CN103774137A

CN103774137A - 采用多激光器进行激光熔覆的方法

Info

Publication number: CN103774137A
Application number: CN201410022544.8A
Authority: CN
Inventors: 林学春; 赵树森; 刘发兰; 王奕博; 周春阳; 高文焱
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-05-07

Abstract

一种采用多激光器进行激光熔覆的方法，包括以下步骤：用丙酮或酒精对基材表面进行除油和清洗处理；采用第一台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，使基材表面预热；或者对基材不预热直接转为步骤3；采用第二或多台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，第二台激光器发射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；采用第三台激光器发射的激光，使基材表面缓慢冷却或不用激光器而自然冷却；冷却后使合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。本发明的优点是：激光熔覆效率高，降低加工成本；与基材结合良好；操作方便，自动化程度高。

Description

采用多激光器进行激光熔覆的方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种采用多激光器进行激光熔覆的方法。

背景技术

激光熔覆技术作为一种新兴的表面改性技术，由于其绿色无污染、效率高等优点，在矿山机械、钢铁冶金等零部件的强化和修复过程被广泛采用。在具体实施过程中，激光熔覆工艺在工业应用中经常遇到的两个突出问题：一是激光熔覆效率偏低，导致加工成本过高；二是熔覆层易产生裂纹和气孔，限制了该技术的应用。为了解决上述工程瓶颈，有研究人员公开了一种采用双光束激光快速熔覆方法(专利申请号：CN201110352255.0)，该方法在同一激光器的基础上通过激光分束镜将激光分为一前一后两束激光，这种方法限制了两激光束的能量比例，通用性较差。因此，寻求一种加工效率高，同时可降低激光熔覆层开裂倾向的方法成为促进激光熔覆工业化的必然需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用多激光器进行激光熔覆的方法，通过合理调整激光光束的空间分布，可实现预热、熔覆、缓冷同步进行的激光熔覆方式、多光叠加提高熔覆功率的方式或多光平行搭接熔覆得到大面积熔覆涂层的方式，采用这些方式能大幅提高激光熔覆效率，同时提高熔覆层的质量。

本发明提供一种采用多激光器进行激光熔覆的方法，包括以下步骤：

(1)用丙酮或酒精对基材表面进行除油和清洗处理；

(2)采用第一台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，使基材表面预热；或者对基材不预热直接转为步骤(3)；

(3)采用第二或多台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，第二台激光器发射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；

(4)采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；

(5)采用第三台激光器发射的激光，使基材表面缓慢冷却或不用激光器而自然冷却；

(6)冷却后使合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。

本发明的优点是：(1)无需体积庞大、加热速度慢、装卸不方便的用于预热和缓冷的加热炉，可以一次性实现大面积的激光熔覆涂层，激光熔覆效率与传统的单激光器熔覆相比可提高几十倍，大幅降低加工成本；(2)涂层组织致密，与基材结合良好，稀释率低，厚度易于控制，无裂纹和气孔；(3)操作方便，自动化程度高，对基材的形状尺寸没有严格的要求，在航空航天、石油化工、矿山机械、钢铁冶金等工业领域零部件的表面强化和修复中具有广泛的应用前景。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明中使用三台激光器实现预热、熔覆、缓冷同步进行的激光熔覆的装置示意图；

图3为本发明中使用三台激光器实现多光叠加提高熔覆功率的激光熔覆方式的装置示意图。

图4为本发明中使用三台激光器实现多光平行搭接熔覆得到大面积熔覆涂层方式的装置示意图。

具体实施方式

请参阅图1-图4，本发明提供一种采用多激光器进行激光熔覆的方法，包括如下步骤：

步骤1：用丙酮或酒精对基材表面进行除油和清洗处理；

步骤2：采用第一台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，使基材表面预热；或者对基材不预热直接转为步骤(3)；

激光熔覆过程，由于熔覆材料与基体材料热物性差异，尤其是熔覆材料与基体材料在热膨胀系数方面的差异，会导致激光熔覆层出现裂纹。另外，激光熔覆过程的快速冷却也是激光熔覆层出现裂纹的重要原因，为了缓解激光熔覆层出现裂纹，需要对熔覆材料与基体材料进行预热，本发明采用第一台激光器发射的激光束对基材材料表面进行预热，调整激光功率，使基材材料表面预热温度为150-800℃。预热可以降低基体材料的冷却速率，降低激光熔覆层的开裂倾向。

