CN114574854B - 一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法，包括电子计算机，电子计算机控制有激光熔覆制造模块和脉冲激光调光模块；脉冲激光调光模块包括脉冲激光器和调光机架，调光机架外壁设有光纤接入口，脉冲激光器通过设有脉冲激光光纤连接光纤接入口，光纤接入口配设有可往复转动的第一反射镜，第一反射镜的两侧分别设有第一振镜和第二反射镜，第二反射镜在第一振镜所在的另一侧设有第二振镜。通过调光机架的设置，以解决在复杂轨迹下，脉冲激光不能跟随连续激光的加工动作一直作用于熔池后方的技术问题。

Description

一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，尤其涉及一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法。

背景技术

激光熔覆是一种表面改性技术，又叫激光熔敷或激光包覆。激光熔覆技术通过利用一定功率密度和扫描速度的激光束作用在同步送入的或预制于基材表面的功能性材料上，功能性材料与基材共同熔化、快速冷却、凝固成具有良好冶金结合的熔覆层。激光熔覆能够显著改善基材表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗氧化性及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素，被广泛应用于轨道交通、工程机械等领域。

但是，激光熔覆涂层内会存在微观成分偏析、择优取向引起的粗大树枝晶等问题，这些问题严重阻碍了激光熔覆技术大规模应用。利用脉冲激光原位辅助激光熔覆时，脉冲激光产生的压力波持续时间为几百个纳秒、峰值压力可达100MPa，作用在熔覆层未凝固部分后，可以获得晶粒细化、显微硬度提高的涂层。目前采用的加工方法为固定主激光头和脉冲激光透镜，通过微调脉冲激光的偏转范围，实现对熔覆层不同区域的冲击。

一般而言，压力波作用在连续激光4产生的熔池后方区域，对熔池或热硬区冲击可以获得性能较好的涂层。然而，如图1所示的加工方法，将连续激光4与脉冲激光1保持同一姿态，仅适合于连续激光4与脉冲激光1同时向右做直线运动，方可实现脉冲激光1作用于熔池后方区域，如图2中的a轨迹所示，将连续激光与脉冲激光固联的情况下，做出水平向右外的任意运动，如图2中b和c所示的轨迹时，都不能实现脉冲激光1作用在熔池后方，不能实现复杂轨迹下脉冲激光1跟随连续激光4之后的加工动作，不能获得复杂轨迹下晶粒细化、显微硬度提高的涂层。为此，设计出一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法，以解决在复杂轨迹下，脉冲激光不能跟随连续激光的加工动作一直作用于熔池后方的技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置及使用方法的具体技术方案如下：

一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，包括电子计算机，电子计算机控制有激光熔覆制造模块和脉冲激光调光模块；激光熔覆制造模块包括连续激光器和移动架，连续激光器通过设有连续激光光纤对接有激光头，激光头垂直固定于移动架，激光头配设有水冷装置、输送保护气装置和输送金属粉末装置，激光头下方设有工作台；脉冲激光调光模块包括脉冲激光器和调光机架，调光机架外壁设有光纤接入口，脉冲激光器通过设有脉冲激光光纤连接光纤接入口，光纤接入口配设有可往复转动的第一反射镜，第一反射镜的两侧分别设有第一振镜和第二反射镜，第二反射镜在第一振镜所在的另一侧设有第二振镜，通过调光机架的设置，以解决在复杂轨迹下，脉冲激光不能跟随连续激光的加工动作一直作用于熔池后方的技术问题，所述调光机架为V字形的盒体，第二反射镜固定设于盒体内腔的折角处，第一反射镜通过设有电机控制转动，第一振镜和第二振镜分别位于盒体内腔的两端，调光机架为V字形结构，占有空间小，折线结构的盒体有利于按激光直线传播的特点，在调光机架内部布局反射镜和振镜，节省工业空间的同时，使本装置结构更加紧凑。

进一步的，所述第一反射镜和第二反射镜垂直设置，更加优化调光机架内部的布局，更有利于对调光机架内部激光的方向的把控。

进一步的，所述调光机架和激光头之间设有垂直方向的移动副，调光机架可在移动副上下移动，通过调光机架在Z轴上下移动，使脉冲激光的焦平面与所需连续激光的焦平面按需同时施加在基材表面。

