CN111575702B - 一种激光熔覆方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆方法及系统。所述方法包括：获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点；根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；根据所述准直气压确定粉斑的直径；调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光的斑直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式；根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆。本发明所提供一种激光熔覆方法及系统，提高激光熔覆成形件表面的质量。

Description

一种激光熔覆方法及系统

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种激光熔覆方法及系统。

背景技术

激光熔覆成形技术是利用高能量密度的激光作为热源熔化基材和金属粉末，经快速冷却后形成熔覆层，并采用逐层堆积法来成形复杂零件的先进制造技术。由于可以无模具、辅具地快速制造全致密金属功能零件，该技术在模具、航空航天和医疗等领域有着广泛应用。

表面质量为评估成形件性能的重要指标之一，其大小影响着成形零件的磨损性能和几何尺寸，进而影响零件的使用寿命。其影响因素非常多，如熔池温度过高(过熔)导致的熔池塌陷，熔池温度过低(欠熔)导致的熔道收缩开裂，熔覆层侧表面粘粉，表面波纹度大等，使成形件的表面粗糙度一般较高，即使形状基本达到精度要求，也只能作为近成形件。

专利号ZL201010234337.0公开了一种提高成形件表面平整度的方法。包括下述步骤：(1)在熔覆每一层的过程中，先沿着轮廓边沿以第一扫描速度由边向内熔覆1～3道，所述轮廓边沿指成形零件当前成形截面的内、外轮廓封闭环；(2)然后以第二扫描速度，基于光栅式扫描方式对填充区域进行填充式熔覆；其中，第二扫描速度大于第一扫描速度；第一扫描速度为6～15mm/s；第二扫描速度为8～20mm/s；所述填充区域指当前成形截面上除了轮廓边沿之外的实体部分；(3)在相邻两层的熔覆过程中，当采用光栅式扫描方式时，应使相邻两层光栅扫描方向保持90°～120°的夹角，以防止误差在XY平面上同一点处造成累积而形成偏聚。即成形过程中降低轮廓内环和轮廓外环的扫描速度，以提高边沿的熔覆层的能量密度和粉末浓度，减少边沿塌陷，使内、外表面粗糙度减小。

专利号ZL201010234337.0依然存在的问题包括：成形件外表面仍难以避免粘粉；不能堆积较窄薄壁件；内外环轮廓熔覆层高于内部熔覆层；变速工艺增加了控制难度，降低了堆积效率等。

在传统的光外同轴送粉结构中，激光扫描能量为高斯分布，熔道两侧能量密度偏低，导致两侧熔覆层不平整，易收缩开裂，粘附在表面的粉末也不容易熔化。光束在中间，粉末流从四周会聚，在空中碰撞再反弹，各方向粉管的准直保护气也会将粉末吹散，一些粉末在空中即被激光烧热，变成飞溅的火星。这些飞散的粉末、火星容易粘附在已成形零件的侧壁。这两种因素使表面粗糙度大大提高，导致激光熔覆成形件表面的质量不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光熔覆方法及系统，提高激光熔覆成形件表面的质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光熔覆方法，包括：

获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点；

以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点；

根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；

根据所述准直气压确定粉斑的直径；

调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式；

根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆。

可选的，所述根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径，具体包括：

利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径。

可选的，所述根据所述准直气压确定粉斑的直径，具体包括：

利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。

可选的，所述根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆，之前还包括：

设定光内送粉喷头的送粉率。

可选的，所述根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆，具体包括：

设定激光功率和扫描速度；

机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆；

所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点；

由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高；

所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

一种激光熔覆系统，包括：

第一获取模块，用于获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点；

加工点确定模块，用于以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点；

光斑的直径确定模块，用于根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；

粉斑的直径确定模块，用于根据所述准直气压确定粉斑的直径；

光粉耦合模式确定模块，用于调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式；

激光熔覆模块，用于根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆。

可选的，所述光斑的直径确定模块具体包括：

光斑的直径确定单元，用于利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径。

可选的，所述粉斑的直径确定模块具体包括：

粉斑的直径确定单元，用于利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。

可选的，还包括：

送粉率设定模块，用于设定光内送粉喷头的送粉率。

可选的，所述激光熔覆模块具体包括：

激光功率和扫描速度设定单元，用于设定激光功率和扫描速度；

第一道熔覆层的熔覆单元，用于机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆；

第一道熔覆层的熔覆完成单元，用于所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点；

第一层熔覆层的层高确定单元，用于由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高；

第二层熔覆层的熔覆单元，用于所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种激光熔覆方法及系统，通过调节离焦量和准直气压可分别改变环形激光的光斑的直径和粉斑的直径；达到光粉耦合模式，即实现了激光熔覆成形过程中光、粉、气在几何分布上真正意义的同轴，粉末集束度较好，光粉耦合效果较好。同时环形光束能量分布呈两侧能量高，中间能量低，熔池后部的温度高于前部，都有利提高成形件表面质量，解决了激光熔覆成形件表面的质量低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的激光熔覆装置结构示意图；

