CN113235084B - 一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，涉及激光加工技术领域，包括以下步骤：将激光分为环形光，经过聚焦后形成偏焦环形光斑，作用于基体表面；进行基体表面熔覆时，根据不同的材料，选择激光参数；喷粉管竖直向下，进行出粉；进行激光扫描，每当熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动光斑直径的20～80％；根据不同的涂层厚度要求，重复上述步骤；熔覆过程中选取保护气进行保护，保护气吹向在空中熔化的粉末，使其具有一定的速度喷向基体表面，使得熔覆层与基体之间的结合牢固；在基体表面进行涂层熔覆。本发明实现环形光斑能量密度的均匀化，提高激光束与粉末耦合作用、提高金属粉末利用率并改善熔覆质量和形貌。

Description

一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法。

背景技术

高速熔覆技术是制备高性能涂层的新技术，最近几年的飞速发展受到市场的普遍关注。同常规的激光熔覆技术有所差异的是，常规激光熔覆原理是激光将金属粉末颗粒和基体材料在基体表面共同熔化，熔池冷凝后形成熔覆层。在熔覆的过程中，金属粉末一般被直接喷射到基体表面的熔池内部，粉末颗粒在到达熔池前所吸收的能量微乎其微，其余的能量全部用来作用于基体本身，在基体表面产生很大的热影响区，降低基体材料本身性能。而激光高速熔覆原理与常规熔覆恰恰相反，现如今该技术多采用正离焦(即激光焦点位于熔覆层之上)工艺，粉末在空中吸收大部分的激光能量达到熔融态，剩余的小部分能量作用于基体表面，最终熔覆层的稀释率低、应力小、裂纹形成率低，也使得基体的热变形小，从而更好的保护基体。因为激光的主要能量作用的地方不同，因此激光高速熔覆技术比常规激光熔覆速度更快、效率更高。

同时又由于激光能量密度高，所制备的涂层与基体结合强度高等优点，可以在基体表面形成致密的金属涂层，避免涂层产生孔隙和裂纹，提高工件表面耐磨性和耐蚀性，是一种节能环保的绿色修复方式。但传统激光熔覆技术存着在熔覆效率低、稀释率大、粉末利用率低、后加工工序繁琐等缺点，并没有广泛应用于生产制造中。激光高速熔覆被誉为可替代传统金属表面改性工艺的先进绿色制造技术，熔覆效率为传统激光熔覆3-5倍，可以制备超薄且质量很高的涂层，涂层表面光洁度高，通过简单的磨削与抛光即可投入使用，具有广阔的应用前景。

现有的激光高速熔覆技术是基于光外送粉，也就是光束居中粉末分布在四周进行同轴侧向送粉，如专利CN108103498A“一种超高速激光熔覆工艺”，熔覆过程激光头姿态不变，主要依靠轧辊高速旋转生成表面涂层，不适用于非规则零件表面的涂层生成。专利CN102409338B“一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法”不仅不能进行自由曲面熔覆，而且熔覆工艺繁琐复杂，且激光能量利用率低。专利“一种双焦点高速激光熔覆方法”采用双焦点聚焦镜，将两束激光在空中交汇，虽然可以使粉末受到大面积辐照，但是送粉方式仍然只能采用同轴侧向送粉，同样不利于在非规则零件表面涂层的生成。

现有技术中实现光粉耦合成形的核心部件是激光熔覆喷头装置，目前激光熔覆喷头有二种送粉技术：一种是采用多喷粉管包围实心光同轴倾斜送粉方法(光外送粉)，另一种是中空环形光包围单喷粉管中心垂直送粉方法(光内送粉)。本发明点针对第二种光内送粉方法所涉及的装置展开。

申请号为201621159526.5的的一种光内同轴送粉的聚焦装置，激光束出光口后面依次安装有准直镜、圆锥直面反射镜、环形聚焦抛物镜，二块反射镜均为绕中心轴线的旋转对称结构，反射面相对布置，激光器发出的带有一定角度的激光束经准直镜准直成平行的圆形光束，圆形光束经圆锥直面反射镜反射，反射至环形聚焦抛物镜，被反射光束分成为环形聚焦光束，最终在工作表面上聚焦，在该焦点位置形成点光斑，但一般工作时根据需要，工作表面应处在焦点上部或下部离焦位置，使光束的横截面上形成有一定尺寸的中空圆形光斑，以形成所需尺寸的熔池，熔化从喷粉口喷出的粉末材料；中空环形光斑使得原实心光斑中心能量峰值外移，加强光斑外侧能量。

