CN111455378B - 一种高效率矩形光斑激光熔覆方法 - Google Patents

一种高效率矩形光斑激光熔覆方法 Download PDF

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Abstract

一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，涉及一种激光熔覆方法。本发明是要解决现有的高速激光熔覆技术的熔覆效率不高的技术问题。本发明的方法使得粉末在激光辐照区域内停留足够的时间，使其以熔化或半熔化状态进入熔池，激光的大部分能量用于熔化粉末，少部分能量用于在工件表面形成熔池，这一原理与高速激光熔覆有所区别，高速激光熔覆是令粉末焦点与激光焦点在工件上方附近汇聚，利用焦点处的高能量激光令粉末快速熔化，而本发明由于采用矩形光斑，技术路线采用的是长时间累积照射的方式令粉末熔化，过程更加温和，且熔覆效率很高。本发明应用于激光熔覆领域中。

Description

一种高效率矩形光斑激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆方法。
背景技术
高速激光熔覆技术是近年来出现的新型激光熔覆技术，其特点在于金属粉末在基体上方某一距离与激光焦点汇聚，从而使金属粉末以熔化或半熔化状态落入熔池，并伴随基体的高线速度移动(25m/min至200m/min)，从而形成厚度在20μm～1mm左右的熔覆层。该技术所采用的送粉方式多为环形送粉，即粉末自送粉喷嘴射出后逐渐汇聚成直径约1-2mm的圆形汇聚粉斑。激光焦点也同样为圆形光斑。该技术方案的熔覆效率在实际工业使用的要求中通常最高为1.5m2/h。相比于常规的宽光斑重力送粉激光熔覆0.6m2/h的效率已经实现倍增，但由于该技术需要汇聚成1-2mm直径的粉斑，以铁基粉末为例，这一大小的粉斑浓度密度最大可承载的送粉量仅能达到80g/min，很难进一步提高。在送粉量限制的情况下，如果想进一步提高熔覆效率，则会导致熔覆层厚度难以满足工业需求。而如果单纯通过提高粉斑及光斑大小的方式，由于光斑能量密度会随着光斑直径增大以二次方速度降低，这将导致激光器所需功率的成倍增加，在提高成本的同时也会带来其他的工艺隐患。这一问题成为了制约该技术的一大瓶颈。
常规的矩形(宽光斑)激光熔覆的速度均在1m/min以下，功率多选用10kW左右的激光器，粉末输送方式为重力送粉(粉末从高处的粉筒内经过管道自由流出，送粉嘴在激光的后方，单侧送粉)，所形成的熔覆层厚度多在2-3mm。技术特点为熔覆线速度慢、激光功率大、送粉量大。但由于选用的光斑非常大，因此熔覆效率可达0.6m2/h。该技术的公认原理为使用大功率大光斑激光，令工件表面熔化形成大熔池，再令粉末自由下落进入熔池中，技术人员如果想进一步提高效率，通常只会进一步提高激光功率以及光斑大小，由于普遍认为提高速度会导致熔池来不及凝固，易形成各类缺陷，因此为了保证熔覆质量，一般会降低速度。而受制于高功率激光器价格以及光学设备限制，该技术经过数年优化在工业应用中的最大效率即为0.6m2/h。该技术存在稀释率高、热影响区大、工件易变形等问题，对于薄壁构件无法进行加工。目前主要用于中大型轴类部件(多数为实心或厚壁)的外表面熔覆。
发明内容
本发明是要解决现有的高速激光熔覆技术的熔覆效率不高的技术问题，而提供一种高效率矩形光斑激光熔覆方法。
本发明的高效率矩形光斑激光熔覆方法是按以下步骤进行的：
提高粉末在激光辐照区停留的时间；激光采用矩形光斑，两股粉末分别由一个矩形送粉喷嘴的两个出口喷出，两个矩形送粉喷嘴的出口对称布置在矩形光斑两个较长边的外侧，且矩形送粉喷嘴出口的较长边与矩形光斑的较长边平行，矩形送粉喷嘴出口的较长边的中线与矩形光斑的较长边的中线重合；送粉喷嘴与激光枪头集成为一体；激光头的移动方向与工件的轴向方向平行，激光熔覆时光斑的较长边与工件的轴向方向夹角为0°～5°；所述的工件为轴对称结构的旋转体；
激光熔覆时激光枪头在工件的正上方，激光光斑在工件表面处的较短边的长度为0.2mm～1mm，在工件表面处较长边的长度为3mm～20mm，且在工件表面处光斑的面积为3mm2 ～20mm2；矩形送粉喷嘴出口处的粉斑较长边的长度比工件表面处的激光光斑较长边的长度小0～4mm；粉末粒径为25μm～75μm，每分钟的送粉量为6cm3～40cm3；熔覆线速度为3m/min～25m/min；两道熔覆层间的搭接率为50％～80％；
