CN108950545B - 一种旋转光束超高速激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种旋转光束超高速激光熔覆方法，涉及一种高效激光熔覆方法，其目的是为了解决目前激光熔覆方法熔覆速度低、效率低的技术问题。在进行激光熔覆时采用光学元件形成按设定路径高速旋转的光束，在熔覆的工件上做匀速圆周或椭圆周运动，光束在高速旋转过程中，会在空间形成一个具有近似均匀的能量密度分布的大尺寸光斑，使得更多的粉末在此区较域内受到激光辐照加热以至熔化，以液态或半固态形式落入熔池后经过冷却形成熔覆层。本发明的方法较常规激光熔覆方法相比可以大大提高送粉率，使得熔覆效率提高3‑5倍。另外在工件上形成较大的熔池，进一步提高了粉末利用率。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别涉及一种旋转光束超高速激光熔覆方法。
背景技术
激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的功能涂层，以提高基体材料的耐磨性，耐腐蚀性等。
很多轴类零件，如液压支架、轧辊、海洋平台立柱等，对外表面或内表面均有耐磨性或耐蚀性等要求，是表面处理行业中的一个主要应用领域。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆、电镀以及热喷涂等几种方式。其中，激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，该工艺无废液或其他有害物质产生，可以大幅降低对环境的污染。
目前的激光熔覆技术中，熔覆速度通常小于1m/min，熔覆层的厚度在0.5-2mm之间。对于多数的耐磨及耐腐蚀要求而言，其厚度值均高于设计指标数倍，致使熔覆后还要进行磨削，并且熔覆后磨削量很大，这就导致粉末用量大，利用率低。同时由于熔覆速度较慢，熔覆效率低，其熔覆单位面积的价格成本及时间成本均高于电镀及热喷涂。因此，提高熔覆速度及熔覆效率，同时使熔覆层厚度处于合理的区间内，减少不必要的浪费，降低熔覆成本，是激光熔覆技术进一步发展的关键因素。
如图2所示，为传统的激光熔覆工作示意图，其激光不能旋转，直接在粉末聚焦点交汇，形成的熔池面积小，并且其激光能量密度不均匀，中间密度大，边缘密度小。
因此本发明提出一种旋转光束超高速激光熔覆方法及装置，采用送粉的方式，粉末的聚焦点在工件上方，不仅熔覆层均匀，并且熔覆效率高，熔覆层厚度低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种旋转光束超高速激光熔覆方法，不仅熔覆层均匀，并且熔覆效率高，熔覆层厚度低。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：调节激光熔覆喷嘴的角度，将由激光熔覆喷嘴喷出的粉末的聚焦点位于待熔覆的工件的上方，所述聚焦点距离工件表面0-5mm；
步骤S2：调节光路系统，启动X方向振镜电机和Y方向振镜电机，X方向振镜电机和Y方向振镜电机分别驱动X方向振镜和Y方向振镜振动，调整X方向振镜电机和Y方向振镜电机的旋转角度，使X方向振镜和Y方向振镜的振动偏转方向互相垂直，以使激光光束经由X方向振镜和Y方向振镜后形成旋转光束，并形成光斑；
步骤S3：调整工件的旋转线速度，以使工件的旋转线速度设置在25～200m/min范围内；
步骤S4：开启激光发射器和送粉器，激光发射器发射激光束，送粉器经过激光熔覆喷嘴喷射粉末流，激光光束经由X方向振镜和Y方向振镜后形成旋转光束，并经聚焦镜聚焦后与粉末流在物理空间形成交汇区域；
步骤S5：粉末流在交汇区域内受到均匀的激光能量辐照加热，以液态或半固态落入熔池，后经冷却形成熔覆层；
步骤S6：移动激光器和送粉器或移动工件以对整个工件进行熔覆。
进一步，所述工件为轴对称零件。
进一步，所述旋转光束在待熔覆工件上做匀速圆周运动或匀速椭圆周运动，以形成圆形或椭圆形光斑。
进一步，所述旋转光束做匀速圆周运动时，X方向振镜和Y方向振镜的振幅相同，圆形光斑的半径大小0.5mm～3mm。
