CN214193454U - 一种激光头及高速激光熔覆设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种激光头及高速激光熔覆设备，属于激光加工技术领域。该激光头包括：壳体，壳体具有中空结构，中空结构用于传输激光束；第一接口，第一接口与壳体的中空结构贯通设置，第一接口用于固定第一激光器；第二接口；第二接口与壳体的中空结构贯通设置，第二接口用于固定第二激光器；反光镜，反光镜位置可调地设置于中空结构内，用于调整第一激光器和/或第二激光器发射的激光束方向，使激光束交替出射至壳体的激光出射口。本实用新型公开的激光头使激光清洗工艺与高速激光熔覆工艺高度结合，通过采用同一激光头即可完成整个激光清洗+熔覆工艺，降低了设备成本，提高了生产效率。本实用新型还公开了高速激光熔覆设备及方法。

Description

一种激光头及高速激光熔覆设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光头及高速激光熔覆设备。

背景技术

高速激光熔覆技术，是近年来发展出的新的金属表面涂层制备工艺。其利用激光能量加热粉末喷嘴送出的金属粉末，使其以熔融状态到达基材表面，冷却凝固后形成熔覆层，并与基材形成冶金结合。由于粉末的熔融不依赖与基材表面稳定熔池的形成，因此激光扫描速度大大高于传统的激光熔覆技术。一般激光扫描速度达到100mm/s时，即为高速激光熔覆，高速激光熔覆效率可以达到传统激光熔覆的100倍。

现有技术中，高速激光熔覆技术在使用时，为了保证熔覆层与基材形成良好的冶金结合，避免产生夹杂，气孔等熔覆缺陷，需要去除基材表面的油污及氧化物。传统的去除方式包括砂纸打磨，丙酮擦洗等，清洗效率较低，而且对于一些稳定的氧化膜，例如铝合金表面的氧化膜，清洗效果很差。激光清洗能够高效的去除工件表面的污染物及氧化层，是理想的激光高速熔覆前清洗方式。

然而，现有技术中，激光清洗光路与激光熔覆光路差别较大。激光清洗根据去除材料并且不伤基材的要求，多会选择不同规格的脉冲激光器，光路一般包含准直镜，一维或二维振镜，以及聚焦场镜。激光束通过振镜的高速转动来实现高速扫描运动，同时通过聚焦场镜在一个二维平面内聚焦。激光熔覆工艺中，激光作为熔融材料的能量源，一般选用高功率连续激光，光路一般包含准直镜与聚焦镜，激光光束最终聚焦成一个小光斑。不同的激光器选择和不同的光路给两种工艺的有效结合带来困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种激光头及高速激光熔覆设备，通过激光头内光路设计，使清洗激光与高速熔覆激光能够通过同一个激光头，从一个激光输出口选择性输出，将激光清洗与高速激光熔覆工艺有效结合，解决了高速激光熔覆前基材表面的污染物清洗效率低、设备结构庞大的问题，保证了高速熔覆工艺的顺利实施。

第一方面，本实用新型提供一种激光头，包括：壳体，壳体具有中空结构，中空结构用于传输激光束；第一接口，第一接口与壳体的中空结构贯通设置，第一接口用于固定第一激光器；第二接口；第二接口与壳体的中空结构贯通设置，第二接口用于固定第二激光器；反光镜，反光镜位置可调地设置于中空结构内，用于调整第一激光器和/或第二激光器发射的激光束方向，使激光束交替出射至壳体的激光出射口。

与现有技术相比，上述技术方案中，通过在激光头的壳体上设置第一接口和第二接口，第一接口固定第一激光器，第二接口固定第二激光器，通过调整壳体内的反光镜的位置可以使第一激光器出射的激光和第二激光器出射的激光交替出射至壳体的激光出射口。此时，第一激光器和第二激光器中的一个激光器可以作为清洗激光，另一激光器可以作为超高速熔覆激光。由于清洗激光的激光器与超高速熔覆激光的激光器集成于一个激光头上，且其共用一个激光出射口，该激光头的结构设置使激光清洗工艺与高速激光熔覆工艺高度结合，通过采用同一激光头即可完成整个激光熔覆工艺，省略了振镜，场镜等昂贵设备，简化了设备结构，降低了设备成本，提高了生产效率。

进一步地，第一接口与壳体的中空结构贯通设置包括：第一接口与壳体的激光出射口呈直线贯通设置；和，第二接口与壳体的中空结构贯通设置包括：第二接口与壳体的激光出射口呈L型贯通设置。

进一步地，第一接口与壳体的中空结构贯通设置包括：第一接口与壳体的激光出射口呈L型贯通设置；和，第二接口与壳体的中空结构贯通设置包括：第二接口与壳体的激光出射口呈直线贯通设置。

进一步地，反光镜位置可调地设置于中空结构内包括：反光镜通过位置调整结构位置可调地设置于中空结构内。

进一步地，激光头还包括控制器，第一激光器、第二激光器和位置调整结构分别与控制器通信连接；控制器用于控制第一激光器和/或第二激光器的开启和闭合，控制器还用于控制位置调整结构进行位置调整。

进一步地，第一激光器为发射脉冲激光的激光器，第二激光器为发射连续激光的激光器。

进一步地，中空结构内靠近第一接口设置有第一准直镜片。

进一步地，中空结构内靠近第二接口设置有第二准直镜片。

进一步地，第一准直镜片与反光镜之间设置有第一聚焦镜，第二准直镜片与反光镜之间设置有第二聚焦镜；

或，壳体内在反光镜的反射光路上靠近激光出射口处设置有第三聚焦镜片；

或，第一准直镜片与反光镜之间设置有第一聚焦镜，反光镜为聚焦全反镜。

第二方面，本实用新型还提供一种高速激光熔覆设备，包括工件运动机构，和上述激光头。激光头设置于工件运动机构上方，用于对工件运动机构上运行的工件进行清洗和激光熔覆。

与现有技术相比，本实用新型提供的高速激光熔覆设备的有益效果与上述技术方案的激光头的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供一种激光头结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种激光头结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的再一种激光头结构示意图；

