CN111058030A - 一种含分束镜的可预热回火的激光熔覆头及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，属于激光加工设备领域。含分束镜的可预热回火的激光熔覆头的壳体顶端设有光纤，壳体的底端设有喷嘴；所述的光路系统位于壳体及喷嘴内；高能激光通过光纤向壳体内射入激光束，该激光束通过光路系统折射成预热回火激光束与加工激光束；所述的喷嘴中心设有送粉通道；预热回火激光束、加工激光束及送粉通道的出粉点汇聚成一点。本发明提供的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，预热回火激光束可在熔覆头前进方向上对待加工点进预热，在熔覆头后退方向上对已形成的熔覆层表面进行去应力回火，从而大大降低熔覆层因单激光束快速加热和快速冷却导致的残余应力、裂纹敏感，组织不均的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种含分束镜的可预热回火的激光熔覆头及加工方法，属于激光加工设备领域。
背景技术
激光熔覆可以在金属基材上制备出高性能的合金表面，在节约贵重稀有金属的同时降低成本，因此世界上各工业先进的国家对激光熔覆技术的研究及应用都十分重视。
由于激光束直接辐照在材料表面使其迅速熔化形成熔池,当激光束发生移动时，原先的熔池由于激光束的离开而失去能量输入，熔池快速凝固并与材料表面形成冶金结合。材料表面的快速加热和快速冷却的造成过大的温度梯度,容易导致熔覆层中存在较大的残余应力,具有较高的开裂敏感性，较差的组织均匀性。这些因素极大地限制了是激光熔覆在工业中的应用。因此在激光熔覆过程中，降低材料表面因快速加热和快速冷却而导致过大的温度梯度，具有十分重要的意义。
在现有专利201720388183.8公开文献中提出了多角度可预热回火式激光熔覆头，该熔覆头能够安装在工业机器人轴上,或安装在改造的数控机床的主轴上,能够多方位对基材进行预热,对熔覆层进行回火,大大地减小了温度梯度,有效降低因单激光束快热快冷所造成的残余应力、裂纹敏感、组织不均的影响。但是该装置无法灵活改变预热光束和回火光束的功率，并且光斑能量分布单一；此外当熔覆头运动的时候，其只能在特定方向上能对待工件表面进行预热回火。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种含分束镜的可预热回火的激光熔覆头。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，包括光纤，壳体，喷嘴，光路系统；所述的壳体顶端设有光纤，壳体的底端设有喷嘴；所述的光路系统位于壳体及喷嘴内；高能激光通过光纤向壳体内射入激光束，该激光束通过光路系统折射成预热回火激光束与加工激光束；所述的喷嘴中心设有送粉通道；预热回火激光束、加工激光束及送粉通道的出粉点汇聚成一点。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，所述的光路系统包括准直镜、分束镜、全反射镜、加工聚焦镜、若干个预热回火聚焦镜；
所述的喷嘴内还设有加工激光通道，预热回火激光通道；所述的加工激光通道与预热回火激光通道分别位于送粉通道的两侧，加工激光通道与预热回火激光通道的底端向送粉通道的底端靠拢，加工激光通道与预热回火激光通道成V形设置；
所述的加工激光通道的上方设有准直镜及分束镜；加工激光通道内设有聚焦镜安装槽一，聚焦镜安装槽一内设有加工聚焦镜；准直镜、分束镜及加工聚焦镜的中心轴向与加工激光通道的中心轴线保持一致；
所述的预热回火激光通道的上方设有全反射镜，预热回火激光通道内设有若干个聚焦镜安装槽二，聚焦镜安装槽二内分别设有预热回火聚焦镜；
所述的分束镜的面向准直镜的一端面向全反射镜倾斜；全反射镜面向预热回火激光通道向全反射镜端面倾斜。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，高能激光由光纤形成入射激光束射入准直镜中，准直镜射出的光路为平行激光束，平行激光束经过分束镜形成加工激光束，加工激光束射入加工激光通道；
部分平行激光束经过分束镜发生分束形成分束反射激光束，分束反射激光束由全反射镜反射形成预热回火激光束；预热回火激光束射入预热回火激光通道。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，所述平行激光束与分束镜之间的夹角为α，该夹角α为锐角；所述全反射镜与分束反射激光束之间的夹角为β，该夹角β为锐角；
所述若干个预热回火聚焦镜由一个聚焦镜或者两个及两个以上不同类型的聚焦镜同轴设置组成；预热回火激光束与加工激光束的加工聚焦点为同一聚焦点。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，所述的加工激光束作用在工件表面为小光斑，预热回火激光束作用在加工件表面为大光斑，预热回火激光束通过预热回火聚焦镜控制光斑的形状与尺寸。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，所述的送粉通道的截面成锥形。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，所述的加工激光束的功率大于分束反射激光束的功率。