进一步，所述旋转光束做匀速椭圆周运动时，X方向振镜和Y方向振镜的振幅不同，椭圆形光斑的长轴半径和短轴半径大小均为0.5mm～3mm。
进一步，所述旋转光束在旋转时也做平移运动，以对工件整个表面进行熔覆，其中旋转光束沿椭圆形光斑的长轴进行移动。
进一步，所述粉末的聚焦点距离工件表面3mm。
进一步，所述工件的旋转线速度为100m/min。
进一步，所述喷嘴采用连续式同轴环形送粉喷嘴。
一种实现旋转光束超高速激光熔覆方法的装置，其特征在于，包括：X方向振镜、Y方向振镜、X方向振镜电机、Y方向振镜电机、激光发射器、送粉器、喷嘴、聚焦镜、工件、工件置台、控制器，所述工件放置于所述工件置台上，所述工件置台为旋转置台，所述聚焦镜固定安装在所述工件的正上方，所述喷嘴与所述送粉器连接，所述喷嘴位于所述工件的上方两侧呈V角设置，所述聚焦镜位于两侧喷嘴的中轴线的上方，所述X方向振镜和X方向振镜电机连接，所述Y方向振镜和Y方向振镜电机连接，所述X方向振镜和Y方向振镜呈一定角度设置，以使激光发射器发射的激光束经过X方向振镜后反射到Y方向振镜上，再反射至聚焦镜上。
本发明的优点在于：
1、本发明通过使用双振镜光路系统，使光束快速旋转，从而在空间形成近似均匀的能量密度分布的光柱，可以使更多的粉末在飞行空间直接进入激光辐照区，受到激光加热而熔化，以液态或半固态的形式落入熔池，然后经过冷却形成熔覆层，与常规激光熔覆技术相比，本发明的旋转光束超高速激光熔覆方法熔覆效率可提高3-5倍，熔覆层稀释率在5％以下，熔覆层厚度低至25-250μm，大大降低了后续的加工量与粉末用量；并且，其熔覆层通过高速旋转光束形成较大热作用区域，可以使粉末受到大面积均匀辐照，保证更多粉末在空间实现熔化，并形成较大的熔池，提高了粉末利用率与熔覆效率，同时也降低了熔覆喷嘴的粉末汇聚精度要求；
2、本发明是将粉末喷洒在工件表面，并在工件上方设置喷嘴，调整喷嘴的角度，使粉末的聚焦点在工件上方，这样就能与激光束形成一个交汇区域，在交汇区域内首先被熔化后形成液态或半固态后在落入工件表面，这样形成的熔覆层的稀释率在5％以下，其厚度大大降低，低至25-250μm，，大大降低了后续的加工量与粉末用量，节约了成本。
3、本发明是在普通的激光熔覆基础上的一个二次进阶，比高速激光熔覆还要快，是超高速，该激光束是边旋转边移动对工件进行激光熔覆，进而大大提高了熔覆效率，可提高3-5倍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的激光束的光路系统的结构示意图；
图2为现有的激光熔覆工作示意图；
图3为本发明的旋转光束超高速激光熔覆的工作示意图。
其中：1、激光发射器；2、激光光束；3、X方向振镜电机；4、X方向振镜；5、Y方向振镜电机；6、Y方向振镜；7、聚焦镜；8、光斑；9、喷嘴；10、粉末；11、聚焦点；12、能量密度曲线分布；13、熔池。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1和图3所示，本发明的一个实施例提出一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：调节激光熔覆喷嘴9的角度，将由激光熔覆喷嘴9喷出的粉末10的聚焦点11位于待熔覆的工件的上方，所述聚焦点11距离工件表面0-5mm；传统的熔覆工艺是直接将粉铺在工件表面，然后再用激光辐照，本发明是将粉末10喷洒在工件表面，并在工件上方设置喷嘴9，调整喷嘴9的角度，使粉末10的聚焦点11在工件上方，这样就能与激光束形成一个交汇区域，在交汇区域内首先被熔化后形成液态或半固态后在落入工件表面，这样形成的熔覆层的稀释率在5％以下，其厚度大大降低，低至25-250μm，大大降低了后续的加工量与粉末10用量，节约了成本。
步骤S2：调节光路系统，启动X方向振镜电机3和Y方向振镜电机5，X方向振镜电机3和Y方向振镜电机5分别驱动X方向振镜4和Y方向振镜6振动，调整X方向振镜电机3和Y方向振镜电机5的旋转角度，使X方向振镜4和Y方向振镜6的振动偏转方向互相垂直，以使激光光束2经由X方向振镜4和Y方向振镜6后形成旋转光束，并形成光斑8；
步骤S3：调整工件的旋转线速度，以使工件的旋转线速度设置在25～200m/min范围内；
