CN114959688B - 一种复合超高速激光熔覆装置及其熔覆方法 - Google Patents

一种复合超高速激光熔覆装置及其熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合超高速激光熔覆装置及其熔覆方法，包括红外光光路、蓝光光路和用于喷射熔覆材料的送粉喷嘴；所述红外光光路将红外光激光器产生的红外光最终聚焦为圆形的红外光光斑；所述蓝光光路将蓝光激光器产生的蓝光最终聚焦为圆形的蓝光光斑；所述蓝光光斑距所述红外光光斑1‑5mm，所述红外光光斑和所述蓝光光斑分别作用于不同的材料；所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述红外光光斑处或所述蓝光光斑处。本发明有两种激光光源，并分成两路光路，两类激光分别作用于基材和熔覆材料不同类型的材料，有效解决了铜、铝等高反射材料对红外激光吸收率低的问题，实现异种材料同时熔化、涂层和基体的有效结合。

Description

一种复合超高速激光熔覆装置及其熔覆方法
技术领域
本发明涉及激光增材技术领域，特别涉及一种复合超高速激光熔覆装置及熔覆方法。
背景技术
超高速激光熔覆是通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使粉末材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工艺特性的工艺方法，具有优质、高效、绿色等优势。
在现代工业中，许多零部件处于十分复杂的工况环境，往往对表面有特殊的性能需求，如高耐蚀、导热、导电等，需要在钢铁材料基体表面制备铜、铝等合金材料涂层，而这一类金属对红外波段激光的反射率高，能量利用率低，且超高速激光熔覆在基体表面形成的熔池较浅，单一波段的激光难以实现粉末与基体的同时熔化，从而导致涂层与基体无法有效结合。因此，设计一种双波段激光的复合超高速激光熔覆装置尤为必要。
发明内容
本发明提供一种复合超高速激光熔覆装置及熔覆方法，目的在于解决异种材料难以同时熔化的问题，实现超高速激光熔覆涂层与基体有效结合。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种复合超高速激光熔覆装置，包括红外光光路、蓝光光路和用于喷射熔覆材料的送粉喷嘴；
所述红外光光路将红外光激光器产生的红外光最终聚焦为圆形的红外光光斑；
所述蓝光光路将蓝光激光器产生的蓝光最终聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述蓝光光斑距所述红外光光斑1-5mm，所述红外光光斑和所述蓝光光斑分别作用于不同的材料；
所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述红外光光斑处或所述蓝光光斑处。
其中，所述红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜、用于将实心红外光光束转变为环形光束的红外光圆锥镜和用于将环形光束反射成环锥形红外光光束的红外光环形聚焦镜，所述红外光激光器产生的激光沿红外光扩束准直镜、红外光圆锥镜、红外光环形聚焦镜依次传输后聚焦成为环锥形红外光光束，并最终在基材表面聚焦为圆形的红外光光斑；
所述蓝光光路包括蓝光激光器、蓝光扩束准直镜、蓝光第一反射镜、蓝光第二反射镜和蓝光球面聚焦镜，所述蓝光激光器产生的激光沿蓝光扩束准直镜、蓝光第一反射镜、蓝光第二反射镜和蓝光球面聚焦镜依次传输后聚焦成为锥形蓝光光束，并最终在基材上方聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述送粉喷嘴为同轴环形送粉喷嘴，与所述环锥形红外光光束和锥形蓝光光束的中轴线同轴，所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述蓝光光斑处。
其中，所述红外光圆锥镜位于所述红外光扩束准直镜下方，并位于所述红外光环形聚焦镜的中心位置。
其中，所述红外光圆锥镜、所述蓝光第二反射镜、所述蓝光球面聚焦镜和所述红外光光斑成直线分布，所述蓝光第二反射镜和所述蓝光球面聚焦镜位于所述环锥形红外光光束内。