在不偏焦并且是负离焦的状态下进行高速熔覆时，其相对运动速度远远高于传统熔覆，所以会导致部分粉末经过焦点处受热时间变短且受热不充分，大量粉末无法熔化冲击到基体后弹射开来，导致粉末利用率低，一般50％左右，且熔覆层粗糙度较大，并且激光能量聚焦在基体材料上，通过熔化基体材料来掺入和结合粉末，这使得激光能量利用效率低，同时在大离焦量下粉末中心吸收的能量不够导致粉末与基体材料结合时仍为固态颗粒，成品表面平滑度差。为了提高熔覆效率，通过提高激光功率、增加光斑面积，但是会导致工件的变形量增加，需预留更大的机加预留；且常规的激光熔覆层的稀释率高，降低熔覆层性能。

相较于传统的光外送粉激光高速熔覆方式，光内送粉高速激光熔覆方式具有以下特点：发散的激光经过准直镜系统转换为平行光，入射的平行光通过分光镜分散成均匀环形光照射到环形聚焦反射镜上，经过聚焦的光束汇聚成一个中空环形光路，中空环形光路内部空间大，可以放置粉、气、冷却水等一整套循环系统，不仅减小整个熔覆喷头的体积，而且在喷粉管位于在喷头的中心轴线上，在喷粉管外侧有环形的准直保护气管，共同组成熔覆喷嘴，粉末颗粒在重力和载粉气的共同作用下，使得粉束发散程度小，更好的实现了光、粉、气一体同轴。但是目前也存在以下问题：

在传统熔覆过程中，大部分的激光能量主要被熔覆粉末和基体吸收，因为不同材料之间的物性参数不一，热膨胀系数不同，熔覆层中往往会产生很大的残余应力，将会非常容易在熔覆过程中或者熔覆结束后发生开裂现象；从而影响涂层的硬度、耐腐蚀性、耐磨损等性能。这一问题一直是传统激光熔覆的一大难点。因此，为了解决以上难点，稀释率是高速熔覆必须要控制的一个因素，而稀释率η考察了稀释区在整个的熔覆区域中所占的百分比，因为在整个熔覆区域内，稀释区主要分布在基体表面以下，所以稀释率通常使用横截面面积的测量值进行计算，稀释率的公式可以简化为

所以需要通过控制熔覆层稀释区的深度来降低稀释率，从而在高速熔覆下能够减少激光对工件的热输入，使得基体热变形小，可以用于加工薄壁件、小型件等传统熔覆无法加工的零部件。

而且目前光内送粉激光光斑的直径不能过大(即离焦量不能偏大)，否则会因为单位面积内激光能量密度小，不能够充分熔化粉末，由此会比较容易发生粘粉、孔洞使得熔覆层与基体产生黏连铁陷，粉末在激光束中被照射，由于在中空环形光路中，不同区域的光斑能量不同，因此当粉末穿过激光束后落入到基体表面上会存在几种不同的状态：1.粉末颗粒受热充足完全熔化呈液滴状态；2.粉末颗粒受热不充分部分熔化，其它部分与已熔化的液态混合过程中吸收热量最后熔化；3.粉末颗粒严重受热不充分，甚至没有熔化仍然为固体颗粒。通常情况下，熔化呈液态的粉末颗粒滴落在基体表面时就会粘附在上面；受热不充分的粉末颗粒撞击到基体表面会被反弹出去，会看到火花四溅，也有受热不充分的颗粒进入熔池中受热继续熔化。粉末颖粒到达基体表面时的状态对最终熔覆成形的涂层质量影响很大。

但是由于传统光路不是偏焦光路，激光焦点很小，如图1所示，由于在正离焦状态下进行高速熔覆(24～72m/min)，其相对运动速度远远高于传统熔覆(0.5～3m/min)，所以会导致部分粉末经过焦点处受热时间变短且受热不充分。熔覆成形过程中容易造成由温度差、相变引起的残余应力，形成熔覆层孔隙、裂纹等。

