形元件可以调节激光束整形元件输出的均布矩/方形光束的尺寸。

所述的均布矩/方形光束为尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束。

所述的经激光合束镜合束后的光束为功率密度分布为凸字形的激光光束，所述的凸字形激光光束用于激光熔覆时，光束的前端和后端可起到预热、缓冷的效果，从而降低熔覆区与非熔覆区的温度梯度，可减小熔覆层热应力及开裂趋势。

因为可以通过更换不同的激光分束镜实现激光光束L₁、L₂的不同的功率分配，通过更换激光束整形元件调节激光束整形元件输出的均布矩/方形光束的尺寸，因此，任意尺寸和功率密度分布的凸字形光束都可以通过上述方法实现，对于不同尺寸和功率密度分布的凸字形光束用于激光熔覆时，都可起到预热和缓冷的效果，只是由于功率密度分布的差异，对减小熔覆层裂纹的效果有一定差异而已。

本发明还提供了一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置，包括激光器（1）、激光分束镜（2）、两个激光全反镜（3）、（4）、两个激光束整形元件（5）、（6），以及激光合束镜（7），所述激光分束镜（2）将激光器（1）发出的一束激光束L分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜（3）、（4）反射至对应的激光束整形元件（5）、（6）完成光强分布变换，采用激光合束镜（7）将变换后的两光束进行合束得到所需要的激光功率密度分布的凸字形光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样（8）表面从而实现熔覆加工。

进一步的，所述的激光束整形元件为平顶激光束整形元件。

进一步的，所述的激光束整形元件把光束整形为均布矩/方形光束，所述的均布矩/方形光束为尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束。

进一步的，所述的激光器输出光束L及经激光分束镜后的光束L₁、L₂的功率密度分布为高斯分布的光束，所述的激光光束L₁、L₂功率分配由激光分束镜调节。

本发明的技术效果：

(1)采用激光分束镜可以调节两束高斯光束的分光比，另外通过平顶激光束整形元件也可实现均布矩/方形光束的尺寸控制，因而可以方便的控制最终输出的凸字形激光光束尺寸及功率密度分布；

(2)采用凸字形光束进行激光熔覆，可起到预热、缓冷的效果，从而降低熔覆区与非熔覆区的温度梯度，使熔覆层热应力较小，因而可以有效地减小熔覆层的开裂趋势。

附图说明：

图1是本发明的凸字形光束实现示意图。

图2是激光光束变换过程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图中：1是激光器，2是激光分束镜，3是激光全反镜1，4是激光全反镜2，5是平顶激光束整形元件1，6是平顶激光束整形元件2，7是激光合束镜，8是熔覆试样。

本发明一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，具体包括下述步骤：

首先，采用激光分束镜2将激光器1发出的一束高斯激光束L分成两束高斯激光束L₁、L₂；

然后，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜3、4反射至平顶激光束整形元件5、6完成激光功率密度的变换，将其变换成尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束；

最后，采用激光合束镜7将变换后的两均布矩/方形光束进行合束，得到所需要的凸字形激光光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样8表面从而实现熔覆加工。

实施例一：

在TC4钛合金（Ti-6Al-4V）表面采用可减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束制备NiCr-50%Cr₃C₂涂层，其具体步骤是：

①将电火花线切割至一定尺寸的TC4钛合金基体表面进行打磨、除油与喷砂处理；

②用研体将配比（质量分数）为1：1的NiCr与Cr₃C₂粉末研磨混合，用粘结剂纤维素乙醚将混合粉末调成糊状，均匀地涂在TC4钛合金试样待熔覆表面，预置涂层厚度约为1.5mm；

③采用具有定分光比的激光分束镜2将激光器1发出的激光束分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜3、4反射至平顶激光束整形元件5、6完成激光功率密度的变换，将其变换成尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束，然后用激光合束镜7将变换后的两均布方形光束进行合束，得到凸字形激光光束。其中L₁：L₂分光比为1：1，均布方形光束的元件5、6输出的均布光束尺寸分别为4×4mm，12×12mm，凸字形激光光束为内部4×4mm高功率密度光束，外部12×12mm低功率密度光束；

④将得到的凸字形激光光束作用于预置NiCr-50%Cr₃C₂涂层的TC4钛合金试样表面，对其进行熔覆处理，熔覆工艺参数为：激光功率为3kw，扫描速度为120mm/min，搭接量为20%，保护气体（Ar）流量4 l/min。通过多道搭接熔覆后得到致密且无裂纹的NiCr-50%Cr₃C₂涂层。

实施例二：

在TiAl合金基体表面采用可减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束制备NiCr-50%WC涂层，其具体步骤是：

①将电火花线切割至一定尺寸的TiAl合金基体表面进行打磨、除油与喷砂处理；

②用研体将配比（质量分数）为1：1的NiCr与WC粉末研磨混合，用粘结剂纤维素乙醚将混合粉末调成糊状，均匀地涂在TiAl合金试样待熔覆表面，预置涂层厚度约为1.5mm；

③采用具有定分光比的激光分束镜2将激光器1发出的激光束分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜3、4反射至平顶激光束整形元件5、6完成激光功率密度的变换，将其变换成尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束，然后用激光合束镜7将变换后的两均布方形光束进行合束，得到凸字形激光光束。其中L₁：L₂分光比为3：2，均布方形光束的元件5、6输出的均布光束尺寸分别为4×4mm，10×10mm，凸字形激光光束为内部4×4mm高功率密度光束，外部10×10mm低功率密度光束；