其中，所述蓝光光路包括蓝光激光器、蓝光扩束准直镜、用于将实心蓝光束转变为环形光束的蓝光圆锥镜和用于将环形光束反射成环锥形蓝光光束的蓝光环形聚焦镜，所述蓝光激光器产生的激光沿蓝光扩束准直镜、蓝光圆锥镜、蓝光环形聚焦镜依次传输后聚焦成为环锥形蓝光光束，并最终在基材表面聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜、红外光第二反射镜和红外光球面聚焦镜，所述红外光激光器产生的激光沿红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜、红外光第二反射镜和红外光球面聚焦镜依次传输后聚焦成为锥形红外光光束，并最终在基材上方聚焦为圆形的红外光光斑；
所述送粉喷嘴为同轴环形送粉喷嘴，与所述环锥形蓝光光束和锥形红外光光束的中轴线同轴，所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述红光光斑处。
其中，所述蓝光圆锥镜位于所述蓝光扩束准直镜下方，并位于所述蓝光环形聚焦镜的中心位置。
其中，所述蓝光圆锥镜、所述红外光第二反射镜、所述红外光球面聚焦镜和所述蓝光斑成直线分布，所述红外光第二反射镜和所述红外光球面聚焦镜位于所述环锥形蓝光光束内。
一种采用上述复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)调节送粉装置的送粉喷嘴，使所述蓝光光斑位于所述送粉喷嘴的汇聚点处，同时所述红外光光斑位于基材表面，或者使所述红外光光斑位于所述喷嘴的汇聚点处，同时所述蓝光光斑位于所述基材表面；
(2)设置基材移动速度，并开启移动；
(3)开启红外光激光器、蓝光激光器和送粉装置，基材表面形成熔池，熔覆材料粉末同时熔化，并落入基材熔池，基材快速移动后冷却形成熔覆层。
其中，所述步骤(2)中基材的移动线速度为15～200m/min。
本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明有两种激光光源，并分成两路光路，两类激光分别作用于基材和熔覆材料不同类型的材料，有效解决了铜、铝等高反射材料对红外激光吸收率低的问题，实现异种材料同时熔化，涂层和基体有效结合。
2.本发明将粉末汇聚位置设置在基材上方，并与蓝光光斑或红外光光斑重合，粉末在空中即可吸收激光能量熔化，以液滴的形态进入基材熔池，极大减少了粉末熔化时间，可显著提高熔覆速度，实现超高速激光熔覆。
3.传统实心光束聚焦光斑内能量密度呈高斯分布，即中心位置能量密度高，周边能量密度低，容易导致熔池边缘熔化不充分。本发明将实心红外光光束或蓝光光束转变为环锥形光束，在基材表面聚焦为圆形光斑，加大了光斑周边的能量密度，使熔池熔化更加充分，熔池形状更加均匀合理，有助于提高熔覆层质量。
附图说明
图1本发明实施例1和实施例3复合超高速激光熔覆装置的光路系统结构示意图；
图2为本发明实施例1和实施例3超高速激光熔覆的工作示意图；
图3为本发明实施例2复合超高速激光熔覆装置的光路系统结构示意图；
图4为实施例1中熔覆材料与基材结合区的金相图。
图中，1、红外光激光器；2、蓝光激光器；3、红外光扩束准直镜；4、蓝光扩束准直镜；5、红外光圆锥镜；6、红外光环形聚焦镜；7、蓝光第一反射镜；8、蓝光第二反射镜；9、蓝光球面聚焦镜；10、锥形蓝光光束；11、环锥形红外光光束；12、送粉喷嘴；13、粉末；14、熔池；15、基材，16、蓝光圆锥镜；17、蓝光环形聚焦镜；18、红外光第一反射镜；19、红外光第二反射镜；20、红外光球面聚焦镜，21、环锥形蓝光光束，22.锥形红外光光束
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例，对本发明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。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例提供一种复合超高速激光熔覆装置，包括红外光光路、蓝光光路和送粉喷嘴12；