本发明所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头的加工方法，将激光熔覆头与加工工件置于加工位，启动激光熔覆头；
在激光熔覆头前进方向上，利用低功率的预热回火激光束24以大光斑先对工件表面待加工点进行预热；
利用高功率的加工激光束22对已预热的工件表面正式进行加工；
在熔覆头后退方向上，低功率的预热回火激光束24对刚刚形成的熔覆层进行去应力回火；加工完成。
有益效果
本发明提供的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其内部设置有光路系统，光路系统由多个不同镜片组成，光路系统为激光熔覆头提供预热回火激光束和加工激光束，加工激光束用于对工件表面正式加工，预热回火激光束可在熔覆头前进方向上对待加工点进预热，在熔覆头后退方向上对已形成的熔覆层表面进行去应力回火，从而大大降低熔覆层因单激光束快速加热和快速冷却导致的残余应力、裂纹敏感，组织不均的影响。
本发明提供的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其喷嘴内部设置有预热回火激光通道，聚焦镜安装槽内部可设置多个不同类型的聚焦镜；通过在预热回火激光通道上设置有多个不同类型的聚焦镜可改变经聚焦镜折射后预热回火激光束的形状和尺寸，进而改变加工点的预热温度和已形成熔覆层的回火温度。
附图说明
图1 是本发明的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头的整体结构示意图；
图2 是本发明的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头光路示意图。
图中1是光纤；2是入射激光束；3是准直镜；4是分束镜；5是喷嘴；6是金属粉末；7是全反射镜；8是壳体；21是平行激光束；22是加工激光束；23是分束反射激光束；24是预热回火激光束；51是加工聚焦镜；52是聚焦镜安装槽一；53是加工激光通道；54是送粉通道；55是预热回火激光通道；56是聚焦镜安装槽二；57是预热回火聚焦镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
如图1所示：本发明的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头；其主要包括光纤1、光路系统、壳体8和喷嘴5。以壳体8为主体，光纤1设置于壳体8的上部，光纤1用于传输高能激光；高能激光通过所述光纤1进入所述壳体内部8；喷嘴5设置于壳体8下部，光路系统设置于壳体8的内部。
喷嘴5上设置有加工激光通道53、预热回火激光通道55、聚焦镜安装槽一52、聚焦镜安装槽二53和一个送粉通道54；加工激光通道53设置于加工激光束22的光路上，预热回火激光通道55设置于预热回火激光束24的光路上；在加工激光通道53和所述预热回火激光通道55之间设置有一锥形的送粉通道54。
本本发明的光路系统为激光熔覆头提供预热回火激光束24和加工激光束22，预热回火激光束24对工件表面待加工点进行预热，对已加工熔覆层进行回火，加工激光束22用于对工件表面正式加工；喷嘴5上设置有两个激光通道53、预热回火激光通道55、聚焦镜安装槽一52、多个聚焦镜安装槽二56和一个送粉通道54，金属粉末6通过送粉通道54汇聚于激光熔覆头外的一点。
加工激光通道53内设置有聚焦镜安装槽一52，加工聚焦镜51设置于聚焦镜安装槽一52内；预热回火激光通道55上设置有至少两个聚焦镜安装槽二56，预热回火聚焦镜57同轴设置于所述聚焦镜安装槽二52内。金属粉末6通过送粉通道54，从喷嘴5底部喷出。加工激光束22和预热回火激光束24穿过加工激光通道53和所述预热回火激光通道55与金属粉末6共同作用于工件表面的同一点。
发明的光路系统由多个不同镜片组成，光路系统包括准直镜3、分束镜4、全反射镜7、加工聚焦镜51、多个预热回火聚焦镜57。高能激光进入激光熔覆头后形成入射激光束2，入射激光束2的光路上设置有一个准直镜3，入射激光束2经准直镜3折射后形成平行激光束21；在平行激光束21的光路上设置有一个分束镜4，入射平行光束21通过分束镜4折射，大部分的激光发生透射继续沿直线传播，小部分的激光发生镜面反射，经过分束镜4反射的激光束为分束反射激光束23，经分束镜发生透射的光束为加工激光束22，加工激光束22的功率大于分束反射激光束的功率23；在所述加工激光束22的光路上设置有一加工聚焦镜51，所述加工激光束22通过所述加工聚焦镜51产生聚焦并作用于工件表面；在所述分束反射激光束23的光路上设置有一全反射镜7，所述分束反射激光束23经全反射镜7反射后形成预热回火激光束24；在所述预热回火激光束24的光路上设置有多个预热回火聚焦镜57，所述预热回火激光束24通过所述预热回火聚焦镜57发生聚焦并作用于工件表面。
本发明采用的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头的加工方法，加工激光束22作用在工件表面为小光斑，预热回火激光束24作用在加工件表面为大光斑；通过在预热回火激光束24光路上设置多个不同类型的预热回火聚焦镜57，可以改变预热回火激光束55作用在工件表面上光斑的形状和尺寸。