图2为本发明所提供的一种激光熔覆方法流程示意图；

图3为激光内送粉不同光粉耦合模式图；

图4为不同离焦量光斑直径计算示意图；

图5为“光包粉”光粉耦合模式原理图；

图6为本发明所提供的一种激光熔覆系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种激光熔覆方法及系统，提高激光熔覆成形件表面的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

激光内送粉熔覆技术是一种以“光束中空，粉束居中，光粉同轴”为主要技术特点的中空激光光内同轴送粉技术。光纤激光器发出的光纤激光经过准直镜准直后，先通过圆锥镜将光纤激光器产生的实心圆形光束变换为平行光束，再用环形聚焦镜把平行光束聚焦为环锥形激光束，从而环形激光内部形成中空结构，为同轴粉管的放置预留安装空间。

图1为本发明提供的激光熔覆装置结构示意图。如图1所示，激光熔覆装置包括光纤激光器、送粉器、送粉管、准直镜、环形镜、圆锥镜、制氮机、KUKA六轴机器人、CCD相机、激光内送粉熔覆喷头和层高控制系统。

光纤激光器发出激光，通过光纤传输至激光内送粉熔覆喷头，经过准直镜准直后，先通过圆锥镜将光纤激光器产生的实心圆形光束变换为平行光束，再用环形聚焦镜把平行光束聚焦为环锥形激光束，从而环形激光内部形成中空结构，为同轴粉管的放置预留安装空间。

金属粉末由送粉器通过粉管传输至激光内送粉熔覆喷头，从居中粉管喷出。

氮气作为准直保护气，由制氮机产生氮气，由气管传输至激光内送粉熔覆喷头，准直气包裹粉束，对粉束有准直作用，对熔池有保护作用。

通过KUKA六轴机器人控制激光内送粉熔覆喷头运动，通过KUKA高级编程完成成形轨迹，工作台也可辅助转动。

层高控制系统控制熔覆层高度，即在激光熔覆层过程中，通过CCD相机拍摄熔池，将数据传输至控制计算机，计算出下一层提升层高，使得在激光熔覆中离焦量不变。

图2为本发明所提供的一种激光熔覆方法流程示意图，如图2所示，本发明所提供的一种激光熔覆方法，包括：

S101，获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点。

S102，以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点。

S103，根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径，具体的不同离焦量光斑直径计算如图4所示。

S104，根据所述准直气压确定粉斑的直径；利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。所述准直气压通过准直气压控制阀，可控制所述准直气的气压的大小。

S105，调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式。如图3的(a)部分、(b)部分和(c)部分所示，通过调节离焦量和准直保护气气压可分别改变光斑的直径和粉斑的直径，可形成三种不同光粉耦合模式。图3的(a)部分粉斑的直径大于环形激光的光斑的外径，部分粉末颗粒未经进入光斑区域；图3的(b)部分粉斑的直径位于光斑内外径之间，粉末覆盖了光斑的大部分区域面积；图3的(c)部分粉斑的直径小于光斑的内径，粉末颗粒完全落入环形光斑的无光区。

为了进一步的减小成行件表面粗糙度、表面黏粉和表面波纹度，提高激光熔覆成形件表面质量，确定“光包粉”光粉耦合模式，如图5所示。

在S105之前还包括设定光内送粉喷头的送粉率。

S105具体包括：

设定激光功率和扫描速度；

机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆；

所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点；

由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高；

所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

S106，根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆。

作为一个具体的实施例，固定环形光离焦量为-3mm，环形激光光斑示意激光的外光斑聚焦角为15.6°，内光斑聚焦角为10.4°，光斑的内径为2.10mm，光斑外径2.67mm；通过调节准直保护气气压可改变粉斑直径，调节准直保护气气压为0.02Mpa,粉管出口到-3mm加工面距离L为11mm，粉束的单侧发散角θ为4°，经过计算准直气的气压为0.02Mpa时，粉斑的直径为2.54mm。设定送粉率为7.8g/min，激光功率为1050W，扫描速度为6mm/s。根据上述参数进行直墙薄壁件的激光熔覆。