进一步的，所述脉冲激光光纤和光纤接入口之间设有准直系统，为了提高脉冲激光准直的精度，关键是使脉冲激光的平行光束进入调光机架时稳定性高，不能有漂移，可以分布有稳定的中心。

进一步的，所述工作台上方设有CCD相机，用以更加准确地捕捉激光，便于调控设备和作业进度。

一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置使用方法，包括上述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，具体步骤为：

Ⅰ，将基材置于工作台上，选择连续激光功率、连续激光扫描速度、输送金属粉末装置的送粉量和输送保护气装置的送气量，根据试样加工要求在电子计算机中绘制加工曲线；

Ⅱ，按需配设脉冲激光所用的脉冲能量、脉冲频率、脉冲激光与连续激光间隔时间；

Ⅲ，开始加工，以脉冲激光工作时刻连续激光作用的点为原点，建立坐标系，将脉冲激光作用的位置与原点相连，形成一条以原点为起点，经过脉冲激光作用位置的射线，若射线与坐标系X轴正方向形成的夹角θ位于0°≤θ<180°时进入步骤Ⅳ，当夹角θ位于180°≤θ<360°时进入步骤Ⅴ；

Ⅳ，当夹角θ位于0°≤θ<180°时，脉冲激光作用的位置在原点亦即连续激光右侧，此时，如果旋转电机已经偏转，则逆时针旋转90°使旋转电机达到复位状态使第一反射镜平行于第二反射镜，由脉冲激光光纤引入的入射脉冲激光经由第一反射镜打到第二反射镜上，经第二反射镜反射后形成射入第二振镜的激光，此时，由第二振镜将脉冲激光打到指定位置；

Ⅴ，当夹角θ位于180°≤θ<360°时，脉冲激光作用的位置在原点亦即连续激光左侧，此时，若旋转电机处于复位状态，则控制旋转电机顺时针旋转90°使第一反射镜由平行于第二反射镜调整为垂直于第二反射镜，此时，由脉冲激光光纤引入的入射脉冲激光经由第一反射镜形成射入第一振镜的激光，由第一振镜将脉冲激光打到指定位置。

进一步的，所述旋转电机调整时间在脉冲激光工作间隔内。

相比较现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

1.通过调光机架的设置，可以灵活控制辅助脉冲激光出光的位置，能够适应复杂路径，可以实现辅助脉冲激光产生的冲击波作用在连续激光产生的熔池后方区域，能够获得晶粒细化的涂层，实现复杂轨迹下脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆，同时提高脉冲激光原位辅助激光熔覆的加工效率，高度自动化且操作调整方便。

2.本发明通过脉冲激光的引入，可以使连续激光形成的熔池凝固行为发生变化，能够实现精准调控熔池的目的。

附图说明

图1为连续激光与脉冲激光保持同一位置的示意图；

图2为连续激光与脉冲激光保持同一姿态加工轨迹示意图，a为水平向右直线运动，b为水平向左直线运动，c为水平向后直线运动；

图3为本发明一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置的结构示意图；

图4为图3中调光机架A-A处，当夹角θ位于0°≤θ<180°时的工作状态示意图；

图5为图3中调光机架A-A处，当夹角θ位于180°≤θ<360°时的工作状态示意图；

图6为加工轨迹示意图。

图中标号说明：1.脉冲激光，2.工作台，3.准直系统，4.连续激光，5.调光机架，51.光纤接入口，6.水冷装置，7.输送保护气体装置，8.输送金属粉末装置，9.移动架，10.激光头，11.CCD相机，12.连续激光光纤，13.脉冲激光光纤，131.入射脉冲激光，14.脉冲激光器，15.连续激光器，16.电子计算机，17.第一振镜，171.射入第一振镜的激光，18.旋转电机，19.第一反射镜，20.第二反射镜，21.第二振镜，211.射入第二振镜的激光，22.基材。