正式加工时在激光熔覆头前进方向上，所述低功率的预热回火激光束24以大光斑先对工件表面待加工点进行预热；所述高功率的加工激光束22对已预热的工件表面正式进行加工；在熔覆头后退方向上，所述低功率的预热回火激光束24对刚刚形成的熔覆层进行去应力回火。
如图2所示，平行激光束21与所述分束镜4之间的夹角为α，所述夹角α为锐角；所述全反射镜7与所述分束反射激光束23之间的夹角为β，所述β为锐角；所述预热回火聚焦镜57可由一个聚焦镜或者两个及两个以上不同类型的聚焦镜同轴设置组成;所述预热回火激光束24与所述加工激光束22共同作用于工件表面上的同一点。
实施例2：
入射激光束的功率为2kW的高斯激光,分束镜的透射和反射比为80/20，加工激光束经加工聚焦镜聚焦到工件表面的光斑直径为2mm,预热回火激光束经预热回火聚焦镜聚焦到工表面的光斑直径为6mm；熔覆头沿直线运动速度为600mm/min,送粉速率为10g/min；则所述加工激光束的功率为1600W,预热回火激光束的功率为400W,在激光熔覆头前进方向上预热回火激光束先对工件表面预热，0.2s后加工激光束对已预热表面正式加工，在激光熔覆头后退方向上预热回火激光束对已经加工的熔覆层进行回火。
实施例3：
入射激光束的功率为2kW高斯激光,分束镜的透射和反射比为80/20，加工激光束经加工聚焦镜聚焦到工件表面的光斑直径为2mm,在聚焦镜安装槽二内设置一个回火聚焦镜和一个平顶光束整形器，平顶光束整形器可将能量分布为高斯分布的激光束转换成平顶分布的激光束；预热回火激光束经预热回火聚焦镜聚焦到工表面的光斑直径为6mm；熔覆头沿直线运动速度为600mm/min,送粉速率为10g/min；则所述加工激光束的功率为1600W,预热回火激光束的功率为400W；则所述激光熔覆头的加工激光束为高斯激光束，预热回火激光束为平顶激光束。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：包括光纤，壳体，喷嘴，光路系统；所述的壳体顶端设有光纤，壳体的底端设有喷嘴；所述的光路系统位于壳体及喷嘴内；高能激光通过光纤向壳体内射入激光束，该激光束通过光路系统折射成预热回火激光束与加工激光束；所述的喷嘴中心设有送粉通道；预热回火激光束、加工激光束及送粉通道的出粉点汇聚成一点。
2.根据权利要求1所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述的光路系统包括准直镜、分束镜、全反射镜、加工聚焦镜、若干个预热回火聚焦镜；
所述的喷嘴内还设有加工激光通道，预热回火激光通道；所述的加工激光通道与预热回火激光通道分别位于送粉通道的两侧，加工激光通道与预热回火激光通道的底端向送粉通道的底端靠拢，加工激光通道与预热回火激光通道成V形设置；
所述的加工激光通道的上方设有准直镜及分束镜；加工激光通道内设有聚焦镜安装槽一，聚焦镜安装槽一内设有加工聚焦镜；准直镜、分束镜及加工聚焦镜的中心轴向与加工激光通道的中心轴线保持一致；
所述的预热回火激光通道的上方设有全反射镜，预热回火激光通道内设有若干个聚焦镜安装槽二，聚焦镜安装槽二内分别设有预热回火聚焦镜；
所述的分束镜的面向准直镜的一端面向全反射镜倾斜；全反射镜面向预热回火激光通道向全反射镜端面倾斜。
3.根据权利要求2所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：高能激光由光纤形成入射激光束射入准直镜中，准直镜射出的光路为平行激光束，平行激光束经过分束镜形成加工激光束，加工激光束射入加工激光通道；
部分平行激光束经过分束镜发生分束形成分束反射激光束，分束反射激光束由全反射镜反射形成预热回火激光束；预热回火激光束射入预热回火激光通道。
4.根据权利要求2或3所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述平行激光束与分束镜之间的夹角为α，该夹角α为锐角；所述全反射镜与分束反射激光束之间的夹角为β，该夹角β为锐角；
所述若干个预热回火聚焦镜由一个聚焦镜或者两个及两个以上不同类型的聚焦镜同轴设置组成；预热回火激光束与加工激光束的加工聚焦点为同一聚焦点。
5.根据权利要求2或3所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述的加工激光束作用在工件表面为小光斑，预热回火激光束作用在加工件表面为大光斑，预热回火激光束通过预热回火聚焦镜控制光斑的形状与尺寸。
6.根据权利要求1所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述的送粉通道的截面成锥形。
7.根据权利要求3所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述的加工激光束的功率大于分束反射激光束的功率。
8.利用权利要求1至7所述的含分束镜的可预热回火的激光熔覆头的加工方法，其特征在于：将激光熔覆头与加工工件置于加工位，启动激光熔覆头；
在激光熔覆头前进方向上，利用低功率的预热回火激光束以大光斑先对工件表面待加工点进行预热；
利用高功率的加工激光束对已预热的工件表面正式进行加工；
在熔覆头后退方向上，低功率的预热回火激光束对刚刚形成的熔覆层进行去应力回火；加工完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200424 |