CN106498389B - 基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，采用多焦点透镜作为熔覆聚焦镜，在光轴上的多个不同位置得到多个焦点，在工件的表面上形成多个同一光轴的光斑，其能量密度随着光斑面积大小成线性变化，其中，焦点位置处于中间的0级光作为激光熔覆加工用光，其他衍射级光作为预热和缓冷处理光，0级光焦点处于工作表面上，其他级光则在工作面上产生以光轴为中心的光斑，形成照射面积增大，功率密度降低的状况。这样中间的功率密度高用于熔化基材表面形成熔池，周围的功率密度低，适合预热和加工后处理。这样的布局产生递减或者递增的温度，进一步形成渐近式预热和缓冷处理，温度梯度更为减缓，提高了基材对激光的吸收率。

Description

基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆加工技术领域，具体涉及一种基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置。

背景技术

近年来随着工业技术的飞速发展，对零部件的性能提出了更高的要求。激光熔覆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。相比于传统的减材加工，激光熔覆是一种增材制造方法，是再制造领域的主要修复技术之一，激光熔覆热输入量很小，因此基体变形小，基体对熔覆层的稀释率小而且可以控制，激光熔覆层与基体冶金结合性能好，因此被广泛的应用于航空航天、医学等领域。

激光熔覆是一个快速升温冷却的过程，熔覆过程急冷急热、温度梯度大，而熔池体积又小，使得熔覆层残余应力很大，较大的热应力致使结构件出现裂纹缺陷。对基体进行预热和缓冷处理是一种控制熔覆层应力的好办法，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，用低功率激光束作为预热和热处理热源是一种可行的办法，但不同的预热和热处理激光功率，预热的提前时间和热处理滞后时间都会对残余应力产生影响。

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。申请号为‘CN200710159310.8’的高热导率基体激光熔覆加工方法及所用系统；2009年魏青松等《大台面选择性激光烧结快速成形预热优化设计》的预热系统；2012年高雪松等《高频感应辅助激光熔覆MCrAlY涂层的微观组织及其抗氧化性能》都是采用外部加热，获得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。

申请号为‘CN201110352257.X’的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；申请号为‘CN201410480190.1’的一种激光熔覆过程利用椭圆形均匀光束的预热缓冷方法，均采用焦点基于工作面的横向分布的排列方式，预热加工和缓冷激光始终在一平面，熔覆路径只能是直线。但实际加工过程中零件裂纹形状复杂，而且长度很短，激光束轨迹必须与裂纹形状时刻相匹配，该种办法存在着实用性不高的缺点。申请号为‘CN201610144326.0’的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采用一路激光分段加工，分别进行预热加工和缓冷工艺，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，提供一种基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，所述装置包括：激光器1、反射镜2、多焦点透镜3、送粉系统5、工作台7；

其中，工件6放置于所述工作台7上，并且位于所述多焦点透镜3的下方；

所述激光器1水平输出激光，激光经过所述反射镜2反射后，垂直入射到所述多焦点透镜3上，所述多焦点透镜3产生N个焦点并在工件6表面的上方、工件6表面以及工件6表面的下方形成N个同一光轴的光斑，分别用于熔覆加工、预热以及缓冷，其中N为大于等于3的整数；

所述送粉系统5用于所述装置在熔覆加工时向工件6表面的熔池内添加合金粉末。

进一步地，所述多焦点透镜3由衍射多焦点元件和聚焦镜构成，其中，所述衍射多焦点元件的光学结构采用锯齿形的闪耀槽或者矩形波形的二元型。

进一步地，所述多焦点透镜3产生3个焦点并在工件的表面上形成3个同一光轴的光斑，经过所述多焦点透镜3的激光束分成+1级光、0级光和-1级光，其中，+1级光为第一光束，0级光为第二光束，-1级光为第三光束，光束焦点位置从高到低依次为第一光束、第二光束和第三光束，分别位于工件6表面的上方、工件6表面以及工件6表面的下方。

进一步地，所述第二光束用于熔覆加工，所述第一光束和所述第三光束用于熔覆预热和缓冷。

进一步地，所述激光器1为增益介质为Nd:YAG半导体泵浦固体激光器或者光纤激光器，波长为1064nm，光斑直径为2mm，最大输出功率为10KW，用于提供激光熔覆光源。

进一步地，所述多焦点透镜3的两面镀有1064nm增透膜。

进一步地，所述送粉系统5包括侧向送粉头4，所述送粉系统5通过所述侧向送粉头4将合金粉末吹入工件6表面的熔池内。

进一步地，所述反射镜2与所述激光器1水平输出的激光呈45度设置。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置采用多焦点透镜作为熔覆聚焦镜，在光轴上的多个不同位置得到多个焦点，用一个透镜实现一束激光束变为多束激光。代替常用的多台激光产生多束激光的方法，或者一台激光器加上复杂的分光系统生产多束激光的方法，减少了设备的成本和外形，降低设备的复杂性。