具体实施方式：

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图详解。

如图3所示，设计出一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，包括电子计算机16，电子计算机16可以选用电脑或工控机，所述电子计算机16控制有激光熔覆制造模块和脉冲激光调光模块；激光熔覆制造模块包括连续激光器15和移动架9，连续激光器15通过设有连续激光光纤12对接有激光头10，激光头10垂直固定于移动架9，实现对路径的运动，激光头10配设有水冷装置6、输送保护气装置7和输送金属粉末装置8，金属粉末和保护气通过同轴或旁轴的方式运送至激光头10并与激光作用后输送至基材22表面，金属粉末可选金属粉末为铜基材料或铁基材料或钴基材料或镍基材料或铝基材料或金属间化合物基材料，保护气体为惰性气体，水冷装置6的冷却水与激光头10连接，对其降温，激光头10下方设有工作台2；脉冲激光调光模块包括脉冲激光器14和调光机架5，调光机架5外壁设有光纤接入口51，脉冲激光器14通过设有脉冲激光光纤13连接光纤接入口51，光纤接入口51在脉冲激光1进入调光机架5时的前方方向配设有可往复转动的第一反射镜19，第一反射镜19的两侧分别设有第一振镜17和第二反射镜20，第二反射镜20在第一振镜17所在的另一侧设有第二振镜21，通过调光机架5的设置，可以灵活控制辅助脉冲激光1出光的位置，能够适应复杂工作路径，可以实现辅助脉冲激光产生的冲击波作用在连续激光4产生的熔池后方区域，能够获得晶粒细化的涂层，实现复杂轨迹下脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆，同时提高脉冲激光原位辅助激光熔覆的加工效率，高度自动化且操作调整方便。连续激光器15及脉冲激光器14与电子计算机16相连，通过软件实现加工曲线的绘制，如EACAD2激光打标机软件，并根据脉冲激光1的参数、脉冲激光1与连续激光4间隔时间△t及加工曲线确定脉冲激光1作用的位置。本发明通过连续激光4加热，改善材料的脆性，使得材料升温迅速、易于控制、热效率高，脉冲激光的引入，可以使连续激光形成的熔池凝固行为发生变化，能够实现精准调控熔池的目的。

此外，本申请中所述坐标系以图3为例，图3中前方为X轴正方向，右方为Y轴正方向，上方为Z轴正方向。

实施例一

本实施例提供调光机架5为V字形的盒体，所述第一反射镜19和第二反射镜20垂直设置，更加优化调光机架5内部的布局，更有利于对调光机架5内部激光的方向的把控，第二反射镜20固定设于盒体内腔的折角处，第一反射镜19通过设有旋转电机18控制转动，第一振镜17和第二振镜21分别位于盒体内腔的两端，调光机架5为V字形结构，占有空间小，折线结构的盒体有利于按激光直线传播的特点，在调光机架5内部布局反射镜和振镜，节省工业空间的同时，使本装置结构更加紧凑。所述调光机架5和激光头10之间设有垂直方向的移动副，移动副为滑动导轨机构，调光机架5可依滑动导轨机构上下移动，通过调光机架5在Z轴上下移动，使脉冲激光1的焦平面与所需连续激光4的焦平面按需同时施加在基材22表面。所述工作台2上方设有CCD相机11，用以更加准确地捕捉激光，便于调控设备和作业进度。

实施例二

本实施例提供所述调光机架5和激光头10之间设有垂直方向的移动副，移动副为丝杠导轨结构，调光机架5可在丝杠导轨结构5上下移动，通过调光机架5在Z轴上下移动，使脉冲激光1的焦平面与所需连续激光4的焦平面按需同时施加在基材表面。所述脉冲激光光纤13和光纤接入口51之间设有准直系统3，为了提高脉冲激光1准直的精度，关键是使脉冲激光1的平行光束进入调光机架5时稳定性高，不能有漂移，可以分布有稳定的中心。

基于上述系统的复杂轨迹下脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆的使用方法，包括如下步骤：

Ⅰ，将基材22置于工作台2上，选择连续激光4功率、连续激光4扫描速度、输送金属粉末装置8的送粉量和输送保护气装置7的送气量等参数，根据试样加工要求在电脑中绘制加工曲线L(t)；

