CN103741139B - 一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面类金属零件激光快速熔覆装置，由静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置、气体保护模块、零件传送模块及零件固定夹具五大模块组成，具有设备构建及运行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆层表面质量好、熔覆层厚度精确可控等优点。既降低系统构建及运行成本，也提高了生产效率，还获得了好的熔覆质量。该方法可满足以较低成本批量快速高质量熔覆平面类金属零件的要求。

Description

一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法

技术领域

本发明属于激光表面改性技术领域，涉及一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法。

背景技术

激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将粉末材料熔覆在零件的表面，以获得优良力学性能涂层的一种激光表面改性技术。激光束将粉末熔化后形成的液态合金由于基体材料的迅速导热而产生极高的冷却速度而快速凝固结晶，不但产生牢固、良好的冶金结合，而且还获得细小均匀的显微组织（即涂层微观组织优良），因此可获得具有非常优异力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面涂层。

相对传统的热处理技术，激光熔覆技术具有以下主要优点：(1) 激光能量密度高，加热速度快，对基材热影响小，零件变形小，易于实现自动化柔性加工。(2) 通过调节激光输入能量，可将基材的稀释率控制在极低范围( 一般为2%～8%，质量分数)，从而保持了熔覆层材料原本的优异性能。(3) 激光熔覆层与基材间牢固结合，为冶金结合。(4) 熔覆层组织致密均匀，极大提高了零件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀及抗疲劳等性能，且延长了材料的使用寿命，尤其在废件维修的应用上具有难以估计的价值。(5) 适用范围广，理论上任何基材表面上都能采用激光熔覆上几乎所有的金属或陶瓷材料。因此，目前采用激光熔覆技术对金属零部件进行强化处理已成为提高金属零件力学性能及价值的利器。

激光熔覆可分为送粉式激光熔覆和预置式激光熔覆两大类。送粉式激光熔覆工艺具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔等优点，但须用到专用的激光熔覆喷头、送粉机构以及大功率激光器，因而设备成本高。同时，相对于预置式激光熔覆工艺，其成型表面较为粗糙，需较多的后处理加工。预置式激光熔覆具有不受材料的限制、易于进行复合成分粉末的熔覆、工艺简单、操作灵活等优点。目前常采用的粉末预置方法主要包括热喷涂法和化学黏结法：热喷涂法在预置粉末的过程中除需要专用的喷涂设备外，其粉末的损失量很大( 约为30% ～ 40%) ，此外该方法还存在对粉末粒度的要求较高等不足；对于化学粘结法而言，由于使用了各种黏结剂，在熔覆过程中极易产生气孔等缺陷，同时粘结剂的加入对熔覆层成分也会产生不同程度的不利影响。

另外，现有激光熔覆工艺多采用大功率激光（如千瓦级的CO₂激光器）作为成型能量源，以电机+丝杆控制的三维工作台或电机+丝杆控制的回转机构作为运动机构以控制熔覆工位的变动。大功率激光器一般体积较大，且成本昂贵，对其制冷、后续光路元件也要求苛刻（如要求镜片的耐热性能更高，水冷机制冷量更大）等，因此无论熔覆系统构建成本还是运行成本都较为昂贵；而采用电机+丝杆作为熔覆工位变动控制机构使得熔覆效率较低，通常熔覆速度为10mm/s以下，因此，传统的激光熔覆工艺并不适合于批量生产的金属零件。因此极需要发展低成本及快速的激光熔覆技术。

