CN106808087A - 一种减小激光熔覆后工件形变量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，包括以下步骤：将两个半导体激光器出光口向下并列排放，两束激光在同一竖直面内以同一方向平行出射，分别通过聚焦，在第二束光路的聚焦镜后通过反射镜组的反射作用改变第二束光斑的聚焦位置，两路光束作用到同一工作面上，第一束光斑用于材料表层的熔覆加工，第二束光斑是使熔覆后的材料表层二次熔化，以达到修复材料表面不平整部位的效果，加工及修复过程中要求一光斑尺寸小于二光斑。本发明突破了传统激光熔覆光源的只能一束光斑加工模式，采用两束激光加工，显著优化了加工材料熔覆层表面平整度，大幅度地提高了激光熔覆的加工质量与效率，减小了后续加工量。

Description

一种减小激光熔覆后工件形变量的方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种减小激光熔覆后工件形变量的方法。
背景技术：
由于半导体激光器具有体积小、电光转换效率高及可靠性高等优点，已逐渐应用到激光加工领域，包括激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光3D打印等，其中激光熔覆技术是激光加工的一个重要应用方面，通过利用高能量密度激光束在基材表面辐照，将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化、扩展和凝固，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层，以起到材料表面改性作用，使材料更耐磨、耐蚀、耐热，提高材料表面硬度及抗氧化性。目前，激光熔覆技术大部分采用一束光斑的熔覆加工模式对材料进行加工，熔池边缘会出现难以避免的凹陷区，致使现熔覆技术面临着材料表面熔覆层不平整的问题，严重影响了激光熔覆的加工效率与质量，更增加了后续的工作量。
发明内容：
本发明要解决现有激光熔覆技术材料表面平整度较低的问题，提出一种优化材料表面平整度的减小激光熔覆后工件形变量的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的一种减小激光熔覆后工件形变量方法的技术方案具体如下：
一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，包括以下步骤：
步骤i：两个叠阵半导体激光器出光口向下并列排放，两束不同功率的激光在同一竖直面内以同一方向平行出射；
步骤ii：两束激光的平行光束分别经过聚焦镜聚焦；
步骤iii：在第二束激光的光束经过聚焦后的光路上设有一组反射镜组，通过反射镜组的反射作用改变第二束激光的聚焦位置，并根据工作面上两光斑边缘间隔尺寸大小的要求，调节反射镜组的相对位置和相对夹角，最终实现两路激光的光束聚焦作用到同一工作面上。
本发明进一步的技术方案为，两个半导体激光器的激光输出功率范围均在1000W~3000W的范围内；
本发明更进一步的技术方案为，所述步骤ii中，所述聚焦透镜为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。
本发明更进一步的技术方案为，所述步骤iii中，第二束激光的光路上所述的反射镜组均镀有对应波长的高反膜，其反射率均在99%以上。
本发明更进一步的技术方案为，所述步骤iii中，所述反射镜组包括两片成角度放置的反射镜。
本发明更进一步的技术方案为，所述步骤iii中，工作面上的两光斑边缘间隔尺寸根据加工材料形状而定，可通过改变反射镜组相对位置或直接移动第二个半导体激光器调整第二束激光的光斑与第一束激光的光斑的边缘间隔及照射角度。
本发明更进一步的技术方案为，两个半导体激光器的波长范围均在400nm~2000nm的范围内。
本发明更进一步的技术方案为，所述工作面上的两光斑均为矩形光斑，且第一束激光的光斑尺寸小于第二束激光的光斑尺寸，第一束激光的功率密度大于第二束激光的功率密度。
本发明的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，具有以下的优点：
本发明的一种减小激光熔覆后工件形变量方法，将两束激光组合，利用两种不同功率、不同尺寸的光斑进行激光熔覆加工，首先利用一个小尺寸光斑进行激光熔覆加工，后采用一个大尺寸光斑对小光斑熔覆加工后熔池边缘形成的凹陷区进行二次加工，使熔覆后的材料表层二次熔化，突破了传统激光熔覆光源的一束激光光斑加工模式，优化了加工材料熔覆层表面平整度，大幅度地提高了激光熔覆的加工质量与效率，减小了后续的工作量。
本发明的一种减小激光熔覆后工件形变量方法中，两个叠阵半导体激光器的激光输出功率和光斑尺寸可根据材料自身属性确定，两光斑边缘间隔及第二束光照射角度可通过改变反射镜组或第二个半导体激光器调节，十分灵活。
附图说明：
图1是本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法的实施例1中减小激光熔覆后工件形变量结构的结构示意图；
图2是本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法的实施例2中减小激光熔覆后工件形变量结构的结构示意图；
图3是图1所示的具体实施方式中减小激光熔覆后工件形变量结构的两光斑熔覆效果与一束光斑熔覆效果的对比图。
具体实施方式：
本发明的发明思想为：一种减小激光熔覆后工件形变量方法，包括以下步骤：
首先，两个叠阵半导体激光器1发出的光经过扩束器放大，通过改变扩束器倍数得到所需求的光斑尺寸；
然后，两个叠阵半导体激光器1出光口向下并列排放，使两束不同功率的激光在同一竖直面内以同一方向平行出射；
再然后，利用聚焦镜2的汇聚作用，使两束激光的功率密度升高；
最后，在第二束聚焦光后放置一组反射镜组3，所述反射镜组3包括两个成角度放置的反射镜，通过反射镜组3反射改变第二束光的聚焦位置，并根据工作面上两光斑边缘间隔尺寸大小的要求，调节反射镜组3的相对位置。最终，实现两路光束作用到同一工作面上。
本发明的一种减小激光熔覆后工件形变量方法，根据同宽光束聚焦前扩束倍数越大其聚焦后的光斑尺寸越小的原理，在两个叠阵半导体激光器1内分别安装扩束倍数不同的扩束器，以调节其光斑尺寸，两个叠阵半导体激光器1出光口向下并列排放，两束光在同一竖直面内以同一方向出射，两束激光分别通过聚焦镜2聚焦提高功率密度，以达到激光熔覆的要求。第二束激光用于修复第一束激光加工后熔池边缘形成的凹陷区，因此在第二束光路的聚焦镜2后安装一组反射镜组3，通过改变反射镜组3的相对位置或直接移动第二个半导体激光器1以调节第二束光斑的照射位置及角度，这样就实现了两光斑的熔覆加工。