红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜3、红外光圆锥镜5和红外光环形聚焦镜6，红外光激光器1产生的激光沿红外光扩束准直镜3、红外光圆锥镜5、红外光环形聚焦镜6依次传输后聚焦成为环锥形红外光光束11，并最终在基材15表面聚焦为圆形的红外光光斑；红外光圆锥镜5位于红外光扩束准直镜3下方并位于所述红外光环形聚焦镜6的中心位置。红外光激光器1产生的激光经光纤传输至红外光扩束准直镜3，形成入射实心红外光光束，红外光圆锥镜5将入射的实心红外光光束转变为环形光束，再经红外光环形聚焦镜6反射聚焦成为环锥形红外光光束11，在环锥形红外光光束11中形成锥形中空无光区，环锥形红外光光束11在基材15表面聚焦为圆形的红外光光斑，用于熔化基材15形成熔池14。并且，将实心红外光光束转变为环锥形红外光光束11，在基材15表面聚焦为圆形光斑，加大了光斑周边的能量密度，使熔池14熔化更加充分，熔池14形状更加均匀合理，有助于提高熔覆层质量。
蓝光光路包括蓝光激光器2、蓝光扩束准直镜4、蓝光第一反射镜7、蓝光第二反射镜8和蓝光球面聚焦镜9，蓝光激光器2产生的激光沿蓝光扩束准直镜4、蓝光第一反射镜7、蓝光第二反射镜8和蓝光球面聚焦镜9依次传输后聚焦成为锥形蓝光光束10，并最终在基材15上方聚焦为圆形的蓝光光斑；红外光圆锥镜5、蓝光第二反射镜8、球面镜和红外斑成直线分布，蓝光第二反射镜8和球面镜位于环锥形红外光光束11内。蓝光激光器2产生的激光经光纤传输至蓝光扩束准直镜4，形成入射蓝光光束，再经蓝光第一反射镜7和蓝光第二反射镜8反射，传输至蓝光球面聚焦镜9，经聚焦后成为圆锥形蓝光光束10，并在基材15上方聚焦为圆形的蓝光光斑。
蓝光光斑位于所述红外光光斑的正上方；所述蓝光光斑距所述红外光光斑3mm。将粉末13汇聚位置设置在基材15上方，并与蓝光焦点重合，粉末13在空中即可吸收激光能量熔化，以液滴的形态进入基材熔池14，极大减少了粉末13熔化时间，可显著提高熔覆速度，实现超高速激光熔覆。两类激光分别作用于不同类型的材料，有效解决了铜、铝等高反射材料对红外激光吸收率低的问题，实现异种材料同时熔化，涂层和基体有效结合。
送粉喷嘴12为同轴环形送粉喷嘴，与环锥形红外光光束和锥形蓝光光束10的中轴线同轴，所述送粉喷嘴12将材料喷至所述蓝光光斑处。
其中，红外光圆锥镜5位于所述红外光扩束准直镜3下方，并位于红外光环形聚焦镜6的中心位置。
其中，红外光圆锥镜5、蓝光第二反射镜8、蓝光球面聚焦镜9和红外光光斑成直线分布，蓝光第二反射镜8和蓝光球面聚焦镜9位于环锥形红外光光束11内。
本实施例并提供了采用上述复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，包括下述步骤：
(1)调节送粉装置的送粉喷嘴12，使粉末13汇聚点与蓝光光斑重合；
(2)设置基材15移动速度，并开启移动；
(3)开启红外光激光器11、蓝光激光器2和送粉装置，基材15在圆形红外光光斑作用下形成熔池14，粉末13在蓝光光斑作用下在基材15上方同时熔化，并落入基材熔池14，基材15快速移动后冷却形成熔覆层。
其中，所述步骤(4)中基材15的移动线速度为100m/min。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种复合超高速激光熔覆装置，包括红外光光路、蓝光光路和送粉喷嘴12；
其中，蓝光光路包括蓝光激光器2、蓝光扩束准直镜4、用于将实心蓝光束转变为环形光束的蓝光圆锥镜16和用于将环形光束反射成环锥形蓝光光束21的蓝光环形聚焦镜17，蓝光激光器2产生的激光沿蓝光扩束准直镜4、蓝光圆锥镜16、蓝光环形聚焦镜17依次传输后聚焦成为环锥形蓝光光束21，并最终在基材表面聚焦为圆形的蓝光光斑；
红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜18、红外光第二反射镜19和红外光球面聚焦镜20，红外光激光器产生的激光沿红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜18、红外光第二反射镜19和红外光球面聚焦镜20依次传输后聚焦成为锥形红外光光束22，并最终在基材上方聚焦为圆形的红外光光斑；
送粉喷嘴为同轴环形送粉喷嘴，与环锥形蓝光光束21和锥形红外光光束22的中轴线同轴，送粉喷嘴将熔覆材料喷至红光光斑处。