综上，传统激光熔覆如图2所示，熔覆时形成的熔池在激光焦点以下，大部分的激光能量主要被基体吸收而形成较大熔池和稀释率；不偏焦的高速熔覆状态如图3所示，熔覆时粉束经过激光焦点，这样在高速扫描状态下，粉束能够吸收一部分激光能量从而能达到预热的效果。但是由于传统光路不是偏焦光路，激光焦点很小，部分粉末经过焦点处熔化不充分，同时跟传统激光熔覆一样在较大离焦量下，激光光斑占空比较大，粉束在中部可能出现熔不透的现象，造成熔道中部缺陷。

因此，亟待提供一种新的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，通过水平偏移环形离轴抛物聚焦镜即改变母抛物线的焦点位置，以实现环形光斑能量密度的均匀化，提高激光束与粉末耦合作用、提高金属粉末利用率并改善熔覆质量和形貌。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光分为环形光，经过聚焦后形成偏焦环形光斑，作用于基体表面；

步骤二、进行基体表面熔覆时，根据不同的材料，选择激光参数；

步骤三、喷粉管竖直向下，进行出粉；

步骤四、进行激光扫描，每当熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动光斑直径的20～80％；

步骤五、根据不同的涂层厚度要求，重复步骤二至四；

步骤六、熔覆过程中为了防止熔覆层氧化，选取保护气进行保护，同时保护气吹向在空中熔化的粉末，使空中熔化的粉末具有一定的速度喷向基体表面，使得熔覆层与基体之间的结合牢固；

步骤七、在基体表面进行涂层熔覆。

优选的，所述步骤一中，通过分光镜将激光分为环形光，环形光经过反射镜再次聚焦后成偏焦环形光斑。

优选的，所述反射镜包括圆锥反射镜和环形离轴抛物聚焦镜，所述圆锥反射镜面对所述环形光设置，所述环形离轴抛物聚焦镜与所述圆锥反射镜相对并同轴设置。

优选的，所述步骤一中通过水平偏移环形离轴抛物聚焦镜，改变母抛物线的焦点位置，采用正离焦工艺，使粉末经过激光焦点受热充分后再进入基体表面的熔池中。

优选的，所述步骤二中，激光参数包括激光功率、离焦量和光斑直径，所述激光功率为0.8KW～4KW，所述离焦量为0～+3，所述光斑直径为1mm～3.8mm。

优选的，所述步骤三中，所述喷粉管居中设置，所述喷粉管的送粉速率为10～50g/min，所述喷粉管的出粉口距离激光焦点5～10mm，粉末粒度为18～53μm。

优选的，所述步骤四中，激光扫描速度为0.15～0.6m/s。

优选的，所述步骤六中，保护气采用稀有气体，保护气采用0.1～0.3bar。

优选的，所述保护气为氮气或氩气。

优选的，所述步骤七中，所述基体为管材，喷头位于所述管材正上方沿管材轴线方向持续移动，形成螺纹搭接熔覆层；

或者所述基体为竖直平面，所述喷头在竖直平面上进行高速熔覆生成表面涂层；

或者所述基体非规则曲面，所述喷头在所述非规则曲面进行自由成形。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明可根据所需要的功率和功率密度调节工作光斑大小，所调节产生的光斑的直径增大的同时保证工作光斑为小占空比环形光斑或实心光斑；因此在扫描成形过程中，可以改善扫描线中心能量高外侧能量少的缺陷，最终以提供一种具有可变大光斑高熔覆效率、高粉末利用率、高良品率且能够得到表面平整、结合力强的熔覆涂层的激光内送粉高速熔覆方法；同时由于光束中空，粉末居中的特点，能够在非规则曲面自由成形。本发明能够代替传统的电镀等污染大的行业，解决等离子喷涂结合性差和传统激光熔覆效率慢等缺点。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中光内不偏焦激光原理图；

图2为传统激光熔覆原理图；

图3为光内不偏焦激光熔覆原理图；

图4为本发明光内偏焦激光高速熔覆粉末受热图；

图5为本发明环形中空偏焦激光原理图；

图6为本发明沿管材轴线方向形成螺纹搭接熔覆层示意图；

图7为本发明在竖直平面上进行高速熔覆生成表面涂层示意图；

图8为本发明在非规则曲面进行自由成形示意图。

图中，1-光纤出口；3-准直镜；6-光轴中心线；7-环形离轴抛物聚焦镜；9-喷嘴；10-粉束；27-喷粉管；101-未受热粉末；102-已受热粉末；103-熔池；104-宽斑小占空比光斑位置；105-最大实心光斑位置；106-最小实心光斑位置；107-原抛物面；108-现抛物面；109-聚焦平面；110-聚焦圆环；111-最大实心光斑光能分布；112-最小实心光斑光能分布；113-正离焦下光斑光能分布；114-负离焦下光斑光能分布；121-激光焦点平面；122-基体；123-激光；124-熔覆层。