所述的提高粉末在激光辐照区停留的时间是通过以下两种方式中的一种或两种方式同时进行来实现的：
方式一：提高粉末在激光辐照区内运行的轨迹长度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，具体方式为通过调节激光保护气的速度与载粉气的速度使粉末束流呈弧线，并使粉末在熔池上方1mm～2mm区域即熔化或半熔化，所述的载粉气的速度为0.8m/s～15m/s，激光保护气的速度为3m/s～20m/s；
方式二：降低粉末出射的速度，从而降低粉末在激光辐照区内运行的速度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，粉末出射的速度为0.5m/s～10m/s。
本发明中将送粉喷嘴与激光枪头集成为一体，共同形成密封腔体，激光与粉末均从枪头的下部射出，激光在枪头内由保护气吹出，此种结构为现有技术。
本发明的矩形光斑指的是在工件上投影为矩形的光斑。
本发明的技术原理：本发明的方法使得粉末在激光辐照区域内停留足够的时间，使其以熔化或半熔化状态进入熔池，激光的大部分能量用于熔化粉末，少部分能量用于在工件表面形成熔池，这一原理与高速激光熔覆有所区别，高速激光熔覆是令粉末焦点与激光焦点在工件上方附近汇聚，利用焦点处的高能量激光令粉末快速熔化，而本发明由于采用矩形光斑，技术路线采用的是长时间累积照射的方式令粉末熔化，过程更加温和，且熔覆效率很高，以熔覆316不锈钢粉末为例，在熔覆层有效厚度为500μm时，熔覆效率可达到6m2/h。
本发明的方法可适用光纤、直接半导体或碟片激光器，光纤芯径在400μm～1000μm之间，激光发散角在20°～45°之间，熔覆功率在5kW-10kW之间。(对激光器及光纤芯径的描述仅用于表述该技术的适用范围，并不是绝对的限制。)
附图说明
图1为试验一中的高效率矩形光斑激光熔覆方法的正视图；
图2为图1的右视图；
图3为试验一中的高效率矩形光斑激光熔覆方法的立体图；
图4为试验二中的高效率矩形光斑激光熔覆方法的正视图；
图5为试验一中的同轴矩形送粉激光熔覆枪头的立体图；
图6为试验二中的高效率矩形光斑激光熔覆方法的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，具体是按以下步骤进行的：
提高粉末在激光辐照区停留的时间；激光采用矩形光斑(矩形光斑的获得是通过积分镜实现的，积分镜为现有的成熟产品，可以将圆柱型平行光变为逐渐汇聚的矩形光)，两股粉末分别由一个矩形送粉喷嘴的两个出口喷出，两个矩形送粉喷嘴的出口对称布置在矩形光斑两个较长边的外侧，且矩形送粉喷嘴出口的较长边与矩形光斑的较长边平行，矩形送粉喷嘴出口的较长边的中线与矩形光斑的较长边的中线重合；送粉喷嘴与激光枪头集成为一体，共同形成密封腔体，激光与粉末均从枪头的下部射出，激光在枪头内由保护气吹出；激光头的移动方向与工件的轴向方向平行，激光熔覆时光斑的较长边与工件的轴向方向夹角为0°～5°(矩形光斑的倾斜熔覆即激光熔覆时光斑的较长边与工件的轴向方向夹角大于0°且小于等于5°时，可以使位于光斑两侧的粉末有更长的激光照射时间，有利于更好的熔化，能够使熔覆道更加平滑，一定程度上减小表面粗糙度)；所述的工件为轴对称结构的旋转体；
激光熔覆时激光枪头在工件的正上方，激光光斑在工件表面处的较短边的长度为0.2mm～1mm，在工件表面处较长边的长度为3mm～20mm，且在工件表面处光斑的面积为3mm2 ～20mm2(该光斑面积用于保证激光能量密度足以在高线速度情况下实现熔化粉末并形成熔池)；矩形送粉喷嘴出口处的粉斑较长边的长度比工件表面处的激光光斑较长边的长度小0～4mm；粉末粒径为25μm～75μm，每分钟的送粉量为6cm3～40cm3；熔覆线速度为3m/min～25m/min；两道熔覆层间的搭接率为50％～80％；
所述的提高粉末在激光辐照区停留的时间是通过以下两种方式中的一种或两种方式同时进行来实现的：
方式一：提高粉末在激光辐照区内运行的轨迹长度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，具体方式为通过调节激光保护气的速度与载粉气的速度使粉末束流呈弧线，(弧线可以延长粉末在激光辐照区内运行的轨迹长度)并使粉末在熔池上方1mm～2mm区域即熔化或半熔化，所述的载粉气的速度为0.8m/s～15m/s，激光保护气的速度为3m/s～20m/s；
