CN114686873B - 一种宽带高速激光熔覆方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带高速激光熔覆方法和系统，方法包括：获取用户需求，根据用户需求匹配相应的激光工作头；获取通过控制单元设定的所述激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数并发送执行单元；激光工作头提供宽带高速熔覆所需要的光斑形式，高精度的送粉单元提供相适应的金属粉末供给；激光工作头进行光束整形达到满足高速熔覆所需的光斑尺寸形状；将提供的金属粉末物料进行熔化并与加工工件形成宽带激光熔覆层。本发明提供的宽带高速激光熔覆方法和系统，具有大功率，光斑面积大，激光熔覆线速度快，控制精确的特点，工作效率、智能化程度高，适用范围大，能够满足目前制造业的多种需求。

Description

一种宽带高速激光熔覆方法和系统

技术领域

本发明属于激光制造技术领域，具体涉及一种宽带高速激光熔覆方法和系统。

背景技术

激光熔覆，就是使用高能激光束将金属材料熔化并且与基体材料产生冶金结合，广泛用于材料表面强化、修复等。对于一些大型工件，如大型轴类零件表面、大面积平面激光熔覆等场合，利用宽带激光扫描一次扫过的面积大，能够大大提高熔覆效率，并由于减少了搭接次数而提高了熔覆层质量。激光熔覆技术是利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密覆层。目前现有的激光熔覆以及激光高速熔覆也存在的一定的技术短板，成本虽然已经大幅度降低、效率方面也有改进和提升，但是目前制造业的需求仍不能满足，因此需要一种宽带高速激光熔覆方法的以解决现有的激光熔覆以及激光高速熔覆技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带高速激光熔覆方法和系统，以解决现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的效率较低，不能满足制造业实际需求问题，通过使用大功率的激光器，优化控制方法和工艺，形成了一种宽带高速激光熔覆方法，工作效率明显提升，控制更加智能化，本方法提出的宽带高速激光熔覆方法和系统可应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，以适应目前制造业的多种需求。

为达到上述目的，本发明提供了一种宽带高速激光熔覆方法，所述方法包括：

获取用户需求，根据用户需求匹配相应的激光工作头；获取通过控制单元设定的所述激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数并发送执行单元；所述激光工作头提供宽带高速熔覆所需要的光斑形式，高精度的送粉单元提供相适应的金属粉末供给；所述激光工作头进行光束整形达到满足高速熔覆所需的光斑尺寸形状；将提供的金属粉末物料进行熔化并与加工工件形成宽带激光熔覆层。

进一步地，所述激光工作头进行光束整形达到满足高速熔覆所需的光斑尺寸形状之后包括：实时监测宽带高速激光熔覆过程中动态信息并发送控制单元处理；判断激光熔覆工艺参数是否需要调整。

进一步地，所述实时监测宽带高速激光熔覆过程中动态信息并发送控制单元处理包括：

获取宽带高速激光熔覆过程中动态信息；

将所述动态信息与对应设定正常范围值进行比对，并发送到控制单元进行实时显示和/或存储；

判断所述动态信息是否正常；

进行报警提示并进行自调整。

进一步地，所述激光工作头配置有功率为6000～20000W的激光器；所述激光工作头耐受激光器功率为20000～30000W。

进一步地，所述光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm的线光斑。

可选地，所述激光工作头工作参数为包含的所述激光器的功率值；所述宽带高速激光熔覆工艺参数包括粉末供给量、工作线速度、制冷量、离焦量、扫描速度、预热温度中的至少一项。

可选地，所述动态信息包括工作温度、保护镜清洁状态、熔池状态、送粉状态中的至少一项。

优选地，所述粉末供给量为80～300g/min、所述工作线速度为10～200m/min、所述制冷量≥6匹。

本发明还提供了一种宽带高速激光熔覆系统，用于实现宽带高速激光熔覆方法。所述宽带高速激光熔覆系统包括：

执行单元，将设置的相关参数信息提供给相关执行装置部件，实现工作头、加工工件以及送粉机构等的运动执行，将相关参数进行反馈、执行相关操作；

激光工作头，提供能量分布稳定、可长期使用、粉末配合良好的光、粉关键控制部件，具备双保护镜，具备气体、冷却水等接口，对所述工作温度、所述保护镜清洁状态、所述熔池状态、所述送粉状态等动态信息进行监测并反馈监测信息；

送粉单元，为所述宽带高速激光熔覆系统提供稳定的粉末供给，并反馈所述送粉状态信息，便于实现精确控制；

控制单元，对所述执行单元、所述激光工作头、所述送粉单元、所述宽带高速激光熔覆系统中的一些辅助系统各种信息进行接收、分析、处理、分发等操作，实现所述宽带高速激光熔覆系统的正常运行。