图6为本发明所提供的一种激光熔覆系统结构示意图，如图6所示，本发明所提供的一种激光熔覆系统，包括：第一获取模块601、加工点确定模602、光斑的直径确定模块603、粉斑的直径确定模块604、光粉耦合模式确定模块605和激光熔覆模块606。

第一获取模块601用于获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点。

加工点确定模块602用于以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点。

光斑的直径确定模块603用于根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径。

粉斑的直径确定模块604用于根据所述准直气压确定粉斑的直径。

光粉耦合模式确定模块605用于调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式。

激光熔覆模块606用于根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆。

所述光斑的直径确定模块603具体包括：光斑的直径确定单元。

光斑的直径确定单元用于利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径。

所述粉斑的直径确定模块604具体包括：粉斑的直径确定单元。

粉斑的直径确定单元用于利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。

本发明所提供的一种激光熔覆系统，还包括：送粉率设定模块。

送粉率设定模块，用于设定光内送粉喷头的送粉率。

所述激光熔覆模块606具体包括：激光功率和扫描速度设定单元、第一道熔覆层的熔覆单元、第一道熔覆层的熔覆完成单元、第一层熔覆层的层高确定单元和第二层熔覆层的熔覆单元。

激光功率和扫描速度设定单元用于设定激光功率和扫描速度。

第一道熔覆层的熔覆单元用于机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆。

第一道熔覆层的熔覆完成单元用于所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点。

第一层熔覆层的层高确定单元用于由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高。

第二层熔覆层的熔覆单元用于所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种激光熔覆方法，其特征在于，包括：

获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点；

以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点；

根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；

根据所述准直气压确定粉斑的直径；

调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式；

根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆；

所述根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径，具体包括：

利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径；

所述根据所述准直气压确定粉斑的直径，具体包括：

利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆方法，其特征在于，所述根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆，之前还包括：

设定光内送粉喷头的送粉率。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆方法，其特征在于，所述根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆，具体包括：

设定激光功率和扫描速度；

机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆；

所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点；

由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高；

所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

4.一种激光熔覆系统，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取当前离焦量、光斑焦点和准直气压；所述光斑焦点为光斑中离焦量为0的点；

加工点确定模块，用于以所述光斑焦点为参考点，确定所述当前离焦量的加工点；

光斑的直径确定模块，用于根据所述当前离焦量确定所述光斑的直径；

粉斑的直径确定模块，用于根据所述准直气压确定粉斑的直径；

光粉耦合模式确定模块，用于调节所述准直气压，使得所述粉斑的直径小于所述光斑的直径，确定所述激光熔覆装置处于光粉耦合模式；

激光熔覆模块，用于根据所述光粉耦合模式进行直墙薄壁件的激光熔覆；

所述光斑的直径确定模块具体包括：

光斑的直径确定单元，用于利用公式D₁＝2(H×tanθ₁)+d₁确定所述光斑的直径；其中，D₁为光斑的直径，H为离焦量，θ₁为激光聚焦角，d₁为激光焦点处光斑直径；

所述粉斑的直径确定模块具体包括：

粉斑的直径确定单元，用于利用公式D₂＝2(L×tanθ₂)+d₂确定粉斑的直径；其中，D₂为粉斑的直径，L为粉管出口到加工面距离，θ₂为粉束单侧发散角，d₂为粉管内径。

5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆系统，其特征在于，还包括：

送粉率设定模块，用于设定光内送粉喷头的送粉率。

6.根据权利要求4所述的一种激光熔覆系统，其特征在于，所述激光熔覆模块具体包括：

激光功率和扫描速度设定单元，用于设定激光功率和扫描速度；

第一道熔覆层的熔覆单元，用于机器人当前起始点为原点，进行第一道熔覆层的熔覆；

第一道熔覆层的熔覆完成单元，用于所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点；

第一层熔覆层的层高确定单元，用于由CCD相机获取第一层熔覆层熔池的图像，确定所述第一层熔覆层的层高；

第二层熔覆层的熔覆单元，用于所述机器人提升所述第一层熔覆层的层高，开启激光，进行第二道熔覆层的熔覆；返回所述第一道熔覆层完成后，关闭激光，回到所述原点的步骤，直至完成熔覆。

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