方式二：降低粉末出射的速度，从而降低粉末在激光辐照区内运行的速度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，粉末出射的速度为0.5m/s～10m/s，粉末出射的速度可由高速摄像机等专业设备测出，这一速度的下限0.5m/s是为了保证粉末能够形成粉末流，过小会形成类似自由落体，无法有效汇聚；而上限10m/s是为了保证粉末有足够的时间吸收激光能量，过快粉末难以熔化。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的载粉气为氩气。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的激光保护气为氩气。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的工件为圆柱体。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：粉末出射的速度为5m/s。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，如图1-图5所示，图中1为工件，2为矩形光斑，3为粉末，4为矩形送粉喷嘴，5为熔池，6为激光枪头，7为光纤接口；图1中的箭头为激光枪头6的移动方向；图3中以矩形光斑2为分界线，工件1的左边为熔覆完的部分，右边为未熔覆的部分，箭头为激光枪头6的移动方向；本试验的具体方法是按以下步骤进行的：所述的粉末为316不锈钢；
提高粉末3在激光辐照区停留的时间；激光采用矩形光斑2，两股粉末3分别由一个矩形送粉喷嘴4的两个通道4-1喷出，两个矩形送粉喷嘴的通道4-1对称布置在矩形光斑2两个较长边的外侧，且矩形送粉喷嘴通道4-1在出口截面的较长边与矩形光斑2的较长边平行，矩形送粉喷嘴通道4-1在出口截面的较长边的中线与矩形光斑2的较长边的中线重合；矩形送粉喷嘴4与激光枪头6集成为一体，共同形成密封腔体，激光与粉末4均从激光枪头6的下部射出，激光在激光枪头6内由保护气吹出；激光枪头6的移动方向与工件1的轴向方向平行，激光熔覆时矩形光斑2的较长边与工件1的轴向方向夹角为0°，即激光枪头6的移动方向与激光熔覆时矩形光斑2的较长边平行；所述的工件1为圆柱体；
激光熔覆时激光枪头6在工件2的正上方，矩形光斑3在工件1表面处的较短边的长度为1mm，在工件1表面处较长边的长度为10mm；矩形送粉喷嘴通道4-1出口处的粉斑3较长边的长度等于工件1表面处的矩形光斑2较长边的长度；粉末3的粒径为50μm，每分钟的送粉量为40cm3；熔覆线速度为25m/min；两道熔覆层间的搭接率为80％；
所述的提高粉末3在激光辐照区停留的时间是通过以下两种方式同时进行来实现的：
方式一：提高粉末3在激光辐照区内运行的轨迹长度，从而使得粉末3在激光辐照区停留的时间增长，具体方式为通过调节激光保护气的速度与载粉气的速度使粉末束流呈弧线，并使粉末在熔池5上方2mm区域即熔化或半熔化，所述的载粉气的速度为5m/s，激光保护气的速度为10m/s；
方式二：降低粉末3出射的速度，从而降低粉末3在激光辐照区内运行的速度，从而使得粉末3在激光辐照区停留的时间增长，粉末3出射的速度为2m/s。
本试验中的矩形送粉喷嘴4的品牌为Fraunhofer，型号COAX11；激光枪头6的品牌为Laserline，型号为OTS-5；将矩形送粉喷嘴4与激光枪头6集成为一体形成同轴矩形送粉激光熔覆枪头(见图5)，此种形式为现有技术。
本试验熔覆层厚度能实现100μm～1mm的范围；当熔覆层厚度为1mm时，熔覆效率可以达到3m2/h。
试验二：本试验与试验一不同的是：激光熔覆时矩形光斑2的较长边与工件1的轴向方向夹角为5°，其它与试验一相同。如图6所示，图6中的虚线与工件的中轴线平行，激光熔覆时光斑的较长边与工件的轴向方向夹角α为5°，箭头为激光枪头6的移动方向。
本试验最终在熔覆层有效厚度为500μm时，熔覆效率可达到6m2/h，矩形光斑2的倾斜熔覆，可以使两侧的粉末3有更长的激光照射时间，有利于更好的熔化，能够使熔覆道更加平滑，一定程度上减小表面粗糙度。