本发明涉及一种宽带高速激光熔覆方法和系统，有益效果为：本发明提供的宽带高速激光熔覆方法和系统，具有大功率，光斑面积大，激光熔覆线速度快，控制精确的特点，工作效率、智能化程度高，适用范围大，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的效率较低，不能满足制造业实际需求问题，通过使用大功率的激光器，优化控制方法和工艺，形成了一种宽带高速激光熔覆方法和系统，本方法提出的宽带高速激光熔覆方法和系统可广泛应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，能够满足目前制造业的多种需求。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的宽带高速激光熔覆方法步骤流程图；

图2是本发明实施例二提供的宽带高速激光熔覆方法步骤流程图；

图3是本发明实施例二提供的动态信息监测方法步骤流程图；

图4是本发明实施例三提供的宽带高速激光熔覆系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的宽带高速激光熔覆方法步骤流程图；如图1所示，本发明实施例一提供的宽带高速激光熔覆方法，所述方法包括：

步骤S100，获取用户需求，根据用户需求匹配相应的激光工作头。

在实施宽带高速激光熔覆前，需要根据工件的大小、形状、材料、精度等信息需要选配不同的激光工作头，激光工作头可根据激光器功率大小、激光支路个数等形成多种规格，有时候，还需要在激光工作头上附加多种功能的零部件，以实现温度监控、清洁度检测、熔池检测等功能。如：对于小型工件，我们可以选择功率小的激光工作头。

可选地，本实施例提供的宽带高速激光熔覆方法中，所述激光工作头配置有功率为6000～20000W的激光器；所述激光工作头耐受激光器功率为20000～30000W。通过使用大功率的激光器，为实现宽带高速激光熔覆方法提供足够的能量，因此，选择一款相匹配的激光工作头是实现宽带高速激光熔覆的重要环节，可以提高工作效率，降低损耗、提高熔覆效果等。另外，随着激光器功率的提升，激光工作头的耐受功率和耐受温度也需要相应提升，需进行优化设计或增加冷却措施等手段，以适应宽带高速激光熔覆方法的实现。

步骤S102，获取通过控制单元设定的所述激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数并发送执行单元。

本实施例提供的宽带高速激光熔覆方法中，控制单元包含控制程序，通过控制程序的人机交互界面能够实现激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数的设置和保存。

可选地，激光工作头工作参数为包含的所述激光器的功率值；所述宽带高速激光熔覆工艺参数包括粉末供给量、工作线速度、制冷量、离焦量、扫描速度、预热温度中的至少一项。例如：我们选定的激光器的最大功率为20000W，可以根据需要通过控制单元人机交互界面设定激光器工作时的功率为20000W以下的任意值，如15000W、10000W等；而其他诸如粉末供给量可以设定为80～300g/min之间的任意值或不同档位、所述工作线速度可以设定为10～200m/min之间的任意值或不同档位；所述制冷量为最大不小于6匹，可以进行调整，但是我们可以根据需要进行设定即可，当工件比较小，激光工作头的工作功率比较小时，制冷量可以选择6匹以下的任意参数值或不同档位。

控制单元同时是宽带高速激光熔覆系统的控制核心，能够实现对送粉单元、执行单元、激光工作头及附属系统的集中控制；参数设定完成后，控制单元将设定的激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数发送执行单元，实现所述激光工作头、加工工件以及送粉稳定供给等运动执行机构，或参数反馈以及执行相关操作。

步骤S104，激光工作头提供宽带高速熔覆所需要的光斑形式，高精度的送粉单元提供相适应的金属粉末供给。

优选地，所述光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm的线光斑。光斑形式通过激光工作头内部光学系统和激光工作头的喷嘴外形结构进行确定。

根据设定的粉末供给量，高精度的送粉单元提供相适应的金属粉末供给，其控制单元内部包括送粉量动态拟合、送粉量、存粉量实时监控传感器等关键部件，从而实现相匹配的金属粉末供给；而送粉单元中的喷嘴决定了在宽带高速熔覆过程中各个宽带细部位置的给料量、给料速度、给料精度等指标。

步骤S106，激光工作头进行光束整形达到满足高速熔覆所需的光斑尺寸形状；

本步骤中，光斑尺寸形状通过激光工作头内部光学系统和工作头的喷嘴外形结构进行确定，实现对光束的整形，根据需求可以整形为光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm范围内任意值或区分不同档位的线光斑。

步骤S108，将提供的金属粉末物料进行熔化并与加工工件形成宽带激光熔覆层。

本步骤中，根据激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数，送粉单元通过喷嘴在工件表面添加金属粉末物料，并利用高能密度的激光束使金属粉末物料与工件表面薄层一起熔化，随着加工工件的运动和激光工作头的运动，持续的在加工工件表面形成与其为冶金结合的宽带激光熔覆层，从而实现加工工件的修补和再制造，节约了生产成本。