下面结合附图对本发明做一下详细说明。
实施例1
图1和图3显示了本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法的一种具体实施方式，参照图1，本发明的具体实施方式中的减小激光熔覆后工件形变量方法适用的减小激光熔覆后工件形变量结构，包括两个叠阵半导体激光器1，两片聚焦镜2，一组反射镜组3及工作面4。
所使用的两个半导体激光器1均采用一只915nm和一只976nm半导体激光叠阵合束制成，每只叠阵由20只bar条组成，两个叠阵半导体激光器中bar条均采用快慢轴准直镜对其进行准直，输出功率为2kW。
在适用本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法的减小激光熔覆后工件形变量结构中，将扩束倍数为4倍和2倍的扩束器分别安装在第一个和第二个半导体激光器1内，取适当光斑大小加以固定，将两台半导体激光器1出光口向下并列排放，根据拟定的工作面4位置，采用机械件固定两束光路上的聚焦镜2，采用六轴调整架将反射镜组3安装在第二束光路上，调节六轴调整架使两光斑在工作面上成轴对称的“二”字形分布，如图3所示，工作面上的两光斑边缘间隔为2mm，第一束光斑尺寸为2×4mm2，第二束光斑尺寸为2×6mm2，这样就完成了光路系统的调节。利用本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法，图1所示的具体实施方式中的两束光斑熔覆效果与一束光斑熔覆效果的对比图如图3所示，图3中a图为一束光斑加工材料表面后熔覆层的结构图，中间的凹陷区即为熔池边缘造成的表面不平整，且其熔覆层厚度为3mm，b图为两光斑修复后的效果图，通过对第一束光斑熔覆后的材料表面进行二次熔化，较为理想地修复了材料表面的不平整现象，且熔覆层厚度可减至1mm。
本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法，将两束光斑组合，利用两种不同功率、不同尺寸的光斑进行激光熔覆工作，先利用一个小尺寸光斑进行激光熔覆加工，后采用一个大尺寸光斑对小光斑熔覆加工后的凹陷区进行二次加工，突破了传统激光熔覆光源的一束激光光斑加工模式，优化了加工材料熔覆层表面平整度，大幅度地提高了激光熔覆的加工质量。
实施例2
图2显示了本发明的减小激光熔覆后工件形变量方法的另外一种具体实施方式。与图1所示的具体实施方式不同的是，去掉了第二束光路的反射镜组3，直接通过调整第二个半导体激光器1的位置调节工作面上两光斑的边缘间隔及照射角度。本实施方式的减小激光熔覆后工件形变量方法的工作原理与图1所示的具体实施方式相同，故在此不再描述。
显然，上述实施例仅清楚说明所做实例，而并非对实施方式的限定。在不脱离本发明的设计理念与范围内，在形式和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤i：两个叠阵半导体激光器（1）出光口向下并列排放，两束不同功率的激光在同一竖直面内以同一方向平行出射；
步骤ii：两束激光的平行光束分别经过聚焦镜（2）聚焦；
步骤iii：在第二束激光的光束经过聚焦后的光路上设有一组反射镜组（3），通过反射镜组（3）的反射作用改变第二束激光的聚焦位置，并根据工作面上两光斑边缘间隔尺寸大小的要求，调节反射镜组（3）的相对位置和相对夹角，最终实现两路激光的光束聚焦作用到同一工作面（4）上。
2.根据权利要求1所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：两个半导体激光器（1）的激光输出功率范围均在1000W~3000W的范围内。
3.根据权利要求1所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：所述步骤ii中，所述聚焦透镜（3）为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。
4.根据权利要求1所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：所述步骤iii中，第二束激光的光路上所述的反射镜组（3）均镀有对应波长的高反膜，其反射率均在99%以上。
5.根据权利要求1所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：所述步骤iii中，所述反射镜组（3）包括两片成角度放置的反射镜。
6.根据权利要求1-5其中任意一项所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：所述步骤iii中，工作面（4）上的两光斑边缘间隔尺寸根据加工材料形状而定，可通过改变反射镜组（3）相对位置或直接移动第二个半导体激光器调整第二束激光的光斑与第一束激光的光斑的边缘间隔及照射角度。
7.根据权利要求1-5其中任意一项所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于；两个半导体激光器（1）的波长范围均在400nm~2000nm的范围内。
8.根据权利要求1-5其中任意一项所述的一种减小激光熔覆后工件形变量的方法，其特征在于：所述工作面（4）上的两光斑均为矩形光斑，且第一束激光的光斑尺寸小于第二束激光的光斑尺寸，第一束激光的功率密度大于第二束激光的功率密度。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Zhou Chenglin

Inventor after: Si Songhai

Inventor after: Wang An

Inventor before: Zhou Chenglin

Inventor before: Zhu Hongbo

Inventor before: Ning Yongqiang

Inventor before: Si Songhai

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GR01 Patent grant
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