步骤S4：开启激光发射器1和送粉器(图中未示出)，激光发射器1发射激光束，送粉器经过激光熔覆喷嘴9喷射粉末流，激光光束2经由X方向振镜4和Y方向振镜6后形成旋转光束，并经聚焦镜7聚焦后与粉末流在物理空间形成交汇区域；
步骤S5：粉末流在交汇区域内受到均匀的激光能量辐照加热，以液态或半固态落入熔池13，后经冷却形成熔覆层；
步骤S6：移动激光器和送粉器或移动工件以对整个工件进行熔覆。
进一步，所述工件为轴对称零件。
进一步，所述旋转光束在待熔覆工件上做匀速圆周运动或匀速椭圆周运动，以形成圆形或椭圆形光斑8。
进一步，所述旋转光束做匀速圆周运动时，X方向振镜4和Y方向振镜6的振幅相同，圆形光斑8的半径大小0.5mm～3mm。
进一步，所述旋转光束做匀速椭圆周运动时，X方向振镜4和Y方向振镜6的振幅不同，椭圆形光斑8的长轴半径和短轴半径大小均为0.5mm～3mm。如X方向振镜4的振幅为0.3度，Y方向振镜6的振幅为0.5度，那么就会形成一个长轴为半径与短轴半径比为5：3的一个椭圆形光斑8。
进一步，所述旋转光束在旋转时也做平移运动，以对工件整个表面进行熔覆，其中旋转光束沿椭圆形光斑8的长轴进行移动。
进一步，所述粉末10的聚焦点11距离工件表面3mm。
进一步，所述工件的旋转线速度为100m/min。
进一步，所述喷嘴9采用连续式同轴环形送粉喷嘴9。
本发明的另一个实施例提出一种实现旋转光束超高速激光熔覆方法的装置，其特征在于，包括：X方向振镜4、Y方向振镜6、X方向振镜4电机3、Y方向振镜6电机5、激光发射器1、送粉器、喷嘴9、聚焦镜7、工件、工件置台、控制器，所述工件放置于所述工件置台上，所述工件置台为旋转置台，所述聚焦镜7固定安装在所述工件的正上方，所述喷嘴9与所述送粉器连接，所述喷嘴9位于所述工件的上方两侧呈V角设置，所述聚焦镜7位于两侧喷嘴9的中轴线的上方，所述X方向振镜4和X方向振镜电机3连接，所述Y方向振镜6和Y方向振镜电机5连接，所述X方向振镜4和Y方向振镜6呈一定角度设置，以使激光发射器1发射的激光束经过X方向振镜4后反射到Y方向振镜6上，再反射至聚焦镜7上。
其中，X方向振镜4电机3和Y方向振镜6电机5分别和控制器连接，由控制器控制两个电机带动X方向振镜4和Y方向振镜6进行协调运动，激光光束2在振镜的作用下旋转，形成旋转光束，其中，控制器控制两个电机采用的均是现有技术，由激光振镜原理可知，“激光振镜由X-Y光学扫描头,电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头,从而在X-Y平面控制激光束的偏转。其工作原理是将激光束入射到两振镜上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点11在工件上按所需的要求运动，从而在工件表面上留下永久的标记。”本发明对于电机控制X方向振镜4和Y方向振镜6实现偏转的原理与激光振镜的原理相同，因此不再赘述。
工作方式：本发明通过使用双振镜光路系统，使光束快速旋转，从而在空间形成近似均匀的能量密度分布的光柱，可以使更多的粉末在飞行空间直接进入激光辐照区，受到激光加热而熔化，以液态或半固态的形式落入熔池，然后经过冷却形成熔覆层，与常规激光熔覆技术相比，本发明的旋转光束超高速激光熔覆方法熔覆效率可提高3-5倍，熔覆层稀释率在5％以下，熔覆层厚度低至25-250μm，大大降低了后续的加工量与粉末用量；并且，其熔覆层通过高速旋转光束形成较大热作用区域，可以使粉末受到大面积均匀辐照，保证更多粉末在空间实现熔化，并形成较大的熔池，提高了粉末利用率与熔覆效率，同时也降低了熔覆喷嘴的粉末汇聚精度要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：调节激光熔覆喷嘴的角度，将由激光熔覆喷嘴喷出的粉末的聚焦点位于待熔覆的工件的上方，所述聚焦点距离工件表面0-5mm，所述工件为轴对称零件；
