CN108823567A - 一种金属薄板高效激光熔覆装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种金属薄板高效激光熔覆装置与方法，包括激光熔覆系统与PLC控制系统，涉及激光增材制造领域。本发明采用侧向送丝激光熔覆成型技术，平行激光通过导光分光系统和全反镜分成上下两束，同时加工。所述金属薄板固定在三维移动平台上，所述三维移动平台可以通过PLC控制系统来控制其位移方向和速度。为防止材料被氧化，整个过程在氩气氛围中进行。在薄板两侧同时进行熔覆加工，不仅可以提高加工效率，而且使薄板两侧受热均匀，可有效抑制由于单面依次熔覆还引发温度梯度过大而导致薄板受热变形，防止熔覆层因为薄板基材发生变形而脱落。所制备出的薄板零件有着更好的力学性能，且显著降低生产成本，实现高效短周期加工。

Description

一种金属薄板高效激光熔覆装置与方法

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，尤其涉及一种针对金属薄板高效激光熔覆装置与方法。

背景技术

传统的表面改性技术有离子注入、等离子氮化、化学物理气相沉积等方法，由于加工制得的涂层薄或与基材结合力弱等缺点，这些方法难以满足在高接触应力条件下的使用要求。激光熔覆技术具有稀释率低、熔覆层与基材完全物理冶金结合、变形量小而且涂层厚度可在几十微米至几毫米之间变化等优点，因而得到了广泛研究和应用。利用激光熔覆技术，在钢基体表面制备高性能的Fe基合金涂层，已成为近年来国内外学者研究的热点之一。

目前，国内外关于激光熔覆技术的研究主要采用粉末材料，对送丝式的研究较少。粉末的不足在于材料利用率低，粉末颗粒对环境和操作者有危害。而送丝式激光增材制造不仅材料利用率很高，没有粉尘污染，而且更加具有经济性。

对于金属薄板材料，如果受热不均，很容易产生变形、翘曲，致使涂层从基材表面脱落，影响其使用性能。在金属薄板表面激光熔覆涂层时，由于存在温度梯度过大，会发生变形。且对于激光熔覆技术，整个涂层都是通过逐点扫描堆积成形的，因此，其制造周期相对较长、成本较高。为此需提高其加工效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对受热易变形金属薄板高效激光熔覆的装置与方法，用来提高其生产效率且消除因受热不均而产生的变形。

为实现上述发明目的，本发明所采用的的技术方案为：一种金属薄板高效激光熔覆装置，包括三维移动平台，所述三维移动平台上固定安装有金属薄板，所述金属薄板的上方设有第一送丝装置，所述金属薄板的下方设有第二送丝装置，所述金属薄板的上、下两侧均设置有激光加工光束。

上述方案中，所述金属薄板的上、下两侧的激光加工光束由同一个激光发生系统发出，所述激光发生系统包括激光发生器，所述激光发生器发出的激光通过扩束镜后一路通过分光镜反射给第一聚焦透镜后聚焦到所述第一送丝装置发出的金属丝上；另外一路通过分光镜折射后依次通过第一全反镜、第二全反镜和第三全反镜后通过第二聚焦透镜聚焦到所述第二送丝装置发出的金属丝上。

上述方案中，所述激光发生器、所述三维移动平台均通过数据线与PLC控制系统相连。

本发明还提供了一种金属薄板高效激光熔覆的方法，包含以下步骤：A、将金属薄板两侧打磨、清洗和吹干，并对其进行预热后装夹在三维移动平台上；B、根据预先设定的工艺参数，在金属薄板表面进行激光熔覆加工；第一送丝装置和第二送丝装置同时打开，三维移动平台沿Y轴移动，使其在Y向进行熔覆加工；C、当沿Y轴进行一次熔覆完成后，三维移动平台沿X轴移动一个光斑半径距离，再重复步骤B，直至熔覆层加工结束；D、熔覆完成之后,采用精细打磨砂纸对金属薄板表面进行轻微打磨处理,降低材料表面粗糙度。

上述方案中，所述激光发生器的激光功率为600-2000W，光斑直径为0.2-0.6mm,整个过程在氩气氛围中进行，同轴保护气压力速率为5L/min；激光搭接率为50%。

本发明的有益效果:本发明通过导光分光系统将平行激光束分为上下两束，同时加工，产生热量均衡，可消除其因受热不均而产生的变形，保证薄板上下表面热分布均匀，消除因温度梯度过大而产生的热变形。在满足涂层构件性能的同时，大幅提高其生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明装置的结构原理图。