申报专利（申报号201110440356.3）提出一种采用光纤激光的熔覆装置，该装置采用大功率光纤激光作为能量源，以伺服电机控制的X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片及Z轴动态聚焦模块控制光束熔化铺粉滚预置的金属粉末实现激光熔覆，与传统激光熔覆工艺相比，具有体积小、运行维护成本相对低、熔覆速度更快的优点。但需采用大功率连续光纤激光器（如该申报专利说明书提到的IPG-2000W光纤激光器），导致装置的构建成本高（大功率光纤激光器本身的成本就很高，对冷却及后续光路系统也要求苛刻，因此导致系统构建成本高昂）；同时具有两个粉缸及一个铺粉滚的铺粉系统运作起来至少需四个电机协调工作，也不利于提高熔覆效率。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法，具有设备构建及运行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆层表面质量好、熔覆层厚度可控的特点，既降低系统构建及运行成本，也提高了生产效率，还获得了好的熔覆质量，能够满足以较低成本批量快速高质量熔覆平面类零件的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种平面类金属零件激光快速熔覆装置，由静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置、气体保护模块、零件传送模块及零件固定夹具五大模块组成，所述静电喷粉装置带有空气压缩机，空气压缩机通过载气管与设置在电子天枰上的粉罐相连通，粉罐另一端通过送粉管与静电喷粉头的进粉流道相连通，所述进粉流道后端与出粉流道相连，两者之间呈30o～60 o角度，在出粉流道内贯穿有一根一头与主体顶部电极固定块固定相连的电极针，静电喷粉装置下端连接有防尘罩，防尘罩下端设有喷粉工位，喷粉工位上设置有零件固定夹具，所述零件固定夹具包括基板，加工零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，基板通过4个螺孔与内六角螺钉配合固定栓接在零件传送模块的传送带板上，在传送带板上另设有一个熔覆工位，零件固定夹具通过零件传送模块输送到熔覆工位由激光振镜快速扫描装置进行熔覆，所述激光振镜快速扫描装置包括振镜扫描头、激光输入模块、精密丝杆和伺服电机，所述精密丝杆树立在熔覆工位旁，在精密丝杆上固定有一个朝下的激光输入模块，在激光输入模块一侧连接有一个振镜扫描头，所述激光输入模块集成了光纤激光头、激光头安装座和扩束镜，光纤激光头安装在激光输入模块中的激光头安装座上，通过激光输入模块中的扩束镜，扩束2-4倍后传输到振镜扫描头，振镜扫描头主要集成了高速扫描振镜单元和F-θ场聚焦镜单元，高速扫描振镜单元由通过两个检流计式电机控制的X轴反射镜及Y轴反射镜组成，最高扫描速度要求达到5m/s以上，激光聚焦采用F-θ场聚焦镜实现，同时，F-θ场聚焦镜也可保证光束在扫描过程中，焦点始终落到熔覆工位上。

使用上述装置对零件进行熔覆的工艺步骤如下：

第一步：粉末预置及熔覆前，需进行一些预处理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并将待熔覆的零件表面除锈、除油；同时应在计算机内准备好熔覆的数据，熔覆数据根据熔覆零件的CAD图形及熔覆需求生成，熔覆需求包括扫描路径、激光功率、扫描速度等工艺参数；

第二步：在粉末预置前，零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，零件可以是一件，也可以是多件摆放到同一块基板上；

第三步：将静电喷粉头的电极针接高压静电发生器的负极，基板接地，接通高压静电发生器，在电极针附近形成电晕放电，这时通过压缩空气将粉桶中的金属粉末输送到喷粉头，粉末在喷粉头附近被添加上负电，形成带负电粒子，这时一方面粉末受同性电荷斥力作用会尽量均匀分散开来；另一方面，受气流及极性相反的零件及基板静电吸力作用，粉末被吸附到基板区域（包括基板、零件、夹具表面）上，从而形成了均匀分布的粉末层；

第四步：由于零件及基板都接地，且金属粉末是电的导体，因此，被吸到基板区域（包括基板、零件、夹具表面）上的金属粉末很快通过零件及基板将电荷释放，但是，这时粉末仍将受重力作用平铺在零件及基板上，由于金属粉末的电荷被释放，因此只要送粉及电晕放电工作还在继续，粉末仍会均匀地持续积累到零件表面；

第五步：通过粉桶底部的电子天枰能够检测到在粉桶粉末被输送到基板区域后，电子天枰读数会发生变化，变化值即为落入到基板区域（包括基板、零件、夹具表面）的粉末量，由于在静电作用下，粉末的分布是均匀的，因此，将零件的累积的粉末厚度可由下式计得：

                         h_粉厚＝k△M/（ρS_基）

式中，△M为电子天枰读数变化，ρ为粉层密度（通过实验确定），S_基为基板除底面以外的表面积，k为修正系数（通过实验确定，修正有少量粉末喷涂到基板区域以外的情况）；

通过实验确定粉层密度ρ及修正系数k后，在以后的每次粉末预置中即可通过电子天枰的读数控制零件的粉末预置厚度，由于粉末预置厚度的增加过程与时间的关系近似线性，对于电子天枰无法识别的质量变化（即变化量小于电子天枰的精度），可通过喷粉时间的计算，结合上述计算公式，对粉末预置厚度进行评估；

