CN106498387A - 基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，该装置采用液晶光调制器与偏振分光棱镜组合作为分光器件，具有体积小、电压驱动低、功耗低、制作成本低和无运动部件，可实现动态调节等优点。同时，该装置采用液晶光调制器作为功率调制器件，调整液晶驱动电压，改变光束偏振态，相应的功率大小随着偏振态变化，解决了常规分光系统比例固定无法改变的问题，使激光熔覆过程中的加工、预热和后热处理功率可以变化。另外，该装置采用一个激光器实现三路激光输出，而且各路激光功率可调，解决常用的多个激光器提供光源，这样减少了激光器的数量，降低了设备的成本，同时也减少激光器所需空间，增加设备的紧凑性。
Description
技术领域
本发明涉及激光材料加工的技术领域，具体涉及基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置。
背景技术
激光熔覆始于20世纪70年代，是集计算机技术、数控技术、激光技术和材料加工技术于一体的新型的先进制造技术，在制备高性能材料零件中优势明显，其高效、快速、高质量的特点使其成为高性能零件制造的关键技术之一。
激光熔覆利用高功率密度激光束局部熔化基材表面形成熔池，同时添加金属合金粉末熔化凝固形成新的合金涂层，其特征是涂层与基材实现了牢固的冶金结合，基材的可控少量熔化使其对熔覆材料的稀释率很低，保证了熔覆材料的成分与冶金体系，能达到极好的表面耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳、抗高温氧化等多种性能。但是激光熔覆是一个快速升温冷却的过程，熔池体积小、温度梯度大、热应力大等特点使得熔覆层残余应力很大极易产生裂纹等缺陷。
经过国内外公开发表的相关文献检索发现，目前强化激光熔覆层的主要方法有：采用超声振动或冲击、交变磁场、在熔覆粉末中添加稀土元素、振动法、基体预热和缓冷等。其中利用超声振动、超声冲击、交变磁场提供的振动力、搅拌作用较小，只能一定程度上强化熔覆层，具有一定的局限性。机械法利用专用的振动设备产生共振，影响了系统本身光学系统以及加工件精度。在熔覆粉末中添加稀土元素这种工艺成本较高，材料匹配性复杂，工艺推广存在一定难度。
预热缓冷能有效降低熔覆过程的温度梯度，抑制裂纹缺陷产生，对获得高质量的结构件具有重要意义。目前激光熔覆过程常用的预热缓冷方法主要包括系统外部提供加热和利用激光加热。CN200710159310.8高热导率基体激光熔覆加工方法及所用系统采用加热管加热预热加工件。2009年，魏青松等公开了一种大台面选择性激光烧结的预热系统，利用加热管对SLS过程的预热模型，利用该预热方法成形出了精度满足设计要求的450mmX395mmX283mm的大尺寸薄壁箱体零件。2012年，高雪松等公开了一种利用高频表面预热技术对镍基合金表面激光熔覆Al2O3-Tio2陶瓷涂层的影响，证明利用高频表面预热技术能够制备出表面形貌较好的涂层，但是这些方法都存在能量利用率较低，结构复杂等不足。
CN201110352257.X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，通过激光分束镜将激光一分为二分别用作预热和热处理，可以实现简单零件的激光熔覆。然而该方法采用两台激光器，一台用于预热和热处理，一台用于激光加工，除了设备体积庞大外，成本也高昂，不适合工业应用。CN201610144326.0一种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再制造的方法，通过把加工面分成一段段很小的范围，逐次对每一分段进行预热、激光熔覆和热处理。该方法相对于其他普通激光熔覆能够有效减少激光熔覆裂纹的产生。但是该方法每次加工激光都需要往返多次，加工过程复杂，加工效率不高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，所述装置包括：激光器1、起偏器2、第一液晶光调制器3、第一偏振分束棱镜4、第二液晶光调制器5、第二偏振分束棱镜6、反射镜7、缓冷聚焦镜8、同轴送粉喷头9、预热聚焦镜10；
其中，所述起偏器2、所述第一液晶光调制器3、所述第一偏振分束棱镜4、所述第二液晶光调制器5、所述第二偏振分束棱镜6、所述反射镜7由近至远依次设置于所述激光器1水平射出的激光光路上；所述缓冷聚焦镜8、所述同轴送粉喷头9、所述预热聚焦镜10分别位于所述第一偏振分束棱镜4、所述第二偏振分束棱镜6、所述反射镜7正下方，并且与所述激光器1水平射出的激光光路垂直；
所述第一液晶光调制器3和所述第一偏振分束棱镜4构成一级分光系统，用于从所述激光器1输出的激光中提取用于缓冷处理的激光，该激光通过所述缓冷聚焦镜8聚焦到工件11的基材上用于激光熔覆的缓冷；