Ⅱ，选择脉冲激光1所用的脉冲能量、脉冲频率、脉冲激光1与连续激光4间隔时间△t等参数；

Ⅲ，由于脉冲激光器14产生的激光为不连续激光，脉冲激光1作用的位置实际上为加工曲线L(t)上的若干个点

滞后或者重合于熔池，n＝f·(t-Δt)为加工曲线上的取点，取整为自然数，f为脉冲激光1的频率，△t为脉冲激光1与连续激光4间隔的时间；

开始加工，如图6所示，以脉冲激光1工作时刻连续激光4作用的点为原点，定义坐标系，将脉冲激光1作用的位置

与原点相连，形成一条以原点为起点，经过脉冲激光1作用位置的射线，若射线与坐标系的X轴正方向形成的夹角θ位于0°≤θ<180°时进入步骤Ⅳ，当夹角位于180°≤θ<360°时进入步骤Ⅴ；

举例示意：△t为脉冲激光1与连续激光4间隔的时间，当△t＝0时，脉冲激光1作用的位置与连续激光4作用的位置重合。当△t为0时，若f＝1Hz，在0≤t<1s内有且仅有一个脉冲激光点作用即为L(0)，在2≤t<3s有且仅有一个脉冲激光点作用，即为L(2)；若f＝10Hz时，在0≤t<1s内有十个脉冲激光点作用，分别为L(0)、L(0.1)、L(0.2)、L(0.3)、L(0.4)、L(0.5)、L(0.6)、L(0.7)、L(0.8)、L(0.9)，在2≤t<3s内也有十个脉冲激光点作用，分别为L(2.0)、L(2.1)、L(2.2)、L(2.3)、L(2.4)、L(2.5)、L(2.6)、L(2.7)、L(2.8)、L(2.9)；

当△t为其它值时，连续激光4出光△t时间段后，脉冲激光才开始出光。此时，脉冲激光1作用在基材22表面的位置点为

仍由加工曲线的起始点出发，滞后于连续激光4作用的点L(t)。当△t为0.4s时，若f＝1Hz，在0≤t<1s内有且仅有一个脉冲激光点作用即为L(0)，在2≤t<3s有且仅有一个脉冲激光点作用，即为L(2)；若f＝10Hz，在0≤t<1s内仅有六个脉冲激光点作用，分别为L(0)、L(0.1)、L(0.2)、L(0.3)、L(0.4)、L(0.5)。当△t为0.4s时，若f＝10Hz，在2≤t<3s内有十个脉冲激光点作用，分别为L(1.6)、L(1.7)、L(1.8)、L(1.9)、L(2.0)、L(2.1)、L(2.2)、L(2.3)、L(2.4)、L(2.5)。当连续激光4加工完成后，脉冲激光1仍继续工作△t时间，直至将曲线上所需加工的位置点加工完毕。

Ⅳ，如图4所示，当夹角位于0°≤θ<180°时，脉冲激光1作用的位置在原点亦即连续激光4右侧，此时，如果电子计算机16显示旋转电机18已经偏转，则逆时针旋转90°使旋转电机18达到复位状态，使第一反射镜19平行于第二反射镜20，由脉冲激光光纤13引入的入射脉冲激光经由第一反射镜19打到第二反射镜20上，经第二反射镜20反射后形成射入第二振镜的激光211，此时，由第二振镜21将脉冲激光1打到工作台22上指定位置；

Ⅴ，如图5所示，当夹角位于180°≤θ<360°时，脉冲激光1作用的位置在原点亦即连续激光左侧，此时，若电子计算机16显示旋转电机18处于复位状态，则控制旋转电机18顺时针旋转90°使第一反射镜19由平行于第二反射镜20调整为垂直于第二反射镜20，由脉冲激光光纤13引入的入射脉冲激光131经由第一反射镜19形成射入第一振镜的激光171，由第一振镜17将脉冲激光1打到工作台22上指定位置。