本发明提供的采用多激光器进行激光熔覆的方法，所述基材为不锈钢、碳钢、合金钢或铸铁。

对于裂纹倾向小的激光熔覆过程，未提高激光熔覆效率，降低激光熔覆工艺的复杂程度，对基材材料可以不进行预热处理，直接进入步骤3，实施激光熔覆。

步骤3：采用第二或多台激光器发射的激光束辐照在基材指定位置的表面，第二台激光器发射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；

第一台激光器输出的激光束对基体材料预热后，第二台激光器发射激光束对基体材料加热，使基体材料熔化形成熔池。由于第一台激光器输出激光束的预热作用，第二台激光器输出激光束对基体加热的温度升高量变小，由此导致热变形变小，因此有效得降低了激光熔覆过程的热应力。

对于裂纹倾向很小的激光熔覆过程，可以不进行预热，采用多台激光器同时发射激光束对基材材料表面进行加热，使基材材料熔化形成熔池。

多台激光器输出的激光束辐照在基材材料表面的光斑可以完全重叠在一起，激光功率线性叠加，可以提高激光熔覆的效率，详细可参阅图3所示。多台激光器输出的激光束辐照在基材材料的光斑可以部分重叠在一起，扩大激光束扫描的宽度，提高激光熔覆的效率，详细可参阅图4所示。

步骤4：采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；

所述送粉器的喷嘴配置在第二台激光器的激光头上。

采用多台激光器进行激光熔覆的方法，第一台激光器输出的激光束对基体材料进行预热，第二台激光器输出的激光束加热使基体材料使基体材料熔化形成熔池，同时将合金粉末通过安装在第二台激光器的激光头上的同轴送粉喷嘴送入基材上的熔池中。

采用多台激光器进行激光熔覆的方法，多台激光器输出的激光束在基材材料表面的光斑完全重叠，对基材材料加热使基材材料熔化形成熔池，同时将合金粉末通过安装在第二台激光器的激光头上的同轴送粉喷嘴送入基材上的熔池中。

其中所述送粉器的喷嘴为单独配置，位于多台激光器的激光头的一侧，详细参阅图4所示。

采用多台激光器进行激光熔覆的方法，多台激光器输出的激光束在基体材料表面的光斑部分重叠，扩大了激光束单次扫描的宽度。合金粉末由单独配置的侧向送粉喷嘴4送入基材的熔池中。

步骤5：采用第三台激光器发射的激光，使基材表面缓慢冷却或不用激光器而自然冷却；

第二台激光器输出激光束，同时将合金粉末通过安装在第二台激光器的激光头上的同轴送粉喷嘴送入基体材料的熔池中。接着由第三台激光器发射激光束，对基体材料进行加热，使基体材料表面缓慢冷却。缓慢冷却可以有效降低激光熔覆层的开裂倾向，提高激光熔覆层的表面质量。

对于不易开裂的激光熔覆材料，为提高工作效率可以不用激光器输出激光缓冷，而使激光熔覆层自然冷却。

所述多台激光器为光纤激光器、固体激光器或半导体激光器；该多台激光器为连续激光器或是脉冲激光器；该多台激光器的功率范围为30010000W。多台激光器聚焦后的光束沿激光扫描方向依次输出，每两个光束焦点之间的距离为0-50mm。当每个光束焦点之间距离为0时，多束激光束光斑完全重叠，激光功率线性叠加，可以显著提高激光熔覆的效率。当每个光束焦点之间距离大于0时，可以通过调整多台激光器的激光头位置，使多台激光器输出的激光束在基材表面的光斑部分重叠或不重叠。所属激光器的激光束的扫描速度为3mm/s-20mm/s。激光束的扫描速度增大时，冷却速率增大，激光熔覆层的开裂倾向增大；激光束的扫描速度减小时，冷却速率减小，激光熔覆层的开裂倾向减小，但是会降低激光熔覆的效率。本发明提出激光束的扫描速度范围为3mm/s-20mm/s，这是优化的扫描速度范围，可以最大程度降低激光熔覆层的开裂倾向，又能保证激光熔覆的效率。

步骤6：冷却后使合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。

实施例1

本实施例的实施过程如图2所示.

