CN111455377B - 一种激光熔覆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆装置及方法，该激光熔覆装置包括外壳、第一激光源、第二激光源、输出头、扩束器、反射镜和保护镜；在输出头的侧面还设置有送粉头，且送粉头的底端开口与输出头的底端开口相通；第一激光源和第二激光源输出的两束光束依次经扩束器、反射镜及保护镜输出到输出头的底端开口处，并在由送粉头输送至输出头的底端开口处的金属合金粉末上形成靶面叠加，构成混合型双激光束；由送粉头输送至输出头的底端开口处的金属合金粉末，在经过混合型双激光束加热后，被熔融在金属基体的上，形成金属合金熔覆层。本发明提供的双激光激光熔覆装置及方法，能够实现激光熔覆效率提升，使粉末利用率提升至90％以上。

Description

一种激光熔覆装置及方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆装置及方法。

背景技术

在激光熔覆过程中，常用的高斯型光束的负焦区能量密度分布比正焦区稍微均匀一些，但是光斑中央区域能量密度偏大，使基体熔化较多，稀释率较大，覆层硬度有所降低；光斑边缘区域激光能量密度小，同时又考虑粉末对光束的遮挡，基体熔化量很小，稀释率低，边缘处结合质量无法保证，同时存在未熔颗粒，粉末利用率偏低(70％～80％)，影响多道搭接质量与涂层性能。常用半导体激光器的平顶光束非常适合激光熔覆技术，但是目前国内的半导体激光器发展比较缓慢，激光亮度偏低，激光光束穿透力不够，并且一般不抗高反，因此不太适合高速激光熔覆或超高速激光熔覆技术。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种适合于高速激光熔覆或超高速激光熔覆的高效率激光熔覆装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种激光熔覆装置，包括外壳、设置于外壳一端的第一激光源和第二激光源、设置于外壳另一端的输出头以及设置于外壳内的扩束器、反射镜和保护镜；在所述输出头的侧面还设置有送粉头，且所述送粉头的底端开口与所述输出头的底端开口相通；

其中，所述第一激光源用于输出高斯型光束或超高斯型光束，所述第二激光源用于输出M型光束或环形光束；且所述第一激光源和第二激光源输出的两束光束依次经扩束器、反射镜及保护镜输出到所述输出头的底端开口处，并在由送粉头输送至输出头的底端开口处的金属合金粉末上形成靶面叠加，构成混合型双激光束；由所述送粉头输送至所述输出头的底端开口处的金属合金粉末，在经过所述的混合型双激光束加热后，被熔融在金属基体的上，形成金属合金熔覆层。

在一些实施例中，所述扩束器、反射镜及保护镜依次设置在第一激光源和第二激光源输出的两束光束的光路上；

其中，所述扩束器用于改变光束的发散角与束腰半径；

所述反射镜用于将两束光束以不同的反射角反射至所述保护镜处，然后透过所述保护镜进入到所述输出头；

所述保护镜设置于所述输出头的顶端，用于防止在激光熔覆过程中流体状金属飞溅至外壳内部，损坏其他镜片。

在一些实施例中，所述输出头上还开设有保护气入口，保护气入口用于在进行激光熔覆时连接外部保护气装置，以向金属合金粉末提供保护气。

一种利用上述的激光熔覆装置进行激光熔覆的方法，包括如下步骤：

步骤1、通过第一激光源输出光束Ⅰ，通过第二激光源输出光束Ⅱ；

其中：光束Ⅰ为高斯型光束或超高斯型光束，光束Ⅱ为M型光束或环形光束；

步骤2、将第一激光源输出光束Ⅰ和第二激光源输出光束Ⅱ以不同的入射角依次经过扩束器改变发散角与束腰半径后，入射到反射镜中，再经过反射镜反射至保护镜中，最后再经过保护镜传输到输出头中，并在输出头的底端开口处重叠，形成双激光光束；与此同时通过送粉头将金属合金粉末送至所述输出头的底端开口处，同时从保护气入口处向输出头内提供保护气；

步骤3、通过步骤2中生成的双激光光束，对步骤2中通过送粉头输送至输出头的底端开口处的金属合金粉末进行加热，使金属合金粉末充分熔化，并熔覆在需要被激光熔覆加工处理的外部基体上；

步骤4、重复步骤1至步骤3，直至步骤3中需要被激光熔覆加工处理的外部基体熔覆完成。

本发明提供的激光熔覆装置，使用双激光光束进行激光熔覆，双激光光束为M型光束或环形光束与高斯型光束或超高斯型光束的重叠；M型光束与环形光束的中间能量低，周围能量强，其与超高斯型光束或高斯型光束重叠就能获得类似于平顶光束的混合双光束，并且抗高反，激光光束亮度强且激光光束穿透能力强；M型光束或环形光束可通过特殊结构的传能光纤与信号合束器得到。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明选择将M型光束或环形光束与高斯型光束或超高斯型光束重叠得到的混合双光束作为激光熔覆工艺的光源，其使用效果近似于平顶光束的激光熔覆型光束，不仅可以避免采用繁琐的光学镜片系统获得平顶光束，又可解决半导体激光器光束亮度偏弱与不抗高反以及高斯型光束能量分布不均匀的问题。