④将得到的凸字形激光光束作用于预置NiCr-50%WC涂层的TiAl合金试样表面，对其进行熔覆处理，熔覆工艺参数为：激光功率为3.2kw，扫描速度为150mm/min，搭接量为20%，保护气体（Ar）流量4 l/min。通过多道搭接熔覆后得到致密且无裂纹的NiCr-50%WC涂层。

实施例三：

在GH4033镍基高温合金基体表面采用可减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束制备MCrAlY-5%Al₂O₃复合涂层，其具体步骤是：

①将电火花线切割至一定尺寸的GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油与喷砂处理；

②用研体将配比（质量分数）为19：1的MCrAlY与Al₂O₃粉末研磨混合，用粘结剂纤维素乙醚将混合粉末调成糊状，均匀地涂在GH4033镍基高温合金试样待熔覆表面，预置涂层厚度约为1.5mm；

③采用具有定分光比的激光分束镜2将激光器1发出的激光束分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜3、4反射至平顶激光束整形元件5、6完成激光功率密度的变换，将其变换成尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束，然后用激光合束镜7将变换后的两均布方形光束进行合束，得到凸字形激光光束。其中L₁：L₂分光比为2：3，均布方形光束的元件5、6输出的均布光束尺寸分别为3×3mm，8×8mm，凸字形激光光束为内部3×3mm高功率密度光束，外部8×8mm低功率密度光束；

④将得到的凸字形激光光束作用于预置NiCr-50%WC涂层的GH4033镍基高温合金试样表面，对其进行熔覆处理，熔覆工艺参数为：激光功率为2.1 kw，扫描速度为130mm/min，搭接量为20%，保护气体（Ar）流量4 l/min。通过多道搭接熔覆后得到致密且无裂纹的Al₂O₃颗粒增强MCrAlY复合涂层。

实施例四：

在45钢基体表面采用可减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束制备NiCrBSi涂层，其具体步骤是：

①将电火花线切割至一定尺寸的45钢基体表面进行打磨、除油与喷砂处理；

②用粘结剂纤维素乙醚将NiCrBSi粉末调成糊状，均匀地涂在45钢试样待熔覆表面，预置涂层厚度约为1.5mm；

③采用具有定分光比的激光分束镜2将激光器1发出的激光束分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜3、4反射至平顶激光束整形元件5、6完成激光功率密度的变换，将其变换成尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束，然后用激光合束镜7将变换后的两均布方形光束进行合束，得到凸字形激光光束。其中L₁：L₂分光比为1：1，均布方形光束的元件5、6输出的均布光束尺寸分别为3×3mm，9×9mm，凸字形激光光束为内部3×3mm高功率密度光束，外部9×9mm低功率密度光束；

④将得到的凸字形激光光束作用于预置NiCrBSi涂层的45钢试样表面，对其进行熔覆处理，熔覆工艺参数为：激光功率为1.6kw，扫描速度为110mm/min，搭接量为20%，保护气体（Ar）流量4 l/min。通过多道搭接熔覆后得到致密且无裂纹的NiCrBSi涂层。

本发明未涉及部分均与现在技术相同或可采用现有技术加以实现。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征在于：包括下列步骤：

③采用激光合束镜（7）将变换后的两光束进行合束得到所需要的激光功率密度分布的凸字形光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样（8）表面从而实现熔覆加工。

2.根据权利要求1所述的一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征是：所述的激光器输出光束L及经激光分束镜后的光束L₁、L₂的功率密度分布为高斯分布的光束。

3.根据权利要求1所述的一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征是：所述的激光光束L₁、L₂功率分配由激光分束镜调节。

4.根据权利要求1所述的一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征是：所述的激光束整形元件为平顶激光束整形元件。

5.根据权利要求1所述的一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征是：所述的激光束整形元件把光束整形为均布矩/方形光束。

6.根据权利要求5所述的一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现方法，其特征是：所述的均布矩/方形光束为尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束。

7.一种减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置，其特征是：包括激光器（1）、激光分束镜（2）、两个激光全反镜（3）、（4）、两个激光束整形元件（5）、（6），以及激光合束镜（7），所述激光分束镜（2）将激光器（1）发出的一束激光束L分成两束激光束L₁、L₂，激光束L₁、L₂分别经激光全反镜（3）、（4）反射至对应的激光束整形元件（5）、（6）完成光强分布变换，采用激光合束镜（7）将变换后的两光束进行合束得到所需要的激光功率密度分布的凸字形光束，并将该光束作用于经过预处理的熔覆试样（8）表面从而实现熔覆加工。

8.如权利要求7所述的减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置，其特征是：所述的激光束整形元件为平顶激光束整形元件。

9.如权利要求7所述的减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置，其特征是：所述的激光束整形元件把光束整形为均布矩/方形光束，所述的均布矩/方形光束为尺寸一大一小、功率密度一低一高的两束均布矩/方形光束。

10.如权利要求7所述的减小熔覆层裂纹的凸字形激光光束实现装置，其特征是：所述的激光器输出光束L及经激光分束镜后的光束L₁、L₂的功率密度分布为高斯分布的光束，所述的激光光束L₁、L₂功率分配由激光分束镜调节。