所述第二液晶光调制器5、所述第二偏振分束棱镜6、所述反射镜7构成二级分光系统，把提取完用于缓冷处理的激光后剩余的激光分成用于熔覆处理和预热处理的两路激光，其中，熔覆处理激光经聚焦后作用在工件11的基材表面形成的熔池，预热处理激光经所述预热聚焦镜10聚焦到工件11的基材上用于提高基材对熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆过程中的温度梯度。
进一步地，所述第一液晶光调制器3先改变入射光束的偏振态，然后所述第一偏振分束棱镜4产生两束彼此分开的、振动方向相互垂直的线偏振光，其中，一束与原光路方向垂直的线偏振光经所述缓冷聚焦镜8聚焦后用于缓冷处理，另一束与原光路方向相同的线偏振光用于熔覆和预热处理。
进一步地，所述第二液晶光调制器5先改变入射光束的偏振态，然后所述第二偏振分束棱镜6产生两束彼此分开的、振动方向相互垂直的线偏振光，其中，一束与原光路方向垂直的线偏振光经聚焦后作用在工件11的基材表面形成的熔池用于熔覆处理，另一束与原光路方向相同的线偏振光经所述反射镜7反射后垂直旋转90度，在所述预热聚焦镜10聚焦下用于预热处理。
进一步地，所述第一液晶光调制器3和所述第二液晶光调制器5可分别通过调整液晶光调制器驱动电压，改变光束偏振态，不同偏振态的光束对应的功率大小随着偏振态变化而变化。
进一步地，所述激光器1采用Nd:YAG半导体泵浦固体激光器，波长为1064nm，最大输出功率为10KW，输出功率大小可调。
进一步地，所述反射镜7与所述激光器1输出激光的原光路呈45度。
进一步地，所述缓冷聚焦镜8由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将所述激光器1输出的缓冷激光聚焦到工件11的基材表面，焦距为160mm。
进一步地，所述预热聚焦镜10由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将所述激光器1输出的预热激光聚焦到工件11的基材表面，焦距为160mm。
进一步地，所述二级分光系统中垂直原光路的反射光聚焦后作用在工件11的基材表面形成的熔池，自动送粉器的所述同轴送粉喷头9将合金粉末吹入熔池内，熔化的合金粉末在基材表面铺开，当激光束运动移开后，熔覆层快速凝固并结晶形成涂层。
进一步地，所述第一偏振分束棱镜4和所述第二偏振分束棱镜6的三面均镀有1064nm波长激光增透膜。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置采用液晶光调制器与偏振分光棱镜组合作为分光器件，具有体积小、电压驱动低、功耗低、制作成本低和无运动部件，可实现动态调节等优点，解决了通常需要使用大量光学元件形成复杂的分光系统，以获得相应光强和功率的比例分配。
2)本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置采用液晶光调制器作为功率调制器件，调整液晶驱动电压，改变光束偏振态，相应的功率大小随着偏振态变化，解决了常规分光系统比例固定无法改变的问题，使加工过程中产生激光熔覆加工、预热和后热处理功率变化，也可以改变总输出功率的基础上，简单快捷的调节各功能使用的激光功率。增加了设备的多功能性以及加工灵活性，实现多种组合的激光熔覆加工。
3)本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置采用一个激光器实现三路激光输出，而且各路激光功率可调，解决常用的多个激光器提供光源，这样减少了激光器的数量，降低了设备的成本，同时也减少激光器所需空间，增加设备的紧凑性；也可解决一个激光器多次往返才能实现激光预热、熔覆和缓冷处理的过程，减少加工环节，降低系统复杂度，简化加工工序，提高了加工效率和加工质量。
4)本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置采用基材预热与涂层缓冷相结合的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率，降低熔覆过程中的温度梯度，以及减小涂层内的残余应力。降低涂层的稀释率，保证涂层与基材呈冶金结合，减小基材的热影响区，从而高效的获得无变形、无裂纹的高性能涂层。获得的熔覆层组织致密，晶粒细化，明显提高了工件的使用寿命和耐磨，耐腐蚀、抗开裂与抗热震性能。
附图说明
图1是本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置的结构示意图；