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实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，通过改变环形聚焦抛物镜的水平方向尺寸即改变母抛物线焦点的偏焦量，而且实现环形光斑能量密度的均匀化，提高激光束与粉末耦合作用、提高金属粉末利用率并改善熔覆质量和形貌。

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。

实施例一

如图4-8所示，本实施例提供一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，包括以下步骤：

步骤一、采用分光镜将激光123分为环形光，经过反射镜再次聚焦后成偏焦环形光斑，作用于基体122表面；本实施例中通过改变环形聚焦抛物镜反射面的水平方向位置即改变母抛物线焦点的偏焦量，形成偏焦光路使激光123交汇处区域变大，粉末经过激光焦点后受热充分。具体地，本实施例在对环形离轴抛物聚焦镜7进行机加工时，减少车刀的水平入刀深度，从而改变环形离轴抛物聚焦镜7的反射面水平方向位置(即改变环形离轴抛物聚焦镜7中部环形通孔的大小)，从而使母抛物线聚焦焦点的水平偏移。

如图4所示，本实施例中偏焦激光光内送粉高速熔覆成形得到单道、搭接层的稀释率值都相对较小，熔覆材料和基体122材料在熔池103中搅拌混合，基体122中会有大量的元素向上扩散。

本实施例中，喷粉管27居中，粉束10汇聚性好，可以在非规则曲面自由生成涂层；本实施例中采用正离焦工艺，使粉末经过激光123焦点受热后充分后再进入基体122表面的熔池103中。

步骤二、进行基体122表面熔覆时，根据不同的材料，激光123功率选用0.8KW～4KW，离焦量选用0～+3，光斑直径1mm～3.8mm。

步骤三、送粉速率为10～50g/min，喷粉管27竖直向下，出粉口距离激光123焦点5～10mm，粉末粒度为18～53μm。

步骤四、激光123扫描速度为0.15～0.6m/s，每当熔覆完一道之后，沿激光123扫描速度的垂直方向移动光斑直径的20～80％。

步骤五、根据不同的涂层厚度要求，重复步骤二至四，获取合适的工艺参数，达到要求。

步骤六、熔覆过程中为了防止熔覆层124氧化，选取氮气、氩气或者其它稀有气体进行保护，保护气不宜过大或过小，保护气过大熔覆层124中会有气孔出现，保护气过小达不到保护范围，熔覆层124氧化，其中保护气优选采用0.1～0.3bar。同时保护气吹向在空中熔化的粉末，使其具有一定的速度喷向基体122表面，使得熔覆层124与基体122之间的结合更加牢固。

步骤七在平面上获得良好的熔覆层124工艺参数后，可以在管材或者其它基体122表面进行涂层熔覆。

如图6所示，喷头位于管材正上方沿管材轴线方向以一定的速度持续移动，形成螺纹搭接熔覆层124；在竖直平面上进行高速熔覆生成表面涂层，如图7所示；也可以在非规则曲面进行自由成形，如图8所示。

本发明可以通过改变环形聚焦抛物镜的水平方向尺寸即改变母抛物线焦点的偏焦量，在正离焦量的工作平面上形成直径较大但占空比较小的环形光斑或实心工作光斑，由于减少了激光焦点正负离焦附近的光斑占空比，扩大了激光焦点处的实心聚焦光斑直径，提升了熔宽上限值，并可根据工况需要调整工作光斑上的光能分布，实现环形光斑能量密度的均匀化，提高激光束与粉末耦合作用、提高金属粉末利用率并改善熔覆质量和形貌。