为回收粉末及防止粉末污染，在粉末预置区域装有一个回收斗及一个防尘罩，多余的粉末通过回收斗回收重用，为确保安全，防尘罩及回收斗都接地；

第六步：粉末预置完毕后，应迅速断开高压静电发生器，以使零件及基板的静电得以全部释放，以保证在熔覆区域的工作安全，同时，零件和基板作为一个整体传送到熔覆区域并精确定位，为实现零件的精确定位，采用齿形同步带结合伺服电机进行零件和基板的传送；

第七步：根据预置粉层的厚度及零件待熔覆表面的高度，通过计算机控制焦点调节伺服电机，驱动精密丝杆，使激光扫描头位于合适的高度；

第八步：将气体保护罩套入基板的保护罩定位槽，充入高纯氮气或氩气，使保护罩内的气体浓度达到熔覆要求，气体浓度可根据充气时间结合实践经验判断；

第九步：计算机通过软件读入熔覆数据，然后通过熔覆数据控制激光扫描头中的高速扫描振镜单元运动，使激光束以≥0.05m/s的扫描速度，快速熔化预置粉末材料，实现零件的熔覆；

第十步：如果一次熔覆厚度不够，可以在完成一次熔覆后，同步带驱动基板回到粉末预置区域，重复第一步～第九步的步骤，实现二次熔覆；同样，根据需要，多次熔覆工作亦可通过重复第一步～第九步的步骤实现。

所述空气压缩机进气口处安装有空气滤清器。

所述的静电喷粉头除电极针外都采用绝缘材料制成。

所述零件传送模块主要由两个同步带轮、上下两块传送带板及两根齿形同步带组成，每根齿形同步带都呈线状，且其长度都应能确保零件固定夹具从喷粉工位正确移动到熔覆工位；每块传送带板的两端分别连接两根齿形同步带的一端，形成一个首尾相接的环状传送带；两个同步带轮各与一根齿形同步带啮合。

所述传送带板由一定硬度的金属板材制作，在传送带板上钻有若干个孔位，孔位是为防止粉末累积到传送带板上而设置的，其中上传送带板部分孔位也可用于定位安装基板，在下传送带板的下端设置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗，为保证工作安全，下传送带板也应接地。

在所述零件固定夹具运输到熔覆工位时需加装一个气体保护装置。

所述气体保护装置通过基板上的保护罩定位槽固定在基板上，气体保护装置包括罩体，罩体的上下两端分别安装有上通气接头和下通气接头，所述上通气接头和下通气接头均为带有球阀的气管接头，如采用氮气，气体从上通气接头接入，从下通气接头排出；如采用氩气，气体从下通气接头接入，从上通气接头排出，当罩体内的气氛达到要求后，可通过适当调节排气接头上的球阀的开度，减少保护气体的排出，以节省保护气用量，在气体保护装置顶部中间位置处设有激光窗口镜，激光窗口镜采用双面镀膜的石英镜片，以增加激光的透过率。

在所述丝杆的顶部设置有伺服电机，通过精密丝杆和伺服电机相结合，可以实现激光的变焦处理，即当熔覆粉末厚度发生变化时，可通过伺服电机驱动精密丝杆，实现振镜扫描头的精确升降，从而实现激光焦点平面的调节。

所述激光输入模块采用优良光束质量（光束质量因子M²≤1.3）的中功率单模光纤激光器（200W～500W ）作为成型能量源，经光路系统聚焦后，聚焦光斑≤100μm；且为有利于金属材料对激光束能量的吸收，激光的波长取为1μm～1.1μm之间。

所述静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置和零件传送模块均通过计算机集成控制。

本发明的有益效果是：具有设备构建及运行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆层表面质量好、熔覆层厚度精确可控等优点，既降低系统构建及运行成本，也提高了生产效率，还获得了好的熔覆质量。该方法可满足以较低成本批量快速高质量熔覆平面类金属零件的要求。

附图说明

图1是本发明使用装置结构示意图；

图2是静电喷粉头结构示意图；

图3是气体保护装置及零件固定夹具结构示意图；

图4是基板结构示意图；

图5是传送带板结构示意图；

图6是本发明熔覆方法流程图。

图中：1-空气压缩机，2-载气管，3-粉罐，4-电子天枰，5-送粉管，6-静电喷粉头，6-1-主体，6-2-进粉流道，6-3-出粉流道，6-4-电极针，6-5-电极固定块，7-防尘罩，8-余粉回收斗，9-气体保护装置，9-1-罩体，9-2-上通气接头，9-3-激光窗口镜，9-4-下通气接头， 10-1-夹紧板，10-2-蝶型螺母，10-3- T型螺栓，10-4-基板，10-4-1-T型槽，10-4-2-保护罩定位槽， 10-4-３-螺孔，11-零件，12-振镜扫描头，13-激光输入模块13，14-精密丝杆，15-伺服电机，16-同步带轮，17-齿形同步带，18-上传送带板，19-下传送带板。