2、将本发明提供的混合型双激光应用在激光熔覆工艺上，不仅有助于解决裂纹缺陷、稀释率过大等问题，还能有效地提高激光熔覆的工作效率；

3、本发明提供的混合型双光束激光可以在金属合金粉末靶面上形成叠加，使得金属合金粉末能得到充分熔化，大大提升了粉末利用率至90％以上，从而提高了激光熔覆的工作效率。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明提供的激光熔覆装置的示意图；

图2为实施例中的高斯型光束的相对光强度X方向一维分布图；

图3为图2中对应的相对光强度Y方向一维分布图；

图4为实施例中的M型光束的相对光强度X方向一维分布图；

图5为图4中对应的相对光强度Y方向一维分布图；

图6为实施例中的环形光束的相对光强度X方向一维分布图；

图7为图2中对应的相对光强度Y方向一维分布图；

附图标记说明：

1、第一激光源；2、第二激光源；3、扩束器；4、反射镜；5、保护镜；6、输出头；7、送粉头；8、保护气入口；9、基体；10、外壳。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

参照图1，本发明提供了一种激光熔覆装置，包括外壳10、设置于外壳一端的第一激光源1和第二激光源2、设置于外壳10另一端的输出头6以及设置于外壳10内的扩束器3、反射镜4和保护镜5；在输出头6的侧面还设置有送粉头7，且送粉头7的底端开口与输出头6的底端开口相通；

其中，第一激光源1用于输出高斯型光束或超高斯型光束，第二激光源2用于输出M型光束或环形光束(M型光束或环形光束的获得为现有技术，例如可通过特殊结构的传能光纤与信号合束器得到)；且第一激光源1和第二激光源2输出的两束光束依次经扩束器3、反射镜4及保护镜5输出到输出头6的底端开口处，并在由送粉头7输送至输出头6的底端开口处的金属合金粉末上形成靶面叠加，构成混合型双激光束；由送粉头7输送至输出头6的底端开口处的金属合金粉末，在经过混合型双激光束加热后，被熔融在金属基体9的上，形成金属合金熔覆层。

优选地，扩束器3、反射镜4及保护镜5依次设置在第一激光源1和第二激光源2输出的两束光束的光路上；其中，扩束器3用于改变光束的发散角与束腰半径；反射镜4用于将两束光束以不同的反射角反射至保护镜5处，然后透过保护镜5进入到输出头6；保护镜5设置于输出头6的顶端，用于防止在激光熔覆过程中流体状金属飞溅至外壳10内部，损坏其他镜片。

优选地，输出头6上还开设有保护气入口8，保护气入口8用于在进行激光熔覆时连接外部保护气装置，以向金属合金粉末提供保护气。

本发明另一方面提供了一种利用上述的激光熔覆装置进行激光熔覆的方法，包括如下步骤：

步骤1、通过第一激光源1输出光束Ⅰ，通过第二激光源2输出光束Ⅱ；

其中：光束Ⅰ为高斯型光束或超高斯型光束，光束Ⅱ为M型光束或环形光束；

步骤2、将第一激光源1输出光束Ⅰ和第二激光源2输出光束Ⅱ以不同的入射角依次经过扩束器3改变发散角与束腰半径后，入射到反射镜4中，再经过反射镜4反射至保护镜5中，最后再经过保护镜5传输到输出头6中，并在输出头6的底端开口处重叠，形成双激光光束；与此同时通过送粉头7将金属合金粉末送至输出头6的底端开口处，同时从保护气入口8处向输出头6内提供保护气；

步骤3、通过步骤2中生成的双激光光束，对步骤2中通过送粉头7输送至输出头6的底端开口处的金属合金粉末进行加热，使金属合金粉末充分熔化，并熔覆在需要被激光熔覆加工处理的外部基体9上；

步骤4、重复步骤1至步骤3，直至步骤3中需要被激光熔覆加工处理的外部基体9熔覆完成。

进一步地，在具体实施例中，参照图2-图7，图2与图3对应高斯型光束，图4与图5对应M型光束，图6与图7对应环形光束，均为相对光强度一维分布图。图2中，横轴表示X方向(单位为μm)，纵轴表示相对光强度，图3中，横轴表示相对光强度，纵轴表示Y方向(单位为μm)；图4中，横轴表示X方向，纵轴表示相对光强度，图5中，横轴表示相对光强度，纵轴表示Y方向；图6中，横轴表示X方向，纵轴表示相对光强度，图7中，横轴表示相对光强度，纵轴表示Y方向；上述的X方向与Y方向表示光束的光斑截面上的两个相互垂直的方向。可见，M型光束或环形光束的中间能量低，周围能量强，因而与超高斯光束或高斯光束重叠就能获得类似于平顶光束的混合双光束。