其中，旋转电机18调整时间应在脉冲激光1间隔内，不大于0.1秒，脉冲作用时间仅为几百纳秒，所以在0.1秒以内调整，以免对设备造成损坏。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，包括电子计算机(16)，其特征在于：所述电子计算机(16)控制有激光熔覆制造模块和脉冲激光调光模块；激光熔覆制造模块包括连续激光器(15)和移动架(9)，连续激光器(15)通过设有连续激光光纤(12)对接有激光头(10)，激光头(10)垂直固定于移动架(9)，激光头(10)配设有水冷装置(6)、输送保护气装置(7)和输送金属粉末装置(8)，激光头(10)下方设有工作台(2)；脉冲激光调光模块包括脉冲激光器(14)和调光机架(5)，调光机架(5)外壁设有光纤接入口(51)，脉冲激光器(14)通过设有脉冲激光光纤(13)连接光纤接入口(51)，光纤接入口(51)配设有可往复转动的第一反射镜(19)，第一反射镜(19)的两侧分别设有第一振镜(17)和第二反射镜(20)，第二反射镜(20)在第一振镜(17)所在的另一侧设有第二振镜(21),所述调光机架(5)为V字形的盒体，第二反射镜(20)固定设于盒体内腔的折角处，第一反射镜(19)通过设有旋转电机(18)控制转动，第一振镜(17)和第二振镜(21)分别位于盒体内腔的两端。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述第一反射镜(19)和第二反射镜(20)垂直设置。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述调光机架(5)和激光头(10)之间设有垂直方向的移动副。

4.根据权利要求1所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述脉冲激光光纤(13)和光纤接入口(51)之间设有准直系统(3)。

5.根据权利要求1所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，其特征在于，所述工作台(2)上方设有CCD相机(11)。

6.一种脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置使用方法，其特征在于，包括权利要求1-5中任意一项所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置，具体步骤为：

Ⅰ，将基材(22)置于工作台(2)上，选择连续激光(4)功率、连续激光(4)扫描速度、输送金属粉末装置(8)的送粉量和输送保护气装置(7)的送气量，根据试样加工要求在电子计算机(16)中绘制加工曲线；

Ⅱ，按需配设脉冲激光(1)所用的脉冲能量、脉冲频率、脉冲激光(1)与连续激光(4)间隔时间；

Ⅲ，开始加工，以脉冲激光(1)工作时刻连续激光(4)作用的点为原点，建立坐标系，将脉冲激光(1)作用的位置与原点相连，形成一条以原点为起点，经过脉冲激光(1)作用位置的射线，若射线与坐标系的X轴正方向形成的夹角θ位于0°≤θ<180°时进入步骤Ⅳ，当夹角θ位于180°≤θ<360°时进入步骤Ⅴ；

Ⅳ，当夹角θ位于0°≤θ<180°时，脉冲激光(1)作用的位置在原点亦即连续激光(4)右侧，此时，如果旋转电机(18)已经偏转，则逆时针旋转90°使旋转电机(18)达到复位状态使第一反射镜(19)平行于第二反射镜(20)，由脉冲激光光纤(13)引入的入射脉冲激光(131)经由第一反射镜(19)打到第二反射镜(20)上，经第二反射镜(20)反射后形成射入第二振镜的激光(211)，此时，由第二振镜(21)将脉冲激光(1)打到指定位置；

Ⅴ，当夹角θ位于180°≤θ<360°时，脉冲激光(1)作用的位置在原点亦即连续激光(4)左侧，此时，若旋转电机(18)处于复位状态，则控制旋转电机(18)顺时针旋转90°使第一反射镜(19)由平行于第二反射镜(20)调整为垂直于第二反射镜(20)，此时，由脉冲激光光纤(13)引入的入射脉冲激光(131)经由第一反射镜(19)形成射入第一振镜的激光(171)，由第一振镜(17)将脉冲激光(1)打到指定位置。

7.根据权利要求6所述的脉冲激光原位冲击辅助激光熔覆装置使用方法，其特征在于，所述旋转电机(18)调整时间在脉冲激光(1)工作间隔内，不大于0.1秒。

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