具体实施方式                                              

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1、图2、图3、图4和图5，一种平面类金属零件11激光快速熔覆装置，由静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置、气体保护模块、零件11传送模块及零件11固定夹具五大模块组成，所述静电喷粉装置包括空气压缩机1，空气压缩机1通过载气管2与设置在电子天枰4上的粉罐3相连通，粉罐3另一端通过送粉管5与静电喷粉头6的进粉流道6-2相连通，所述进粉流道6-2后端与出粉流道6-3相连，两者之间呈30o～60 o角度，在出粉流道6-3内贯穿有一根一头与主体6-1顶部电极固定块6-5固定相连的电极针6-4，静电喷粉装置下端连接有防尘罩7，防尘罩7下端设有喷粉工位，喷粉工位上设置有零件11固定夹具，所述零件11固定夹具包括基板10-4，加工零件11采用T型槽10-4-1及T型螺栓10-3固定在基板10-4上，基板10-4通过4个螺孔10-4-３与内六角螺钉配合固定栓接在零件11传送模块的上传送带板18上，在上传送带板18上另设有一个熔覆工位，零件11固定在零件11固定夹具上，通过零件11传送模块输送到熔覆工位由激光振镜快速扫描装置进行熔覆，所述激光振镜快速扫描装置包括振镜扫描头12、激光输入模块13、精密丝杆14和伺服电机15，所述精密丝杆14树立在熔覆工位旁，在精密丝杆14上固定有一个朝下的激光输入模块13，在激光输入模块13一侧连接有一个振镜扫描头12，所述激光输入模块13集成了光纤激光头、激光头安装座和扩束镜，光纤激光头安装在激光输入模块13中的激光头安装座上，通过激光输入模块13中的扩束镜，扩束2-4倍后传输到振镜扫描头12，振镜扫描头12主要集成了高速扫描振镜单元和F-θ场聚焦镜单元，高速扫描振镜由通过两个检流计式电机控制的X轴反射镜及Y轴反射镜组成，最高扫描速度要求达到5m/s以上，激光聚焦采用F-θ场聚焦镜实现，同时，F-θ场聚焦镜也可保证光束在扫描过程中，焦点始终落到熔覆工位上。

参见图6，使用上述装置对零件11进行熔覆的工艺步骤如下：

第一步：粉末预置及熔覆前，需进行一些预处理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并将待熔覆的零件11表面除锈、除油。同时应在计算机内准备好熔覆的数据，熔覆数据根据熔覆零件11的CAD图形及熔覆需求生成，熔覆需求包括扫描路径、激光功率、扫描速度等工艺参数；

第二步：在粉末预置前，零件11采用T型槽10-4-1及T型螺栓10-3固定在基板10-4上，零件11可以是一件，也可以是多件摆放到同一块基板10-4上；

第三步：将静电喷粉头6的电极针6-4接高压静电发生器的负极，基板10-4接地，接通高压静电发生器，在电极针6-4附近形成电晕放电，这时通过压缩空气将粉桶中的金属粉末输送到喷粉头，粉末在喷粉头附近被添加上负电，形成带负电粒子，这时一方面粉末受同性电荷斥力作用会尽量均匀分散开来；另一方面，受气流及极性相反的零件11及基板10-4静电吸力作用，粉末被吸附到基板10-4区域（包括基板10-4、零件11、夹具表面）上，从而形成了均匀分布的粉末层；

第四步：由于零件11及基板10-4都接地，且金属粉末是电的导体，因此，被吸到基板10-4区域（包括基板10-4、零件11、夹具表面）上的金属粉末很快通过零件11及基板10-4将电荷释放，但是，这时粉末仍将受重力作用平铺在零件11及基板10-4上，由于金属粉末的电荷被释放，因此只要送粉及电晕放电工作还在继续，粉末仍会均匀地持续积累到零件11表面；