进行激光熔覆时，第一激光源1和第二激光源2输出的激光重叠得到的双激光光束、金属合金粉末及保护气体在基体9上表面汇聚，双激光光束对粉末进行加热，其中高斯型光束或超高斯型光束主要作用于中间区域的金属合金粉末，M型光束或环形光束主要作用于周围区域的金属合金粉末，最终实现激光粉末利用率有效提升。

综上，本发明提供的激光熔覆装置，使用双激光光束进行激光熔覆，双激光光束为M型光束或环形光束与高斯型光束或超高斯型光束的重叠；M型光束与环形光束的中间能量低，周围能量强，其与超高斯型光束或高斯型光束重叠就能获得类似于平顶光束的混合双光束，并且抗高反，激光光束亮度强且激光光束穿透能力强。

与现有技术相比，本发明将双激光光束应用在激光熔覆工艺上不仅有助于解决裂纹缺陷、稀释率过大等问题，还能有效地提高激光熔覆的工作效率；本发明选择将M型光束或环形光束与高斯型光束或超高斯型光束的重叠，得到的双光束作为激光熔覆工艺的光源，可以避免采用繁琐的光学镜片系统获得平顶光束，可解决半导体激光器光束亮度偏弱与不抗高反以及高斯型光束能量分布不均匀的问题；本发明采用双光束激光光源作用于金属粉末，实现粉末束充分熔化，提升粉末利用率至90％以上，从而提高激光熔覆的工作效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光熔覆装置，其特征在于，包括外壳（10）、设置于外壳一端的第一激光源（1）和第二激光源（2）、设置于外壳（10）另一端的输出头（6）以及设置于外壳（10）内的扩束器（3）、反射镜（4）和保护镜（5）；在所述输出头（6）的侧面还设置有送粉头（7），且所述送粉头（7）的底端开口与所述输出头（6）的底端开口相通；

其中，所述第一激光源（1）用于输出高斯型光束或超高斯型光束，所述第二激光源（2）用于输出M型光束或环形光束；且所述第一激光源（1）和第二激光源（2）输出的两束光束依次经扩束器（3）、反射镜（4）及保护镜（5）输出到所述输出头（6）的底端开口处，并在由送粉头（7）输送至输出头（6）的底端开口处的金属合金粉末上形成靶面叠加，构成混合型双激光束；由所述送粉头（7）输送至所述输出头（6）的底端开口处的金属合金粉末，在经过所述的混合型双激光束加热后，被熔融在金属基体（9）的上，形成金属合金熔覆层；

所述扩束器（3）、反射镜（4）及保护镜（5）依次设置在第一激光源（1）和第二激光源（2）输出的两束光束的光路上；

其中，所述扩束器（3）用于改变光束的发散角与束腰半径；

所述反射镜（4）用于将两束光束以不同的反射角反射至所述保护镜（5）处，然后透过所述保护镜（5）进入到所述输出头（6）；

所述保护镜（5）设置于所述输出头（6）的顶端，用于防止在激光熔覆过程中流体状金属飞溅至外壳（10）内部，损坏其他镜片；

所述输出头（6）上还开设有保护气入口（8），保护气入口（8）用于在进行激光熔覆时连接外部保护气装置，以向金属合金粉末提供保护气。

2.一种利用如权利要求1所述的激光熔覆装置进行激光熔覆的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过第一激光源（1）输出光束Ⅰ，通过第二激光源（2）输出光束Ⅱ；

其中：光束Ⅰ为高斯型光束或超高斯型光束，光束Ⅱ为M型光束或环形光束；

步骤2、将第一激光源（1）输出光束Ⅰ和第二激光源（2）输出光束Ⅱ以不同的入射角依次经过扩束器（3）改变发散角与束腰半径后，入射到反射镜（4）中，再经过反射镜（4）反射至保护镜（5）中，最后再经过保护镜（5）传输到输出头（6）中，并在输出头（6）的底端开口处重叠，形成双激光光束；与此同时通过送粉头（7）将金属合金粉末送至所述输出头（6）的底端开口处，同时从保护气入口（8）处向输出头（6）内提供保护气；

步骤3、通过步骤2中生成的双激光光束，对步骤2中通过送粉头（7）输送至输出头（6）的底端开口处的金属合金粉末进行加热，使金属合金粉末充分熔化，并熔覆在需要被激光熔覆加工处理的金属基体（9）上；

步骤4、重复步骤1至步骤3，直至步骤3中需要被激光熔覆加工处理的金属基体（9）熔覆完成。