CN112941505A - 一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺，其光纤激光器加工头包括沿激光束发射光路依次设置准直积分镜、聚焦积分镜及第一保护镜片，激光束竖直进入准直积分镜后水平进入聚焦积分镜，然后竖直进入第一保护镜片，准直积分镜及聚焦积分镜均为铜积分镜。该熔覆板材工艺包括基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备不同形状的熔覆涂层；对比光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆基于同等熔覆工艺参数获得的熔覆效果数据；基于对比结果调整光纤激光器熔覆速度与熔覆步距，以得到与半导体直接输出激光器相同的熔覆效果。本发明提高了光纤激光器的使用寿命，保证光纤激光器的熔覆效果。

Description

一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体地说涉及一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺。
背景技术
半导体直接输出激光器的准直结构、聚焦结构集成在激光器内部，属于透射式，准直结构后部就是激光器的核心部件发光叠阵。在板材熔覆过程中，反射的激光束会透过聚焦系统、准直系统作用于激光叠阵表面，当能量积聚过大时，就会烧坏激光器核心部件，导致激光器故障。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺，实现了激光束防反光的作用，从而保护了激光器的核心部件，避免了激光器因反射的激光束作用于激光叠阵表面烧坏激光器核心部件的情况发生。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光纤激光器加工头，其包括沿激光束发射光路依次设置准直积分镜、聚焦积分镜及第一保护镜片，激光束竖直进入准直积分镜后水平进入聚焦积分镜，然后竖直进入第一保护镜片，所述准直积分镜及聚焦积分镜均为铜积分镜。
进一步地，还包括位于激光束发射处的第二保护镜片及扩束系统，所述扩束系统位于第二保护镜片与准直积分镜之间。
进一步地，所述光纤激光器加工头的底部设置有位于第一保护镜片底部下方用于避免烟尘及飞溅对加工头内部镜片的损伤的保护结构，所述保护结构为气帘挡光板一体式结构。
进一步地，所述光纤激光器加工头末端设置激光输出口，所述激光输出口的形状为矩形。
进一步地，激光束通过激光输出口对应聚焦位置的尺寸为15*2mm。
一种采用上述光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其包括以下步骤：
基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备不同形状的熔覆涂层；
对比光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆基于同等熔覆工艺参数获得的熔覆效果数据；
根据光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆效果数据的对比结果，调整光纤激光器熔覆速度与熔覆步距，以得到与半导体直接输出激光器相同的熔覆效果。
进一步地，所述熔覆效果数据包括硬度数据、耐磨性数据及金相组织数据。
进一步地，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条、直条加菱形的熔覆涂层。
优选的，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条的熔覆涂层。
有益效果
本发明提出的一种光纤激光器加工头及熔覆板材工艺，具有如下有益效果：采用铜积分镜进行准直与聚焦，铜积分镜具有更高的能量承受能力，且对光束的传播路径有更严苛的要求，当反射回的激光束再次到达积分镜表面时，无法完全按照光束入射方向反向传播，即无法到达光纤输出端面，从而起到防反光作用。在加工头底部设计气帘挡光一体式结构，能更好的防护烟尘、飞溅对加工头内部镜片的损伤，提高加工头的使用质量与寿命。通过采用光纤激光器加工头熔覆板材工艺，与现有的半导体直接输出激光器相比具有同等的硬度、耐磨性、金相组织，以符合激光熔覆生产的需求，满足降低变形量、增强整体耐磨性能的需求。
附图说明
图1是本发明具体实施例1中光纤激光器加工头的结构示意图；
图2是本发明具体实施例1中光纤激光器熔覆后的Fe90中板的摩擦磨损曲线图。
附图中：100、激光束；200、准直积分镜；300、聚焦积分镜；410、第一保护镜；420、第二保护镜；500、扩束系统；600、气帘挡光板一体式结构；700、光斑。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
具体实施例1
一种光纤激光器加工头，如图1所示，其包括沿激光束100发射光路依次设置准直积分镜200、聚焦积分镜300及第一保护镜410片，激光束100竖直进入准直积分镜200后水平进入聚焦积分镜300，然后竖直进入第一保护镜410片，所述准直积分镜200及聚焦积分镜300均为铜积分镜。光纤激光器为加工所用激光束100的产生设备，是主设备；加工头为光束整形结构，可将光纤激光器产生的发散激光束100整形成满足加工需要的各种光斑700，加工头与光纤激光器配套使用，以满足对不同板材进行激光熔覆的要求。采用铜积分镜进行准直与聚焦，铜积分镜具有更高的能量承受能力，且对光束的传播路径有更严苛的要求，当反射回的激光束100再次到达积分镜表面时，无法完全按照光束入射方向反向传播，即无法到达光纤输出端面，从而起到防反光作用，提高了光纤激光器的使用寿命。具体的，该铜积分镜为90度离轴抛物镜。
进一步地，所述光纤激光器加工头还包括位于激光束100发射处的第二保护镜420片及扩束系统500，所述扩束系统500位于第二保护镜420片与准直积分镜200之间。
进一步地，所述光纤激光器加工头的底部设置有用于避免烟尘及飞溅对加工头内部镜片的损伤的保护结构，所述保护结构为气帘挡光板一体式结构600。现有技术中，半导体直接输出激光器自身不带有保护装置，设备总尺寸为440mm*220mm*200mm，重量15KG，需要外置保护气帘、挡光板，且挡光板的面积较大，会影响部分中部槽的加工作业。本实施例所述的光纤激光器加工头尺寸较小，设备总尺寸为400mm*140mm*70mm，重量2.5KG，更小的尺寸及重量可提高员工操作的安全性、便捷性，在加工头底部设计气帘挡光一体式结构，能更好的防护烟尘、飞溅对加工头内部镜片的损伤，提高加工头的使用质量与寿命。