第五步：通过粉桶底部的电子天枰４能够检测到在粉桶粉末被输送到基板10-4区域后，电子天枰４读数会发生变化，变化值即为落入到基板10-4区域（包括基板10-4、零件11、夹具表面）的粉末量，由于在静电作用下，粉末的分布是均匀的，因此，将零件11的累积的粉末厚度可由下式计得：

                         h_粉厚＝k△M/（ρS_基）

式中，△M为电子天枰４读数变化，ρ为粉层密度（通过实验确定），S_基为基板10-4除底面以外的表面积，k为修正系数（通过实验确定，修正有少量粉末喷涂到基板10-4区域以外的情况）；

通过实验确定粉层密度ρ及修正系数k后，在以后的每次粉末预置中即可通过电子天枰４的读数控制零件11的粉末预置厚度。由于粉末预置厚度的增加过程与时间的关系近似线性，对于电子天枰４无法识别的质量变化（即变化量小于电子天枰４的精度），可通过喷粉时间的计算，结合上述计算公式，对粉末预置厚度进行评估；

为回收粉末及防止粉末污染，在粉末预置区域装有一个余粉回收斗８及一个防尘罩7，多余的粉末通过余粉回收斗8回收重用，为确保安全，防尘罩7及余粉回收斗８都接地；

第六步：粉末预置完毕后，应迅速断开高压静电发生器，以使零件11及基板10-4的静电得以全部释放，以保证在熔覆区域的工作安全，同时，零件11和基板10-4作为一个整体传送到熔覆区域并精确定位，为实现零件11的精确定位，采用齿形同步带17结合伺服电机15进行零件11和基板10-4的传送；

第七步：根据预置粉层的厚度及零件11待熔覆表面的高度，通过计算机控制焦点调节伺服电机15，驱动精密丝杆14，使激光扫描头位于合适的高度；

第八步：将气体保护罩套入基板10-4的保护罩定位槽10-4-2，充入高纯氮气或氩气，使保护罩内的气体浓度达到熔覆要求，气体浓度可根据充气时间结合实践经验判断；

第九步：计算机通过软件读入熔覆数据，然后通过熔覆数据控制激光扫描头中的高速扫描振镜单元运动，使激光束以≥0.05m/s的扫描速度，快速熔化预置粉末材料，实现零件11的熔覆；

第十步：如果一次熔覆厚度不够，可以在完成一次熔覆后，同步带驱动基板10-4回到粉末预置区域，重复第一步～第九步的步骤，实现二次熔覆；同样，根据需要，多次熔覆工作亦可通过重复第一步～第九步的步骤实现。

所述空气压缩机1进气口处安装有空气滤清器。

所述的静电喷粉头6除电极针 6-4外都采用绝缘材料制成。

所述零件传送模块主要由两个同步带轮16、上传送带板18、下传送带板19及两根齿形同步带17组成，每根齿形同步带17都呈线状，且其长度都应能确保零件11固定夹具从喷粉工位正确移动到熔覆工位；上传送带板18及下传送带板19的两端分别连接齿形同步带17的一端，形成一个首尾相接的环状传送带；两个同步带轮16各与一根齿形同步带17啮合。

所述上传送带板18、下传送带板19由一定硬度的金属板材制作，在传送带板上钻有若干个孔位，孔位是为防止粉末累积到传送带板上而设置的。其中上传送带板部分孔位也可用于定位安装基板10-4，在下传送带板19的下端设置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗8，为保证工作安全，下传送带板也应接地。

　　在所述零件11固定夹具运输到熔覆工位时需加装一个气体保护装置9。

在熔覆工位，所述气体保护装置9通过基板10-4上的保护罩定位槽10-4-2固定在基板10-4上，气体保护装置9包括罩体9-1，罩体9-1的上下两端分别安装有上通气接头9-2和下通气接头9-4，所述上通气接头9-2和下通气接头9-4均为带有球阀的气管接头，如采用氮气，气体从上通气接头9-2接入，从下通气接头9-4排出；如采用氩气，气体从下通气接头9-4接入，从上通气接头9-2排出，当罩体9-1内的气氛达到要求后，可通过适当调节排气接头上的球阀开度，减少的保护气体的排出，以节省保护气用量，在气体保护装置9顶部中间位置处设有激光窗口镜9-3，激光窗口镜9-3采用双面镀膜的石英镜片，以增加激光的透过率。