其中，蓝光圆锥镜16位于蓝光扩束准直镜4下方，并位于蓝光环形聚焦镜17的中心位置。
其中，蓝光圆锥镜16、红外光第二反射镜19、红外光球面聚焦镜20和蓝光斑成直线分布，红外光第二反射镜19和红外光球面聚焦镜20位于环锥形蓝光光束21内。
本实施例中，红外光光斑位于蓝光光斑上方的5mm处，红外光光斑位于所述喷嘴的汇聚点处，蓝光光斑位于基材表面。本实施例的激光熔覆装置均与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施例并提供采用上述复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，包括下述步骤：
(1)调节送粉装置的送粉喷嘴12，使粉末汇聚点与红外光光斑重合；
(2)设置基材15移动速度，并开启移动；
(3)开启红外光激光器11、蓝光激光器2和送粉装置，基材15在蓝光光斑作用下形成熔池14，粉末13在红外光光斑作用下在基材15上方同时熔化，并落入基材熔池14，基材15快速移动后冷却形成熔覆层。
其中，所述步骤(4)中基材15的移动线速度为15m/min。
实施例3
如图1、图2所示，本实施例提供一种复合超高速激光熔覆装置，本实施例中，蓝光光斑位于红外光光斑上方的1mm处，本实施例的激光熔覆装置均与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施例并提供了采用上述复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，包括下述步骤：
(1)调节送粉装置的送粉喷嘴12，使粉末13汇聚点与蓝光光斑重合；
(2)设置基材15移动速度，并开启移动；
(3)开启红外光激光器11、蓝光激光器2和送粉装置，基材15在圆形红外光光斑作用下形成熔池14，粉末13在蓝光光斑作用下在基材15上方同时熔化，并落入基材熔池14，基材15快速移动后冷却形成熔覆层。
其中，所述步骤(4)中基材15的移动线速度为200m/min。
本发明中，共进行了三组试验，基材及熔覆材料、工艺参数如表1所示。实施例1的熔覆材料与基材结合区的金相如图4所示，由图中可以看出，熔覆层与基材之间形成了良好的冶金结合。
表1
实施例一 实施例二 实施例三
基材 27SiMn QAL9-4铝青铜 27SiMn
熔覆材料 QAL9-4铝青铜 316L Cu-15Ni-8Fe-7Mo-8Co-2Cr
红外光功率 2300W 1800W 2300W
蓝光功率 800W 1500W 1000W
熔覆线速度 100m/min 15m/min 200m/min
搭接率 70％ 70％ 75％
送粉速率 52g/min 45g/min 48g/min
熔覆层的性能测试方法如下:
1、涂层硬度测试：依据《GB/T4340.1—2009金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》测试涂层的硬度，试验力0.98N(100g)；
2、涂层摩擦磨损性能测试：按照《GB/T 12444-2006金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》测试摩擦磨损性能，载荷100N，速度240r/min，时间1h；
3、涂层结合力测试：按照《GB/T13222-1991金属热喷涂层剪切强度的测定》测试试样涂层的结合强度；
4、耐腐蚀性测试：按照《GBT 10125-2012人造气氛腐蚀试验盐雾试验》测试试样涂层的耐蚀性能，中性盐雾时间1000h；按照《GB_T6461-2002_盐雾试验评级国标》对试样涂层耐蚀性进行评级。测试结果如表2所示。
表2
实施例一 实施例二 实施例三
维氏硬度HV 243 309 350
磨损率(10-9·N-1·m-1) 2 - 1.2
摩擦系数 0.310 - 0.291
结合强度(MPa) 350 362 385
中性盐雾评级 9级 9级 9级
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）调节送粉装置的送粉喷嘴，使蓝光光斑位于所述送粉喷嘴的汇聚点处，同时红外光光斑位于基材表面，或者使所述红外光光斑位于所述喷嘴的汇聚点处，同时所述蓝光光斑位于所述基材表面；