2)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置采用焦点位置处于中间的0级光作为激光熔覆加工用光，其他衍射级光作为预热和缓冷处理光。0级光焦点处于工作表面上，其他级光则在工作面上产生以光轴为中心的光斑，形成照射面积增大，功率密度降低的状况。这样中间的功率密度高用于熔化基材表面形成熔池，周围的功率密度低，适合预热和加工后处理。这样的布局形成了合理的预热、熔覆、缓冷处理的工序，加工时候只要激光以光斑边缘开始作用于工件，就可以实现具有预热和缓冷处理的激光熔覆。

3)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置采用衍射型光学元件作为产生多焦点的元件，具有重量轻、结构简单，高效而光能利用率高的特点。焦点间的距离可以改变激光能量在工件上的能量分布。

4)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置中多焦点透镜产生多个焦点，在工件的表面上形成多个同一光轴的光斑，其能量密度随着光斑面积大小成线性变化。从而产生递减或者递增的温度，进一步形成渐近式预热和缓冷处理，温度梯度更为减缓，提高了基材对激光的吸收率。

5)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置中用于熔覆的激光位于中心区域，而用于预热和缓冷的装置位于外围部分，两者构成一个以光轴为中心的光斑，不再是三者处于同一直线位置的独立光束，具有单束激光加工的灵活性，不在要求熔覆路径只能是直线。之前采用单束激光的加工过程中，预热、熔覆、缓冷处理三个处理过程分别加工，多次往返，该装置减少加工环节，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。

6)本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光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多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置的结构图；

其中，1---激光器，2---反射镜，3---多焦点透镜，4---侧向送粉头，5---送粉系统，6---工件，7---工作台。

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，本实施例公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置包括：激光器1、反射镜2、多焦点透镜3、侧向送粉头4、送粉系统5、工件6、工作台7。

其中激光器1为增益介质为Nd:YAG半导体泵浦固体激光器或者光纤激光器，波长为1064nm，光斑直径为2mm，最大输出功率为10KW，用于提供激光熔覆光源。

从激光器1水平输出的激光，经过与水平激光光路呈45度设置的反射镜2反射后，垂直入射到多焦点透镜3上。多焦点透镜3是由衍射多焦点元件和聚焦镜构成，衍射多焦点元件的光学结构既可用锯齿形的闪耀槽又可为矩形波形的二元型，具有重量轻、结构简单，高效而光能利用率高的特点。焦点间的距离可以改变激光能量在工件上的能量分布，从而改变激光熔覆和预热缓冷之间的激光功率比例，保证加工效果。多焦点透镜3的两面镀有1064nm增透膜。

多焦点透镜3产生N个焦点并在工件的表面上形成N个同一光轴的光斑，其中N为大于等于3的整数。

本实施例中N＝3，焦点数量取为3个，下面以产生3个焦点的多焦点透镜3进行阐述。

经过多焦点透镜3的激光束分成+1级光、0级光和-1级光，+1级光为第一光束，0级光为第二光束，-1级光为第三光束，即图1中第一光束、第二光束和第三光束，光束焦点位置从高到低依次为第一光束、第二光束和第三光束。第三光束的焦点位置位于工件的表面下方，所以在工件表面上形成一个以光轴为中心的光斑，因为光斑相对第一光束、第二光束处于外围，照射面积最大，所以能量密度最小，工件产生的温度就最低，用于初步的预热或者进一步缓冷处理工序。

第一光束的焦点位置处于工件的表面上方，激光在焦点位置聚焦后继续传播，在工件表面上也形成一个光轴为中心点的光斑，光斑大于第二光束形成的加工聚焦点，又小于第三光束形成的激光照射区域，照射到工件上产生高于第三光束的预热温度，形成一个逐级升高的预热和缓冷处理系统。预热和缓冷的温度不是一直保留在某个数值，形成一个由外向里温度梯度，进一步降低熔覆过程中的温度梯度，提高基材对激光的吸收。

第三光束的焦距最长，焦点位于工件的表面下方，在工作面上形成一个以光轴为中心的光斑，因为聚焦点不在熔覆基面上，所以功率密度就低于中间部分的第二光束，低于基材表面熔化阈值，光斑前半部分可用于预热工件。基材为碳钢、合金钢、铸铁的工件经过表面除锈、除油、清洗与喷砂处理后，在第三光束的照射下，产生约250℃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。

