CN107574433A - 多束激光制备金属涂层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多束激光制备金属涂层方法，采用垂直同轴送粉装置输送金属粉末材料，采用2‑4个波长450‑650纳米的半导体激光束加热材料，单束激光功率50‑200W，采用2‑6个波长800‑1200纳米的半导体或光纤激光束熔化材料，单束激光功率30‑150W，光束扫描速度50‑200mm/s，制备金属涂层厚度0.5‑2mm，可适用于钛、铝等涂层的直接制备。

Description

多束激光制备金属涂层方法

技术领域

本发明涉及多束激光制备金属涂层方法，属于激光加工技术领域，特别是涉及一种利用多波长、多束激光热源、同轴送粉直接制备涂层的方法。

背景技术

得益于高能量密度的特点，激光加工在工业界得到了广泛应用。利用同时送粉的激光熔敷技术，即是利用激光快速熔化粉末材料、形成熔池，进而形成焊道的技术；该项技术，可根据粉末特点，可形成耐磨、耐蚀、耐冲击等特性的涂层。目前主要应用的主要是CO₂和光纤激光器。相比较于传统的电弧堆焊方法，优势明显。

利用现有激光熔敷技术虽然可以制备金属涂层，但存在一下三方面问题：1)由于现有激光热源的波长都在1000纳米以上，热吸收率低，粉末浪费严重；2)现有激光束光斑直径较大，不利于涂层厚度尺寸的精确控制；3)由于波长和激光束光斑直径的双重约束，不利于涂层表面粗糙度控制。

精密零部件上的定位修补，现有技术由于上述缺陷，还无法得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供多波长、多束激光、同轴送粉制备金属涂层的方法，解决了传统激光束熔敷技术涂层厚度、涂层表面粗糙度不可控的难题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

多束激光制备金属涂层方法，a)采用垂直同轴送粉装置输送金属粉末材料，粉末尺寸不超过200微米；b)采用2-4个波长450-650纳米的半导体激光束加热材料，单束激光功率50-200W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成60-80°；c)采用2-6个波长800-1200纳米的半导体或光纤激光束熔化材料，单束激光功率30-150W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成50-70°；d)光束扫描速度50-200mm/s；

多束激光制备金属涂层方法，短波长激光束光斑直径200-600微米，长波长激光束光斑直径150-300微米，

多束激光制备金属涂层方法，金属粉末直径不超过入射激光束的光斑直径。

技术说明如下：

多束激光制备金属涂层方法，采用垂直同轴送粉装置输送金属粉末材料，粉末尺寸不超过200微米。

本发明采用垂直于水平面的同轴送粉方式，以确保能够与激光束光斑重合，并且能够精确定位。同时粉末尺寸不超过200微米，当尺寸超过200微米后，一方面会由于加热熔化不充分、导致涂层表面质量变差；同时也会导致表面粗糙度增加。

采用2-4个波长450-650纳米的半导体激光束加热材料，单束激光功率50-200W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成60-80°。

金属对激光束能量的吸收率随着波长减少而增加。相比较于常用的CO₂和光纤激光束的波长1800-2500纳米，金属粉末对450-650nm波段的激光束能量吸收率会提高2-4倍，因此，单位面积的加工效率更高，所需要的功率更低。同时，由于功率和波长的降低，可以将光束的光斑直径进一步降低，以提高对涂层金属的尺寸控制精度。

采用2-4个光束同时加热粉末材料，可使得加热更加均匀；单束功率控制在50-200W，总的功率在200-800W之间，可以满足大部分金属的加热和熔化需求，既包括铜、铝等低熔点金属，也包括钛、钨等高熔点金属。

该段激光束的作用是将粉末材料加热，或接近至熔化状态，从而为后续的激光束熔化做好准备，该段激光束聚焦在基材表面上方。入射角在60-80°。当入射角超过80°，虽然有利于增加能量，但不利于均匀加热；当入射角低于60°，激光束会损失掉较多能量，造成加热不足。

采用2-6个波长800-1200nm的半导体或光纤激光束熔化材料，单束激光功率30-150W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成50-70°。

相比较于常用的CO₂和光纤激光束的波长1800-2500纳米，金属粉末对800-1200纳米波段的激光束能量吸收率会提高1.5-3倍。虽然吸收率不及前述的波长450-650纳米的激光束，但是总的能量密度、光斑直径等会变大。