Claims (4)

1.一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，其特征在于高效率矩形光斑激光熔覆方法是按以下步骤进行的：
提高粉末在激光辐照区停留的时间；激光采用矩形光斑，两股粉末分别由一个矩形送粉喷嘴的两个出口喷出，两个矩形送粉喷嘴的出口对称布置在矩形光斑两个较长边的外侧，且矩形送粉喷嘴出口的较长边与矩形光斑的较长边平行，矩形送粉喷嘴出口的较长边的中线与矩形光斑的较长边的中线重合；送粉喷嘴与激光枪头集成为一体；激光头的移动方向与工件的轴向方向平行，激光熔覆时光斑的较长边与工件的轴向方向夹角为0°～5°；所述的工件为轴对称结构的旋转体；
激光熔覆时激光枪头在工件的正上方，激光光斑在工件表面处的较短边的长度为0.2mm～1mm，在工件表面处较长边的长度为3mm～20mm，且在工件表面处光斑的面积为3mm2～ 20mm2；矩形送粉喷嘴出口处的粉斑较长边的长度比工件表面处的激光光斑较长边的长度小0～4mm；粉末粒径为25μm～75μm，每分钟的送粉量为6cm3～40cm3；熔覆线速度为3m/min～25m/min；两道熔覆层间的搭接率为50％～80％；
所述的提高粉末在激光辐照区停留的时间是通过以下两种方式中的一种或两种方式同时进行来实现的：
方式一：提高粉末在激光辐照区内运行的轨迹长度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，具体方式为通过调节激光保护气的速度与载粉气的速度使粉末束流呈弧线，并使粉末在熔池上方1mm～2mm区域即熔化或半熔化，所述的载粉气的速度为5m/s，激光保护气的速度为10m/s；
方式二：降低粉末出射的速度，从而降低粉末在激光辐照区内运行的速度，从而使得粉末在激光辐照区停留的时间增长，粉末出射的速度为2m/s。
2.根据权利要求1所述的一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，其特征在于所述的载粉气为氩气。
3.根据权利要求1所述的一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，其特征在于所述的激光保护气为氩气。
4.根据权利要求1所述的一种高效率矩形光斑激光熔覆方法，其特征在于所述的工件为圆柱体。
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