进一步地，所述光纤激光器加工头末端设置激光输出口，所述激光输出口的形状为矩形，使得经光纤激光器激光输出口的光斑为矩形光斑，实现对激光束100的整形。
进一步地，激光束通过激光输出口对应聚焦位置的尺寸为15*2mm，实现光斑700的尺寸为15*2mm，为宽光斑，该宽光斑可以满足光纤激光器激光熔覆的工艺要求。值得注意的是，该光斑700的尺寸仅为设定的较佳尺寸，其不仅限于此，任何可以满足光纤激光器激光熔覆的工艺要求的光斑尺寸均为受到本发明的保护。
一种采用上述光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其包括以下步骤：
基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备不同形状的熔覆涂层；
对比光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆基于同等熔覆工艺参数获得的熔覆效果数据；
根据光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆效果数据的对比结果，调整光纤激光器熔覆速度与熔覆步距，以得到与半导体直接输出激光器相同的熔覆效果。
进一步地，所述熔覆效果数据包括硬度数据、耐磨性数据及金相组织数据，分别对比光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆后的硬度数据、耐磨性数据及金相组织数据，通过调整光纤激光器的熔覆速度与熔覆步距，使得光纤激光器熔覆板材的硬度数据、耐磨性数据及及金相组织数据与半导体直接输出激光器熔覆板材的硬度数据、耐磨性数据及及金相组织数据，表明这时候的熔覆速度与熔覆步距即为光纤激光器熔覆板材的最佳数据，实现光纤激光器熔覆工艺的优化过程。
进一步地，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条、直条加菱形的熔覆涂层。
优选的，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条的熔覆涂层。
本发明的工作原理是：考虑尽量降低变形量、增强整体耐磨性能的需求，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，设计制备了大面积的直条、直条加菱形的熔覆涂层，通过机床编程实现行走路径变化，得到不同的熔覆涂层形状，可设置熔覆涂层的形状为直条或者直条加菱形，这两种形状容易制备，涂层较为均匀。在成熟中板熔覆工艺基础上即半导体直接输出激光器熔覆板材工艺进行参数优化。参数优化过程如下：使用光纤激光器按照原工艺(半导体直接输出激光器熔覆板材工艺)进行熔覆加工，对比半导体直接输出激光器熔覆与光纤激光器的熔覆效果参数，包括硬度、耐磨性、金相组织等，然后适当改变熔覆线速度与熔覆步距，再次检验硬度、耐磨性、金相组织等，最终得到更匹配的工艺，即优化工艺。
摩擦系数曲线的变化从本质上反映了熔覆层表面耐磨性状况，可从一个侧面预测熔覆层寿命，以原材料型号为Fe90的中板为例，采用上述光纤激光器及熔覆板材工艺进行熔覆，图2为光纤激光器熔覆后的Fe90中板的摩擦磨损曲线图，在磨损初期，最表层磨损是连续发生的，即摩擦系数(COF)是连续变化的。当载荷的冲击作用使熔覆层的次表层产生微裂纹时，熔覆层次表层的力学性能变差，到次表层中发生突然性的大量脱落时，磨损界面的粗糙度就会突然变大，引起了摩擦系数突然性地向上阶跃。以未进行激光熔覆的Fe90中板基体为对比例进行耐磨性试验，试验结果表明：采用激光器熔覆开发的Fe90耐磨复合板耐磨性约为基体的2-3倍，具有良好的耐摩性能。采用宽光斑(光斑尺寸为15*2mm)的光纤激光器加工头进行激光熔覆符合生产的需求。通过本发明设计的光纤激光器进行熔覆板材时，板材具备较低的变形量，满足增强板材整体耐磨性能的需求。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种光纤激光器加工头，其特征在于，包括沿激光束发射光路依次设置准直积分镜、聚焦积分镜及第一保护镜片，激光束竖直进入准直积分镜后水平进入聚焦积分镜，然后竖直进入第一保护镜片，所述准直积分镜及聚焦积分镜均为铜积分镜。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器加工头，其特征在于，还包括位于激光束发射处的第二保护镜片及扩束系统，所述扩束系统位于第二保护镜片与准直积分镜之间。
3.根据权利要求2所述的光纤激光器加工头，其特征在于，所述光纤激光器加工头的底部设置有用于避免烟尘及飞溅对加工头内部镜片的损伤的保护结构，所述保护结构为气帘挡光板一体式结构。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器加工头，其特征在于，所述光纤激光器加工头末端设置激光输出口，所述激光输出口的形状为矩形。
5.根据权利要求4所述的光纤激光器加工头，其特征在于，激光束通过激光输出口对应聚焦位置的尺寸为15*2mm。
6.一种采用如上述权利要求1-5任一项所述的光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其特征在于，包括以下步骤：
基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备不同形状的熔覆涂层；
对比光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆基于同等熔覆工艺参数获得的熔覆效果数据；
根据光纤激光器与半导体直接输出激光器熔覆效果数据的对比结果，调整光纤激光器熔覆速度与熔覆步距，以得到与半导体直接输出激光器相同的熔覆效果。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其特征在于，所述熔覆效果数据包括硬度数据、耐磨性数据及金相组织数据。
8.根据权利要求6所述的光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其特征在于，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条、直条加菱形的熔覆涂层。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器加工头熔覆板材工艺，其特征在于，基于半导体直接输出激光器熔覆板材的工艺参数，采用光纤激光器制备出直条的熔覆涂层。
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