在所述丝杆的顶部设置有伺服电机15，通过精密丝杆14和伺服电机15相结合，可以实现激光的变焦处理，即当熔覆粉末厚度发生变化时，可通过伺服电机15驱动精密丝杆14，实现振镜扫描头12的精确升降，从而实现激光焦点平面的调节。

所述激光输入模块13采用优良光束质量（光束质量因子M²≤1.3）的中功率单模光纤激光器（200W～500W ）作为成型能量源，经光路系统聚焦后，聚焦光斑≤100μm；且为有利于金属材料对激光束能量的吸收，激光的波长取为1μm～1.1μm之间。

所述静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置和零件11传送模块均通过计算机集成控制。

具有设备构建及运行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆层表面质量好、熔覆层厚度精确可控等优点，既降低系统构建及运行成本，也提高了生产效率，还获得了好的熔覆质量。该方法可满足以较低成本批量快速高质量熔覆平面类金属零件11的要求。

Claims (10)

1.一种平面类金属零件激光快速熔覆装置，由静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置、气体保护模块、零件传送模块及零件固定夹具五大模块组成，其特征是：所述静电喷粉装置带有空气压缩机，空气压缩机通过载气管与设置在电子天秤上的粉罐相连通，粉罐另一端通过送粉管与静电喷粉头的进粉流道相连通，所述进粉流道后端与出粉流道相连，两者之间呈30o～60 o角度，在出粉流道内贯穿有一根一头与主体顶部电极固定块固定相连的电极针，静电喷粉装置下端连接有防尘罩，防尘罩下端设有喷粉工位，喷粉工位上设置有零件固定夹具，所述零件固定夹具包括基板，加工零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，基板通过4个螺孔与内六角螺钉配合固定栓接在零件传送模块的传送带板上，在传送带板上另设有一个熔覆工位，零件固定夹具通过零件传送模块输送到熔覆工位由激光振镜快速扫描装置进行熔覆，所述激光振镜快速扫描装置包括振镜扫描头、激光输入模块、精密丝杆和伺服电机，所述静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置和零件传送模块均通过计算机集成控制，所述精密丝杆树立在熔覆工位旁，在精密丝杆上固定有一个朝下的激光输入模块，在激光输入模块一侧连接有一个振镜扫描头，所述激光输入模块集成了光纤激光头、激光头安装座和扩束镜，光纤激光头安装在激光输入模块中的激光头安装座上，通过激光输入模块中的扩束镜，扩束2-4倍后传输到振镜扫描头，振镜扫描头主要集成了高速扫描振镜单元和F-θ场聚焦镜单元，高速扫描振镜单元由通过两个检流计式电机控制的X轴反射镜及Y轴反射镜组成，最高扫描速度要求达到5m/s以上，激光聚焦采用F-θ场聚焦镜实现，同时，F-θ场聚焦镜也可保证光束在扫描过程中，焦点始终落到熔覆工位上。

2.使用如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置的熔覆方法，其特征在于工艺步骤如下：

第一步：粉末预置及熔覆前，需进行一些预处理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并将待熔覆的零件表面除锈、除油；同时应在计算机内准备好熔覆的数据，熔覆数据根据熔覆零件的CAD图形及熔覆需求生成，熔覆需求包括扫描路径、激光功率、扫描速度一类工艺参数；

第二步：在粉末预置前，零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，零件至少为一件并摆放到同一块基板上；

第三步：将静电喷粉头的电极针接高压静电发生器的负极，基板接地，接通高压静电发生器，在电极针附近形成电晕放电，这时通过压缩空气将粉桶中的金属粉末输送到喷粉头，粉末在喷粉头附近被添加上负电，形成带负电粒子，这时一方面粉末受同性电荷斥力作用会尽量均匀分散开来；另一方面，受气流及极性相反的零件及基板静电吸力作用，粉末被吸附到包括基板、零件、夹具表面的基板区域上，从而形成了均匀分布的粉末层；

第四步：由于零件及基板都接地，且金属粉末是电的导体，因此，被吸到包括基板、零件、夹具表面的基板区域上的金属粉末很快通过零件及基板将电荷释放，但是，这时粉末仍将受重力作用平铺在零件及基板上，由于金属粉末的电荷被释放，因此只要送粉及电晕放电工作还在继续，粉末仍会均匀地持续积累到零件表面；

第五步：通过粉桶底部的电子天秤能够检测到在粉桶粉末被输送到基板区域后，电子天秤读数会发生变化，变化值即为落入到包括基板、零件、夹具表面的基板区域的粉末量，由于在静电作用下，粉末的分布是均匀的，因此，将零件的累积的粉末厚度可由下式计得：