第一光束的焦点最短，聚焦于工件的表面上方，并随着光束传输，最终在工作的表面上也形成一个以光轴为中心的光斑。同样功率密度低于中间部分，光斑的前半部分产生约300℃左右的预热温度。其中第三光束的光斑直径大于第一光束的光斑，且两者相互临近，所有第三光束的照射面积大于第一光束，因此产生的温度低于第一光束产生的温度。这样形成一个由外向里温度梯度，进一步降低熔覆过程中的温度梯度，提高基材对激光的吸收。

第二光束聚焦于工件的表面上方，使用的时候激光熔覆的焦点贴近基材表面，形成高功率密度的熔覆激光，作用在基材表面形成的熔池，送粉系统5中侧向送粉头4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。激光熔覆加工过程中所用保护气体为惰性气体。扫描速度为180-800mm/min,熔覆厚度1-2mm，送粉率30-260g/min。

激光熔覆加工完成后进行缓冷处理，涂层先后经过第一光束和第三光束的照射，使得熔覆加工后的涂层温度分别控制在300℃、250℃左右，形成一个由高到低的温度保温，对形成的涂层进行缓冷处理，从而降低涂层内的残余应力，消除熔覆层内的裂纹。

多焦点透镜3可以根据需要选用更多的焦点的多焦点透镜，获得更为细化的温度梯度，进一步降低热应力。

当完成一道激光熔覆后，移动数控机床沿垂直激光扫描速度的方向，移动的距离为激光光斑直径30-70％左右，从而控制连续两道次间的搭接率为30-70％。

综上所述，本发明公开的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置采用衍射多焦点元件和聚焦镜构成熔覆聚焦镜，经过多焦点透镜形成0级和±1级三路光，0级光焦距为中间值，焦点位于工作表面，功率密度高，高功率密度激光局部熔化基材表面形成熔池。另外两路光分别为焦距最长和最短光路，焦点处于工作表面的上、下两位置，以致激光作用面积大，作用于基体产生的温度低，适合预热和加工后的缓冷处理。基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置用单一的入射光，实现了既能激光熔覆加工，又能预热和缓冷处理，减小温度梯度和热应力。而且用于加工的激光和用于预热、缓冷的激光不是相互排列成直线，而是以光轴为中心的圆分布，具有单激光加工的灵活性，又有多激光可同时预热、熔覆、缓冷的优势，并且节省了用于预热或缓冷功能的激光器，或为获得预热和缓冷激光束的复杂分光系统，减小设备成本和体积，提高加工速度和质量。

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 (8)

1.一种基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，所述装置包括：激光器(1)、反射镜(2)、多焦点透镜(3)、送粉系统(5)、工作台(7)；

其中，工件(6)放置于所述工作台(7)上，并且位于所述多焦点透镜(3)的下方；

所述激光器(1)水平输出激光，激光经过所述反射镜(2)反射后，垂直入射到所述多焦点透镜(3)上，所述多焦点透镜(3)产生N个焦点并在工件(6)表面的上方、工件(6)表面以及工件(6)表面的下方形成N个同一光轴的光斑，分别用于熔覆加工、预热以及缓冷，其中N为大于等于3的整数；

所述送粉系统(5)用于所述装置在熔覆加工时向工件(6)表面的熔池内添加合金粉末。

2.根据权利要求1所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述多焦点透镜(3)由衍射多焦点元件和聚焦镜构成，其中，所述衍射多焦点元件的光学结构采用锯齿形的闪耀槽或者矩形波形的二元型。

3.根据权利要求2所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述多焦点透镜(3)产生3个焦点并在工件的表面上形成3个同一光轴的光斑，经过所述多焦点透镜(3)的激光束分成+1级光、0级光和-1级光，其中，+1级光为第一光束，0级光为第二光束，-1级光为第三光束，光束焦点位置从高到低依次为第一光束、第二光束和第三光束，分别位于工件(6)表面的上方、工件(6)表面以及工件(6)表面的下方。

4.根据权利要求3所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述第二光束用于熔覆加工，所述第一光束和所述第三光束用于熔覆预热和缓冷。

5.根据权利要求1所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述激光器(1)为增益介质为Nd:YAG半导体泵浦固体激光器或者光纤激光器，波长为1064nm，光斑直径为2mm，最大输出功率为10KW，用于提供激光熔覆光源。

6.根据权利要求5所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述多焦点透镜(3)的两面镀有1064nm增透膜。

7.根据权利要求1所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述送粉系统(5)包括侧向送粉头(4)，所述送粉系统(5)通过所述侧向送粉头(4)将合金粉末吹入工件(6)表面的熔池内。

8.根据权利要求1所述的基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置，其特征在于，

所述反射镜(2)与所述激光器(1)水平输出的激光呈45度设置。