其中，1---激光器，2---起偏器，3---第一液晶光调制器，4---第一偏振分束棱镜，5---第二液晶光调制器，6---第二偏振分束棱镜，7---反射镜，8---缓冷聚焦镜，9---同轴送粉喷头，10---预热聚焦镜，11---工件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明公开的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置包括激光器1、起偏器2、第一液晶光调制器3、第一偏振分束棱镜4、第二液晶光调制器5、第二偏振分束棱镜6、反射镜7、缓冷聚焦镜8、同轴送粉喷头9、预热聚焦镜10构成。
其中，激光器采用Nd:YAG半导体泵浦固体激光器，波长为1064nm，最大输出功率为10KW，输出功率大小可调。
其中第一液晶光调制器3和第一偏振分束棱镜4构成一级分光系统，用于从输出的激光中提取用于缓冷处理的激光。第二液晶光调制器5、第二偏振分束棱镜6、反射镜7构成二级分光系统，把剩余激光分成用于激光熔覆和预热两路激光。这样一个激光器经过两级分光系统形成三路输出光，分别用于预热、熔覆和缓冷，并且它们之间的功率比例可调。经过液晶光调制器精确控制光束的偏振态，实现可控偏振分光。
其中，第一偏振分束棱镜4和第二偏振分束棱镜6的三面均镀有1064nm波长激光增透膜。
分光前可根据基材的材料确定预热、熔覆和缓冷处理需要激光功率，三者相加就是激光器所需输出总功率。缓冷激光功率与总功率之比就是一级分光系统所要调节的比例，调整液晶光调制器驱动电压，改变光束偏振态，相应的功率大小随着偏振态变化，获得用于缓冷处理的一路激光。一级分光后剩余光功率包括用于激发熔覆和预热处理的激光，同样经过给定一定的液晶光调制器驱动电压，使得两者按要求比例分离。这样就用一个激光器输出，就可以得到功率大小可以调节的三路激光，降低了设备成本，减小设备体积，提高了加工效率，提高了加工质量。
激光器1产生的激光通过起偏器2将光束变成线偏振光，线偏振光进入第一液晶光调制器3后，通过调整第一液晶光调制器3的液晶驱动电压来改变其双折射率，从而可实现对入射线偏振光的偏振态的改变。第一偏振分束棱镜4是一种能产生两束彼此分开的，振动方向相互垂直的线偏振光的器件，不同偏振态的入射光进入棱镜后，将分成光强大小随偏振态变化的两束光。
经过第一偏振分束棱镜4后产生两路光路，其中，输出功率小的反射光，被反射到与原光路垂直的光路中，经过缓冷聚焦镜8聚焦到工件11的基材上用于激光熔覆的缓冷，其功率大约800W左右(可根据材质调整)，使熔覆加工后的工件温度控制在200℃左右。对形成的熔覆涂层进行缓冷处理，从而降低涂层内的残余应力，消除熔覆层内的裂纹。
其中，缓冷聚焦镜8由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将半导体激光器输出的缓冷激光聚焦到基体上，焦距为160mm。
输出功率大的的透射光继续沿着原光路传播，经过第二液晶光调制器5后偏振态受到液晶驱动电压的调制，获得所需要的偏振态。在第二偏振分束棱镜6的作用下分成振动方向相互垂直的两束光，分别为用于熔覆和预热，两者比例与第二液晶光调制器5的液晶驱动电压成正比。
二级分光系统中垂直原光路的反射光聚焦后作用在基材表面形成的熔池，自动送粉器的同轴送粉喷头9将合金粉末吹入熔池内，熔化的合金粉末在基材表面铺开，当激光束运动移开后，熔覆层快速凝固并结晶形成涂层。
用于熔覆加工的激光功率为2-8KW,光斑直径为1-5mm，扫描速度为180-800mm/min,熔覆厚度1-2mm，送粉率30-260g/min，与基材表面的垂直距离为6-10mm。
二级分光系统中透射光经过与原光路呈45度反射镜7反射后垂直旋转90度，在预热聚焦镜10聚焦下作为预热激光，预热激光的功率为1.2KW(可根据材质调整)左右，产生约300℃左右的预热温度，用于提高基材对熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆过程中的温度梯度。
其中，预热聚焦镜10由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将半导体激光器输出的预热激光聚焦到基体上，焦距为160mm。
综上所述，本发明提出的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置采用液晶光调制器控制偏振来控制分光，使得预热、加工和缓冷三路激光得到所需要功率，用低功率激光束作为预热和缓冷处理热光源，高功率的激光束作为激光熔覆加工光源。这样既无需使用两台激光器产生三路激光，又可以精确控制各路所需的激光功率，同时克服使用一台激光多程往返的加工效率问题，减小加工复杂度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，所述装置包括：激光器(1)、起偏器(2)、第一液晶光调制器(3)、第一偏振分束棱镜(4)、第二液晶光调制器(5)、第二偏振分束棱镜(6)、反射镜(7)、缓冷聚焦镜(8)、同轴送粉喷头(9)、预热聚焦镜(10)；