步骤S2：调节光路系统，启动X方向振镜电机和Y方向振镜电机，X方向振镜电机和Y方向振镜电机分别驱动X方向振镜和Y方向振镜振动，调整X方向振镜电机和Y方向振镜电机的旋转角度，使X方向振镜和Y方向振镜的振动偏转方向互相垂直，以使激光光束经由X方向振镜和Y方向振镜后形成旋转光束，并形成光斑，所述旋转光束在待熔覆工件上做匀速圆周运动或匀速椭圆周运动，以形成圆形或椭圆形光斑；
步骤S3：调整工件的旋转线速度，以使工件的旋转线速度设置在25～200m/min范围内；
步骤S4：开启激光发射器和送粉器，激光发射器发射激光束，送粉器经过激光熔覆喷嘴喷射粉末流，激光光束经由X方向振镜和Y方向振镜后形成旋转光束，并经聚焦镜聚焦后与粉末流在物理空间形成交汇区域；
步骤S5：粉末流在交汇区域内受到均匀的激光能量辐照加热，以液态或半固态落入熔池，后经冷却形成熔覆层；
步骤S6：移动激光器和送粉器或移动工件以对整个工件进行熔覆。
2.根据权利要求1所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述旋转光束做匀速圆周运动时，X方向振镜和Y方向振镜的振幅相同，圆形光斑的半径大小0.5mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述旋转光束做匀速椭圆周运动时，X方向振镜和Y方向振镜的振幅不同，椭圆形光斑的长轴半径和短轴半径大小均为0.5mm～3mm。
4.根据权利要求3所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述旋转光束在旋转时也做平移运动，以对工件整个表面进行熔覆，其中旋转光束沿椭圆形光斑的长轴进行移动。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述粉末的聚焦点距离工件表面3mm。
6.根据权利要求2-4任一所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述工件的旋转线速度为100m/min。
7.根据权利要求2-4任一所述的一种旋转光束超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述喷嘴采用连续式同轴环形送粉喷嘴。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rotating light beam ultra-high speed laser cladding method and device Effective date of registration: 20200508 Granted publication date: 20190927 Pledgee: Tianjin Zhongguancun Science and Technology Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2020980002078 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20210630 Granted publication date: 20190927 Pledgee: Tianjin Zhongguancun Science and Technology Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2020980002078 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Rotating Beam Ultra High Speed Laser Cladding Method Effective date of registration: 20230324 Granted publication date: 20190927 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Tianjin New Technology Industrial Park Branch Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2023120000010 |