此外，通过改变工作平面离焦量，能实现大尺寸中空环形光到大尺寸实心环形光的连续变化。通过偏焦的方法改变了激光焦点的聚焦形式，将小聚焦焦点变换成了大聚焦光斑，提高了实心光的可预热高度范围，对高速熔覆正离焦状态下的粉末预热时间变长，实现粉末颗粒在到达基体122前充分受热熔化呈液滴状态，减少未融粉末在基体122的反弹，提高粉末利用率和熔覆效率；由于光内送粉偏焦光束的特点，其激光123能量密度最高处不再是所汇聚一个小焦点，而是一个能量密度均匀的聚焦光斑，高速激光熔覆工作在正离焦范围内，粉末从喷粉管27喷出后首先会经过汇聚焦点，一方面通过遮挡一部分激光光束而完成预热的目的，另一方面避免了激光123熔覆涂层时需要过多的能量被基体122吸收后产生过大的稀释率，所以采用偏焦光束能更好地熔化粉末的同时降低对基体122的稀释率。

综上所述，本发明提供了一种快速在金属表面进行自由曲面熔覆，生成一种冶金结合性强、厚度薄的耐磨涂层的绿色新技术方法。

需要注意的是光路参数有离轴角θ，内光路聚焦半角α；母抛物线焦点的偏焦量Δx，以及上光路半径R_i，下光路半径R_a；其中，离轴角θ取决于母抛物面截面的选取以及母抛物面的宽度，选取更接近抛物面轴的截面会产生较小的离轴角，选择离焦点更近的抛物面截面会使反射镜中心和焦点之间的距离更短；母抛物面的宽度也影响焦距，即抛物面越宽，焦距越长。因此，为控制焦距需要合理选取截面的位置和母抛物面的宽度。

此外通过改变环形聚焦抛物镜的水平方向尺寸即改变母抛物线焦点的偏焦量Δx，最终会影响到环形离轴抛物聚焦镜7的上光路半径R_i和下光路半径R_a，从使得聚焦焦点产生偏移。这使得在正离焦量的工作平面上形成直径较大但占空比较小的环形光斑或实心工作光斑，可根据所需要的功率和功率密度调节工作光斑大小，所调节产生的光斑的直径增大的同时保证工作光斑为小占空比环形光斑或实心光斑，如图5所示。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明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 (7)

1.一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将激光分为环形光，经过聚焦后形成偏焦环形光斑，作用于基体表面；

其中，所述步骤一中，通过分光镜将激光分为环形光，环形光经过反射镜再次聚焦后成偏焦环形光斑；所述反射镜包括圆锥反射镜和环形离轴抛物聚焦镜，所述圆锥反射镜面对所述环形光设置，所述环形离轴抛物聚焦镜与所述圆锥反射镜相对并同轴设置；

所述步骤一中通过水平偏移环形离轴抛物聚焦镜，改变母抛物线的焦点位置，采用正离焦工艺，在正离焦量的工作平面上形成直径变大但占空比变小的环形光斑或实心工作光斑，使粉末经过激光焦点受热充分后再进入基体表面的熔池中；

步骤二、进行基体表面熔覆时，根据不同的材料，选择激光参数；

步骤三、喷粉管竖直向下，进行出粉；

步骤四、进行激光扫描，每当熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动光斑直径的20～80％；

步骤五、根据不同的涂层厚度要求，重复步骤二至四；

步骤六、熔覆过程中为了防止熔覆层氧化，选取保护气进行保护，同时保护气吹向在空中熔化的粉末，使空中熔化的粉末具有一定的速度喷向基体表面，使得熔覆层与基体之间的结合牢固；

步骤七、在基体表面进行涂层熔覆。

2.根据权利要求1所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述步骤二中，激光参数包括激光功率、离焦量和光斑直径，所述激光功率为0.8KW～4KW，所述离焦量为0～+3，所述光斑直径为1mm～3.8mm。

3.根据权利要求1所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述步骤三中，所述喷粉管居中设置，所述喷粉管的送粉速率为10～50g/min，所述喷粉管的出粉口距离激光焦点5～10mm，粉末粒度为18～53μm。

4.根据权利要求1所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述步骤四中，激光扫描速度为0.15～0.6m/s。

5.根据权利要求1所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述步骤六中，保护气采用稀有气体，保护气采用0.1～0.3bar。

6.根据权利要求5所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述保护气为氮气或氩气。

7.根据权利要求1所述的实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，其特征在于：所述步骤七中，所述基体为管材，喷头位于所述管材正上方沿管材轴线方向持续移动，形成螺纹搭接熔覆层；

或者所述基体为竖直平面，所述喷头在竖直平面上进行高速熔覆生成表面涂层；

或者所述基体非规则曲面，所述喷头在所述非规则曲面进行自由成形。

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