                         h_粉厚＝k△M/（ρS_基）

式中，△M为电子天秤读数变化，ρ为粉层密度，ρ通过实验确定，S_基为基板除底面以外的表面积，k为修正系数，通过实验确定，修正有少量粉末喷涂到基板区域以外的情况；

通过实验确定粉层密度ρ及修正系数k后，在以后的每次粉末预置中即可通过电子天秤的读数控制零件的粉末预置厚度，由于粉末预置厚度的增加过程与时间的关系近似线性，对于电子天秤无法识别的质量变化即变化量小于电子天秤的精度，可通过喷粉时间的计算，结合上述计算公式，对粉末预置厚度进行评估；

为回收粉末及防止粉末污染，在粉末预置区域装有一个回收斗及一个防尘罩，多余的粉末通过回收斗回收重用，为确保安全，防尘罩及回收斗都接地；

第六步：粉末预置完毕后，应迅速断开高压静电发生器，以使零件及基板的静电得以全部释放，以保证在熔覆区域的工作安全，同时，零件和基板作为一个整体传送到熔覆区域并精确定位，为实现零件的精确定位，采用齿形同步带结合伺服电机进行零件和基板的传送；

第七步：根据预置粉层的厚度及零件待熔覆表面的高度，通过计算机控制焦点调节伺服电机，驱动精密丝杆，使激光扫描头位于合适的高度；

第八步：将气体保护罩套入基板的保护罩定位槽，充入高纯氮气或氩气，使保护罩内的气体浓度达到熔覆要求，气体浓度可根据充气时间结合实践经验判断；

第九步：计算机通过软件读入熔覆数据，然后通过熔覆数据控制激光扫描头中的高速扫描振镜单元运动，使激光束以≥0.05m/s的扫描速度，快速熔化预置粉末材料，实现零件的熔覆；

第十步：如果一次熔覆厚度不够，可以在完成一次熔覆后，同步带驱动基板回到粉末预置区域，重复第一步～第九步的步骤，实现二次熔覆；同样，根据需要，多次熔覆工作亦可通过重复第一步～第九步的步骤实现。

3.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述空气压缩机进气口处安装有空气滤清器。

4.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述的静电喷粉头除电极针外都采用绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述零件传送模块主要由两个同步带轮、上下两块传送带板及两根齿形同步带组成，每根齿形同步带都呈线状，且其长度都应能确保零件固定夹具从喷粉工位正确移动到熔覆工位；每块传送带板的两端分别连接两根齿形同步带的一端，形成一个首尾相接的环状传送带；两个同步带轮各与一根齿形同步带啮合。

6.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述传送带板由一定硬度的金属板材制作，在传送带板上钻有若干个孔位，孔位是为防止粉末累积到传送带板上而设置的，其中上传送带板部分孔位也可用于定位安装基板，在下传送带板的下端设置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗，为保证工作安全，下传送带板也应接地。

7.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：在所述零件固定夹具运输到熔覆工位时需加装一个气体保护装置。

8.如权利要求7所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述气体保护装置通过基板上的保护罩定位槽固定在基板上，气体保护装置包括罩体，罩体的上下两端分别安装有上通气接头和下通气接头，所述上通气接头和下通气接头均为带有球阀的气管接头，如采用氮气，气体从上通气接头接入，从下通气接头排出；如采用氩气，气体从下通气接头接入，从上通气接头排出，当罩体内的气氛达到要求后，可通过适当调节排气接头上的球阀的开度，减少保护气体的排出，以节省保护气用量，在气体保护装置顶部中间位置处设有激光窗口镜，激光窗口镜采用双面镀膜的石英镜片，以增加激光的透过率。

9.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：在所述丝杆的顶部设置有伺服电机，通过精密丝杆和伺服电机相结合，可以实现激光的变焦处理，即当熔覆粉末厚度发生变化时，可通过伺服电机驱动精密丝杆，实现振镜扫描头的精确升降，从而实现激光焦点平面的调节。

10.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置，其特征是：所述激光输入模块采用光束质量因子M²≤1.3的优良光束质量的200W～500W的中功率单模光纤激光器作为成型能量源，经光路系统聚焦后，聚焦光斑≤100μm；且为有利于金属材料对激光束能量的吸收，激光的波长取为1μm～1.1μm之间。