图2为本发明所制备的金属薄板涂层简图。

图3为本发明激光扫描路径示意图。

图中：1.数据线，2.PLC控制系统，3.激光发生器，4.扩束镜，5.分光镜，6.第一聚焦透镜，7.第一送丝装置，8.第一涂层，9.金属薄板，10.第一全反镜，11.第二全反镜，12.第二涂层，13.第二送丝装置，14.第二聚焦透镜，15.第三全反镜，16.三维移动平台。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例中涉及的一种针对受热易变形金属薄板高效激光熔覆的装置如图1所示，包括数据线1，PLC控制系统2，激光发生器3，扩束镜4，分光镜5，第一聚焦透镜6，第一送丝装置7，金属薄板9，第一全反镜10，第二全反镜11，第二送丝装置13，第二聚焦透镜14，第三全反镜15和三维移动平台16。平行激光通过导光分光系统和全反镜分成上下两束同时加工。所述金属薄板固定在三维移动平台上，所述三维移动平台可以通过PLC控制系统来控制其位移方向和速度。为防止材料被氧化，整个过程在氩气氛围中进行。在薄板两侧同时进行激光熔覆加工。所述激光发生器和三维移动平台均与PLC控制系统连接。激光功率为600-2000W，光斑直径为0.2-0.6mm, 整个过程在氩气氛围中进行，同轴保护气压力速率为5L/min；激光搭接率为50%。

本实施例提供的一种针对受热易变形金属薄板高效激光熔覆的方法，包含以下步骤：将金属薄板两侧打磨、清洗和吹干，并对其进行预热。将其装夹在三维移动平台上。根据预先设定的工艺参数，在金属薄板表面进行激光熔覆加工；第一送丝装置7和第二送丝装置13同时打开，如图3所示，三维移动平台先沿Y轴移动，进行熔覆。当沿Y轴1次熔覆完成后，三维移动平台沿X轴向右移动一个光斑半径距离，再重复进行加工，直至熔覆层加工结束，此时金属薄板在Y向的上表面形成第一涂层8，下表面形成第二涂层12，如图2所示。熔覆完成之后,采用精细打磨砂纸对金属薄板的上下表面进行轻微打磨处理,降低材料表面粗糙度。

Claims (5)

1.一种金属薄板高效激光熔覆装置，包括三维移动平台（16），其特征在于，所述三维移动平台（16）上固定安装有金属薄板（9），所述金属薄板（9）的上方设有第一送丝装置（7），所述金属薄板（9）的下方设有第二送丝装置（13），所述金属薄板（9）的上、下两侧均设置有激光加工光束。

2.根据权利要求1所述的一种金属薄板高效激光熔覆装置，其特征在于，所述金属薄板（9）的上、下两侧的激光加工光束由同一个激光发生系统发出，所述激光发生系统包括激光发生器（3），所述激光发生器（3）发出的激光通过扩束镜（4）后一路通过分光镜（5）反射给第一聚焦透镜（6），并聚焦到所述第一送丝装置7发出的金属丝上；另外一路通过分光镜（5）折射后依次通过第一全反镜（10）、第二全反镜（11）和第三全反镜（15）后通过第二聚焦透镜（14）聚焦到所述第二送丝装置（13）发出的金属丝上。

3.根据权利要求2所述的一种金属薄板高效激光熔覆装置，其特征在于，所述激光发生器（3）、所述三维移动平台（16）均通过数据线（1）与PLC控制系统（2）相连。

4.一种金属薄板高效激光熔覆的方法，包含以下步骤：

A、将金属薄板两侧打磨、清洗和吹干，并对其进行预热后装夹在三维移动平台上；

B、根据预先设定的工艺参数，在金属薄板表面进行激光熔覆加工；第一送丝装置（7）和第二送丝装置（13）同时打开，三维移动平台沿Y轴移动，使其在Y向进行熔覆加工；

C、当沿Y轴进行一次熔覆完成后，三维移动平台沿X轴移动一个光斑半径距离，再重复步骤B，直至熔覆层加工结束；

D、熔覆完成之后,采用精细打磨砂纸对金属薄板表面进行轻微打磨处理,降低材料表面粗糙度。

5.根据权利要求4所述的一种金属薄板高效激光熔覆的方法，其特征在于：所述激光发生器（3）的激光功率为600-2000W，光斑直径为0.2-0.6mm, 整个过程在氩气氛围中进行，同轴保护气压力速率为5L/min；激光搭接率为50%。