本发明实施例一提供的宽带高速激光熔覆方法，具有大功率，光斑面积大，激光熔覆线速度快，工作效率高，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的效率较低，不能满足制造业实际需求问题。

实施例二

图2示出了本发明实施例二提供的宽带高速激光熔覆方法步骤流程图；图3示出了本发明实施例二提供的动态信息监测方法步骤流程图。本发明实施例二提供的宽带高速激光熔覆方法，相比于实施例一，步骤S200同步骤S100，步骤S202同步骤S102，步骤S204同步骤S104，步骤S206同步骤S106，步骤S202同步骤S108，在此不再进行赘述。仅对与实施例一不同之处进行说明，相比于实施例一，本实施例二增加了步骤S208和步骤S210，下面对这两个步骤进行详细说明。

步骤S208，实时监测宽带高速激光熔覆过程中动态信息并发送控制单元处理。

本步骤中，可选地，所述动态信息包括工作温度、保护镜清洁状态、熔池状态、送粉状态中的至少一项。当然，对动态信息进行更多的监测，可以实时的判断宽带高速激光熔覆系统的工作状态，便于为实现自动化、智能化控制提供更多的信息。其中，步骤S208包括步骤S300、步骤S302、步骤S304、步骤S306，具体步骤分别如下：

步骤S300，获取宽带高速激光熔覆过程中动态信息。

通过控制单元、激光工作头、送粉单元中的相关监测模块，在宽带高速激光熔覆过程中，我们可以实时的得到一些动态信息，如激光工作头工作温度、保护镜清洁状态等。其中动态信息采集的时间间隔可以进行人工设定或自动设定。

步骤S302，将所述动态信息与对应设定正常范围值进行比对，并发送到控制单元进行实时显示和/或存储。

将实时的得到动态信息，如激光工作头工作温度、保护镜清洁状态等与设定的正常值进行实时比对，可以确定实时采集的动态信息是否在设定范围内。同时，也可以将采集到的实时动态信息发送到控制单元的显示终端进行实时显示，以使操作人员实时了解宽带高速激光熔覆过程中动态信息；当然，显示的同时也可以对采集的所有动态信息进行存储，便于后续进行数据查询和分析，为自动化控制、智能化控制提供有效数据参考。例如：实时采集的激光工作头温度为Ti，所设定的正常值范围为T±T1，激光工作头温度Ti将会实时的显示在显示终端，同时控制单元也会实时的判断Ti是否在T±T1范围内。

步骤S304，判断所述动态信息是否正常。

参照步骤S302，当采集的所有动态信息在设定的正常值范围内，控制单元会判定为正常，则返回到步骤S300；当采集的任一项动态信息超出设定的正常值范围，控制单元会判断为动态信息异常。如：以激光工作头温度为例，当实时激光工作头温度Ti不在T±T1范围内时，控制单元会显示动态信息异常，将会在显示终端进行及时显示异常信息。

步骤S306，进行报警提示并进行自调整。

当步骤步骤S304中有异常信息时，控制单元会发出报警提示，报警的方式可以为声音、文字、图形、灯光等中的至少一种方式。

进一步地，作为一种智能的监控方式，控制单元可以在一定范围内根据动态信息、激光工作头工作参数、宽带高速激光熔覆工艺参数进行自调整，进行自适应调整控制。如：以激光工作头温度为例，当实时激光工作头温度Ti超出T±T1范围内时，控制单元会显示动态信息异常，同时控制单元自动调整激光器功率值，在设定的合理的范围内自动降低或增大激光器功率，从而确保激光工作头温度Ti在T±T1范围内。如果在设定的合理的范围通过自动降低或增大激光器功率方法还不能保证光工作头温度Ti在T±T1范围内，则控制单元会进行相应报警，并提示操作人员进行相应操作。

进一步地，还可以扩展动态信息及激光工作头工作参数、宽带高速激光熔覆工艺参数相关联的多种自适应算法和优化方法，减少人为干预程度，提高宽带高速激光熔覆系统智能化水平。

步骤S210，判断激光熔覆工艺参数是否需要调整。

当通过步骤S306能够实现控制单元自调整时，则顺利转入步骤S212，当通过步骤S306不能实现控制单元自调整时，控制单元会通知操作人员进行步骤S202的操作，从而保证宽带高速激光熔覆系统正常运行。

本发明实施例二提供的宽带高速激光熔覆方法，具有大功率，光斑面积大，激光熔覆线速度快，控制精确的特点，工作效率、自动化、智能化程度高，适用范围大，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的效率较低、智能化程度低、不能满足制造业实际需求问题，更能够满足目前制造业的多种需求。