(1)用丙酮将Q235基材A表面的油渍擦拭干净；

(2)第一台激光器输出的激光束通过激光头1聚焦与Q235基材A表面，进行预热，提高Q235基材A对第二台激光器的激光束的吸收率，降低激光熔覆过程的热应力，第一台激光器的激光功率600W，使基材的预热温度为400-500℃；

(3)第二台激光器输出的激光束通过激光头2辐照Q235基材A表面，使Q235基材(A)表面熔化，形成熔池；第二台激光器的激光功率为1.2kW；

(4)第二台激光器的激光头2配置同步送粉喷嘴，采用送粉器与同步送粉喷嘴将合金粉末送入Q235基材A的熔池中；

(5)第三束激光器输出的激光束通过激光头3辐照Q235基材A表面对已形成的涂层进行缓冷，降低涂层的开裂倾向，第三台激光器的激光功率为800W，三台激光器的激光束聚焦后在Q235基材A表面的光斑直径为4mm，每两个光束焦点之间的距离为5mm。激光束扫描速度为8mm/s；

(6)冷却后使合金粉末在Q235基材A表面形成涂层，涂层厚度为1.5mm，无裂纹和气孔，涂层与基材结合良好，完成制备。

实施例2

本实施例的实施过程如图3所示。

(1)用丙酮将27SiMn液压支柱A表面的油渍擦拭干净；

(2)激光熔覆过程无预热，使用3台1KW光纤激光器直接进行激光熔覆；

(3)三台激光器产生的激光束通过加工头1、2、3聚焦作用于27SiMn液压支柱A表面同一位置，使27SiMn液压支柱A表面熔化形成熔池，三台激光器的三束激光束光斑直径均为3mm，在基材表面光斑中心完全重叠，每台激光器的功率为800W，相当于一台2400W的激光器进行激光熔覆加工：

(4)第二台激光器的激光头2配置同步送粉喷嘴。采用送粉器与同步送粉喷嘴将Fe基合金粉末送入27SiMn液压支柱A表面的熔池中；激光束扫描速度为10mm/s；

(5)激光熔覆过程无缓冷过程，激光熔覆层自然冷却；

(6)冷却后得到厚度为2mm的激光熔覆涂层，涂层与基材结合良好，无裂纹和气孔，完成制备。

实施例3

本实施例的实施过程如图4所示。

(1)用丙酮将304不锈钢A表面的油渍擦拭干净；

(2)激光熔覆过程无预热，使用3台2KW固体激光器直接进行激光熔覆；

(3)三台激光器产生的激光束通过加工头1、2、3聚焦于304不锈钢A表面，三个激光束在304不锈钢A表面的光斑直径为4mm，三个光斑部分重叠，第二台激光器的激光头2输出的激光功率为1200W，第一台激光器的激光头1与第三台激光器的激光头3输出的激光功率均为1600W。

(4)采用送粉器与单独配置的侧向送粉喷嘴4将Ni基合金粉末送入基材的熔池中；

(5)不用激光器发射激光束而自然冷却；

(6)冷却后使合金粉末在304不锈钢A表面形成厚度为1.8mm涂层，涂层与基材结合良好，无裂纹和气孔，完成制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用多激光器进行激光熔覆的方法，包括以下步骤：

(1)用丙酮或酒精对基材表面进行除油和清洗处理；

(4)采用送粉器将合金粉末送入基材上的熔池中；

(6)冷却后使合金粉末在基材表面形成涂层，完成制备。

2.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述基材为不锈钢、碳钢、合金钢或铸铁。

3.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述多台激光器为光纤激光器、固体激光器或半导体激光器；该多台激光器为连续激光器或是脉冲激光器；该多台激光器的功率范围为300-10000W。

4.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述的激光熔覆方式是多台激光器聚焦后的光束沿激光扫描方向依次输出，每两个光束焦点之间的距离为0-50mm。

5.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述的预热温度为150-800℃。

6.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述送粉器的喷嘴配置在第二台激光器的激光头上。

7.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中所述送粉器的喷嘴为单独配置，位于多台激光器的激光头的一侧。

8.根据权利要求1所述的采用多激光器进行激光熔覆的方法，其中激光器的激光束的扫描速度为3mm/s-20mm/s。