该段激光束的作用是将经过前段激光束加热了的粉末进一步加热至熔化，从而通过凝固形成致密的金属涂层。提高波长，虽然降低了部分吸收率，但是在提高总体能量的效果上讲，可以降低成本。

采用2-6个光束同时熔化粉末材料，均匀且高效，有利于精确控制；单束功率控制在30-150W，总的功率在60-900W之间，可以覆盖大部分金属粉末的熔化需求。

该段激光束光斑聚焦在基材表面上，入射角在50-70°。当入射角超过70°，虽然有利于增加能量，但不利于均匀加热；当入射角低于50°，激光束会损失掉较多能量，造成加热不足。

光束扫描速度50-200mm/s。

扫描速度一方面要考虑粉末的熔化状态，另一方面要成型质量，及表面质量和粗糙度要求；此外也要考虑加工效率。当扫描速度低于50mm/s时，会造成过度熔化，成型质量和涂层厚度不易控制；当扫描速度超过200mm/s时，会造成加热熔化不良，恶化涂层质量。

多束激光制备金属涂层方法，短波长激光束光斑直径200-600微米，长波长激光束光斑直径150-300微米。

短波长激光束用于预加热下落过程中的粉末材料，因此照射到垂直方向上分布的粉末材料的光照区成椭球型。当光斑直径低于200微米时，光束照射粉末区域有限，不利于充分加热；当光斑直径超过600微米时，则会造成照射区域过大，预加热效果不良。

长波长激光束直接聚焦在基材水平面上，直接决定了扫描区域的宽度。当光斑直径低于150微米时，不能完全覆盖充分熔化经过预加热区的粉末材料；当光斑直径超过300微米时，能量密度降低，不能充分熔化经过预加热区的粉末，影响涂层质量。

多束激光制备金属涂层方法，金属粉末直径不超过入射激光束的光斑直径。

如果粉末材料的尺寸超过材料的光斑直径，即使经过两段式的预加热和熔化激光束的扫描，也难以完全呈熔化状态。如果还要考虑到粉末颗粒之间的排布，以及最终涂层的表面粗糙度要求。金属粉末尺寸最好不要超过长波长激光束光斑直径最大值300微米。

当粉末尺寸不大于150微米时，效果更好；

当粉末尺寸不大于120微米时，效果最好；

本发明的优点及有益效果：

1.本发明方法解决了现有激光熔敷技术关于涂层厚度、表面粗糙度不可控的难题，实现了厚度和表面粗糙度的精确控制；

2.本发明方法克制的厚度0.5-2mm金属涂层，且表面粗糙度在50微米以内。

附图1

多束激光制备金属涂层方法示意图

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

选用碳钢Q345为基材，厚度12mm，长度为500mm，宽度为300mm。

粉末材料分别选用镍基合金625，纯钛和纯铜。

搭设系统，选用半导体固体激光器，1。

焊接完成后，检查焊接质量，并开展段断裂试验以检测焊板结合强度。

实施例1-6：

实施例1-6的加工参数见表1，激光束扫描速度分别是80，120，100，160，140和50mm/s，涂层的检验质量见表2。

对比例1-4：

对比例1-4的加工参数见表1，激光束扫描速度分别是80，120，100和160mm/s，涂层的检验质量见表2。涂层的检验质量见表2。

通过上述实施例可知，本发明提供的多束激光制备金属涂层方法可完成厚度0.5-2.0mm、表面粗糙度5微米的涂层制备，成型优良。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

表1实施例加工参数

表2实施例涂层质量

Claims (3)

1.多束激光制备金属涂层方法，其特征在于：a）采用垂直同轴送粉装置输送金属粉末材料，粉末尺寸不超过200微米；b）采用2-4个波长450-650纳米的半导体激光束加热材料，单束激光功率50-200W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成60-80º；c）采用2-6个波长800-1200纳米的半导体或光纤激光束熔化材料，单束激光功率30-150W，在水平面圆周方向均匀分布，入射角与水平面成50-70º；d）光束扫描速度50-200mm/s。

2.根据权利要求1所述的多束激光制备金属涂层方法，其特征在于：短波长激光束光斑直径200-600微米，长波长激光束光斑直径150-300微米。

3.根据权利要求1-2所述的多束激光制备金属涂层方法，其特征在于：金属粉末直径不超过入射激光束的光斑直径。