（2）设置基材移动速度，并开启移动；
（3）开启红外光激光器、蓝光激光器和送粉装置，基材表面形成熔池，熔覆材料粉末同时熔化，并落入基材熔池，基材快速移动后冷却形成熔覆层；
所述复合超高速激光熔覆装置，包括红外光光路、蓝光光路和用于喷射熔覆材料的送粉喷嘴；
所述红外光光路将红外光激光器产生的红外光最终聚焦为圆形的红外光光斑；
所述蓝光光路将蓝光激光器产生的蓝光最终聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述蓝光光斑距所述红外光光斑1-5mm，所述红外光光斑和所述蓝光光斑分别作用于不同的材料；
所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述红外光光斑处或所述蓝光光斑处；
所述红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜、用于将实心红外光光束转变为环形光束的红外光圆锥镜和用于将环形光束反射成环锥形红外光光束的红外光环形聚焦镜，所述红外光激光器产生的激光沿红外光扩束准直镜、红外光圆锥镜、红外光环形聚焦镜依次传输后聚焦成为环锥形红外光光束，并最终在基材表面聚焦为圆形的红外光光斑；
所述蓝光光路包括蓝光激光器、蓝光扩束准直镜、蓝光第一反射镜、蓝光第二反射镜和蓝光球面聚焦镜，所述蓝光激光器产生的激光沿蓝光扩束准直镜、蓝光第一反射镜、蓝光第二反射镜和蓝光球面聚焦镜依次传输后聚焦成为锥形蓝光光束，并最终在基材上方聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述送粉喷嘴为同轴环形送粉喷嘴，与所述环锥形红外光光束和锥形蓝光光束的中轴线同轴，所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述蓝光光斑处；
或者所述蓝光光路包括蓝光激光器、蓝光扩束准直镜、用于将实心蓝光束转变为环形光束的蓝光圆锥镜和用于将环形光束反射成环锥形蓝光光束的蓝光环形聚焦镜，所述蓝光激光器产生的激光沿蓝光扩束准直镜、蓝光圆锥镜、蓝光环形聚焦镜依次传输后聚焦成为环锥形蓝光光束，并最终在基材表面聚焦为圆形的蓝光光斑；
所述红外光光路包括红外光激光器、红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜、红外光第二反射镜和红外光球面聚焦镜，所述红外光激光器产生的激光沿红外光扩束准直镜、红外光第一反射镜、红外光第二反射镜和红外光球面聚焦镜依次传输后聚焦成为锥形红外光光束，并最终在基材上方聚焦为圆形的红外光光斑；
所述送粉喷嘴为同轴环形送粉喷嘴，与所述环锥形蓝光光束和锥形红外光光束的中轴线同轴，所述送粉喷嘴将熔覆材料喷至所述红外光光斑处。
2.根据权利要求1所述的一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：所述红外光圆锥镜位于所述红外光扩束准直镜下方，并位于所述红外光环形聚焦镜的中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：所述红外光圆锥镜、所述蓝光第二反射镜、所述蓝光球面聚焦镜和所述红外光光斑成直线分布，所述蓝光第二反射镜和所述蓝光球面聚焦镜位于所述环锥形红外光光束内。
4.根据权利要求1所述的一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：所述蓝光圆锥镜位于所述蓝光扩束准直镜下方，并位于所述蓝光环形聚焦镜的中心位置。
5.根据权利要求1所述的一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：所述蓝光圆锥镜、所述红外光第二反射镜、所述红外光球面聚焦镜和所述蓝光光斑成直线分布，所述红外光第二反射镜和所述红外光球面聚焦镜位于所述环锥形蓝光光束内。
6.根据权利要求1所述的一种采用复合超高速激光熔覆装置的熔覆方法，其特征在于：所述步骤（2）中基材的移动线速度为15~200m/min。
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