实施例三

本实施例三提供了一种宽带高速激光熔覆系统，图4示出了本发明实施例三提供的宽带高速激光熔覆系统框图。通过本实施例三中的宽带高速激光熔覆系统可执行如图1和/或图3所示出的宽带高速激光熔覆方法。具体地，宽带高速激光熔覆系统包括：

执行单元402，将设置的相关参数信息提供给相关执行装置部件，实现工作头、加工工件以及送粉机构等的运动执行，将相关参数进行反馈、执行相关操作。

激光工作头403，提供能量分布稳定、可长期使用、粉末配合良好的光、粉关键控制部件，具备双保护镜，具备气体、冷却水等接口，内置大功率激光器和相关监测模块，对所述工作温度、所述保护镜清洁状态、所述熔池状态、所述送粉状态等动态信息进行监测并反馈监测信息。

送粉单元404，为所述宽带高速激光熔覆系统提供稳定的粉末供给，并反馈所述送粉状态信息，便于实现精确控制。

控制单元401，对所述执行单元402、所述激光工作头403、所述送粉单元404、所述宽带高速激光熔覆系统中的一些辅助系统各种信息进行接收、分析、处理、分发等操作，实现所述宽带高速激光熔覆系统的正常运行。

本发明提供的宽带高速激光熔覆方法和系统，具有大功率，光斑面积大，激光熔覆线速度快，控制精确的特点，工作效率、智能化程度高，适用范围大，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的效率较低，不能满足制造业实际需求问题，通过使用大功率的激光器，优化控制方法和工艺，形成了一种宽带高速激光熔覆方法和系统，本方法提出的宽带高速激光熔覆方法和系统可广泛应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，能够满足目前制造业的多种需求。

需要指出，根据实施的需要，可将本发明实施例中描述的各个步骤拆分为更多步骤，也可将两个或多个步骤或者步骤的部分操作组合成新的步骤，以实现本发明实施例的目的。

上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如ASIC或FPGA)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，RAM、ROM、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的宽带高速激光熔覆方法。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种宽带高速激光熔覆方法，其特征在于，所述方法包括：

获取用户需求，根据用户需求匹配相应的激光工作头；所述激光工作头配置有功率为6000～20000W的激光器；所述激光工作头耐受激光器功率为20000～30000W；

获取通过控制单元设定的所述激光工作头工作参数和宽带高速激光熔覆工艺参数并发送执行单元；

所述激光工作头提供宽带高速熔覆所需要的光斑形式，高精度的送粉单元提供相适应的金属粉末供给；所述光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm的线光斑；

所述激光工作头进行光束整形达到满足高速熔覆所需的光斑尺寸形状；之后，实时监测宽带高速激光熔覆过程中动态信息并发送控制单元处理；判断激光熔覆工艺参数是否需要调整；

将提供的金属粉末物料进行熔化并与加工工件形成宽带激光熔覆层；

其中，所述实时监测宽带高速激光熔覆过程中动态信息并发送控制单元处理包括：

获取宽带高速激光熔覆过程中动态信息；

将所述动态信息与对应设定正常范围值进行比对，并发送到控制单元进行实时显示和/或存储；

判断所述动态信息是否正常；

进行报警提示并进行自调整。

2.根据权利要求1所述的宽带高速激光熔覆方法，其特征在于，所述激光工作头工作参数为包含的所述激光器的功率值；所述宽带高速激光熔覆工艺参数包括粉末供给量、工作线速度、制冷量、离焦量、扫描速度、预热温度中的至少一项。

3.根据权利要求1所述的宽带高速激光熔覆方法，其特征在于，所述动态信息包括工作温度、保护镜清洁状态、熔池状态、送粉状态中的至少一项。

4.根据权利要求2所述的宽带高速激光熔覆方法，其特征在于，所述粉末供给量为80～300g/min、所述工作线速度为10～200m/min、所述制冷量≥6匹。

5.一种宽带高速激光熔覆系统，用于实现权利要求1-4任一所述宽带高速激光熔覆方法，其特征在于，所述宽带高速激光熔覆系统包括：

执行单元，将设置的相关参数信息提供给相关执行装置部件，实现工作头、加工工件以及送粉机构等的运动执行，将相关参数进行反馈、执行相关操作；

激光工作头，提供能量分布稳定、可长期使用、粉末配合良好的光、粉关键控制部件，具备双保护镜，具备气体、冷却水等接口，对工作温度、保护镜清洁状态、熔池状态、送粉状态等动态信息进行监测并反馈监测信息；

送粉单元，为所述宽带高速激光熔覆系统提供稳定的粉末供给，并反馈所述送粉状态信息，便于实现精确控制；

控制单元，对所述执行单元、所述激光工作头、所述送粉单元、所述宽带高速激光熔覆系统中的一些辅助系统各种信息进行接收、分析、处理、分发等操作，实现所述宽带高速激光熔覆系统的正常运行。