其中，所述起偏器(2)、所述第一液晶光调制器(3)、所述第一偏振分束棱镜(4)、所述第二液晶光调制器(5)、所述第二偏振分束棱镜(6)、所述反射镜(7)由近至远依次设置于所述激光器(1)水平射出的激光光路上；所述缓冷聚焦镜(8)、所述同轴送粉喷头(9)、所述预热聚焦镜(10)分别位于所述第一偏振分束棱镜(4)、所述第二偏振分束棱镜(6)、所述反射镜(7)正下方，并且与所述激光器(1)水平射出的激光光路垂直；
所述第一液晶光调制器(3)和所述第一偏振分束棱镜(4)构成一级分光系统，用于从所述激光器(1)输出的激光中提取用于缓冷处理的激光，该激光通过所述缓冷聚焦镜(8)聚焦到工件(11)的基材上用于激光熔覆的缓冷；
所述第二液晶光调制器(5)、所述第二偏振分束棱镜(6)、所述反射镜(7)构成二级分光系统，把提取完用于缓冷处理的激光后剩余的激光分成用于熔覆处理和预热处理的两路激光，其中，熔覆处理激光经聚焦后作用在工件(11)的基材表面形成的熔池，预热处理激光经所述预热聚焦镜(10)聚焦到工件(11)的基材上用于提高基材对熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆过程中的温度梯度。
2.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述第一液晶光调制器(3)先改变入射光束的偏振态，然后所述第一偏振分束棱镜(4)产生两束彼此分开的、振动方向相互垂直的线偏振光，其中，一束与原光路方向垂直的线偏振光经所述缓冷聚焦镜(8)聚焦后用于缓冷处理，另一束与原光路方向相同的线偏振光用于熔覆和预热处理。
3.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述第二液晶光调制器(5)先改变入射光束的偏振态，然后所述第二偏振分束棱镜(6)产生两束彼此分开的、振动方向相互垂直的线偏振光，其中，一束与原光路方向垂直的线偏振光经聚焦后作用在工件(11)的基材表面形成的熔池用于熔覆处理，另一束与原光路方向相同的线偏振光经所述反射镜(7)反射后垂直旋转90度，在所述预热聚焦镜(10)聚焦下用于预热处理。
4.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述第一液晶光调制器(3)和所述第二液晶光调制器(5)可分别通过调整液晶光调制器驱动电压，改变光束偏振态，不同偏振态的光束对应的功率大小随着偏振态变化而变化。
5.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述激光器(1)采用Nd:YAG半导体泵浦固体激光器，波长为1064nm，最大输出功率为10KW，输出功率大小可调。
6.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述反射镜(7)与所述激光器(1)输出激光的原光路呈45度。
7.根据权利要求5所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述缓冷聚焦镜(8)由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将所述激光器(1)输出的缓冷激光聚焦到工件(11)的基材表面，焦距为160mm。
8.根据权利要求5所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述预热聚焦镜(10)由两片式透镜构成，两片透镜都镀有1064nm波长激光增透膜，将所述激光器(1)输出的预热激光聚焦到工件(11)的基材表面，焦距为160mm。
9.根据权利要求3所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述二级分光系统中垂直原光路的反射光聚焦后作用在工件(11)的基材表面形成的熔池，自动送粉器的所述同轴送粉喷头(9)将合金粉末吹入熔池内，熔化的合金粉末在基材表面铺开，当激光束运动移开后，熔覆层快速凝固并结晶形成涂层。
10.根据权利要求1所述的基于液晶调制预热加工缓冷功率的激光熔覆装置，其特征在于，
所述第一偏振分束棱镜(4)和所述第二偏振分束棱镜(6)的三面均镀有1064nm波长激光增透膜。
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