图4a为本实用新型实施例提供的一种不经反射镜反射的激光光路示意图；

图4b为本实用新型实施例提供的一种经反射镜反射的激光光路示意图；

图4c为本实用新型实施例提供的又一种不经反射镜反射的激光光路示意图；

图4d为本实用新型实施例提供的又一种经反射镜反射的激光光路示意图；

图4e为本实用新型实施例提供的再一种不经反射镜反射的激光光路示意图；

图4f为本实用新型实施例提供的再一种经反射镜反射的激光光路示意图；

图5a为本实用新型实施例提供的一种反射镜位置调整结构及含有此调整结构的激光头结构示意图；

图5b为图5a的右视图；

图5c为图5a中位置调整结构示意图一；

图5d为图5a中位置调整结构示意图二

图6a为本实用新型实施例提供的另一种反射镜位置调整结构及含有此调整结构的激光头结构示意图；

图6b为图6a的左视图；

图6c为图6a中位置调整结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种控制器结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种高速激光熔覆设备结构示意图。

图9为本实用新型实施例中铝棒表面状态图；

图10为图9中3号熔覆层截面图；

图11为图9中4号熔覆层截面图；

图1至图7中附图标记如下：

壳体1；第一接口11；第二接口12；激光出射口13；反光镜2；旋钮21；可伸缩结构22；支架221；滑杆222；第一激光器3；第一准直镜片31；第二激光器4；第二准直镜片41；第一聚焦镜51；第二聚焦镜52；第三聚焦镜片53；控制器100；处理器110；通信接口120；存储器130；总线系统140。

图8中，附图标记如下：

惰性气体储罐1；送粉器2；第一激光器3；第一水冷机4；第二激光器5；第二水冷机6；高速熔覆机7；激光头8。

图9中，附图标记如下：

铝棒原始表面状态1；激光清洗后的铝棒表面状态2；激光熔覆层3；激光清洗后的激光熔覆层4。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，本实用新型中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本实用新型中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

现有技术中，对于硬度低、耐磨性差的工件，通常需要在工件表面进行涂层，以提高工件的耐磨性。例如，铝合金具有密度低，比强度大，导热性好等优点，广泛应用于汽车工业，航空航天，海洋工程等领域。尤其近年来在车辆轻量化设计领域成为了材料研究热点。但是，由于铝合金硬度低，耐磨性差，为了满足在摩擦工况下的应用要求，需要在铝合金表面制备高硬度的金属基涂层。

高速激光熔覆技术，是近年来发展出的新的金属表面涂层制备工艺。其利用激光能量加热粉末喷嘴送出的金属粉末，使其以熔融状态到达基材表面，冷却凝固后形成熔覆层，并与基材形成冶金结合。由于粉末的熔融不依赖与基材表面稳定熔池的形成，因此激光扫描速度大大高于传统的激光熔覆技术，熔覆效率可以达到传统激光熔覆的100倍。目前该技术已经在铁基材料的耐磨耐腐蚀涂层制备上得到成功应用。

然而，铝基材料表面应用高速激光熔覆，目前尚未见有成功报道。由于铝合金表面极易形成高熔点的氧化膜，熔融金属液滴到达基材表面后，其传递给基材表面的热能不足以穿透氧化膜，造成熔覆层与铝基底之间难以形成冶金结合；氧化膜的存在同时阻碍了熔融金属液滴在基材表面的铺展润湿性，难以形成连续平整的熔覆层。因此，表面氧化膜的有效去除是在铝基材料表面应用高速熔覆的前提条件。

传统的机械打磨方法耗时耗力，效率极低，化学清洗方法污染环境且难以与熔覆工序有效结合。激光清洗可以有效清除铝合金表面的氧化膜，效率高且绿色环保，但设备昂贵，且清洗光路与熔覆光路区别较大，给工艺集成带来困难。因此，针对铝基材料的高速激光熔覆，需要开发包含表面氧化物去除的复合工艺方法与成套设备。

为了解决上述技术问题，请参考图1，本实用新型实施例提供一种高速激光熔覆设备。该高速激光熔覆设备包括激光头以及工件运动机构。激光头设置于工件运动机构上方，用于对工件运动机构上运行的待熔覆工件进行清洗和激光熔覆。

示例的，上述工件运动机构为高速激光熔覆机床。

请参考图1。上述激光头包括：壳体1，壳体1具有中空结构，中空结构用于传输激光束。第一接口11，第一接口11与壳体1的中空结构贯通设置，第一接口11用于连接第一激光器(图中未显示)。第二接口12，第二接口12与壳体1的中空结构贯通设置，第二接口12用于连接第二激光器(图中未显示)。反光镜2，反光镜2位置可调地设置于中空结构内，用于调整第一激光器和/或第二激光器发射的激光束方向，使激光束交替出射至壳体1的激光出射口13。应理解，第一接口与第二接口在激光头壳体上的具体位置可不限定，只要通过壳体内反光镜的反射作用，能够使与第一接口连接的第一激光器和与第二接口连接的第二激光器出射的激光可交替出射至激光出射口即可。

与现有技术相比，上述技术方案中，通过在激光头的壳体上设置第一接口和第二接口，第一接口连接第一激光器，第二接口连接第二激光器，通过旋转壳体内的反光镜可以使第一激光器出射的激光和第二激光器出射的激光交替出射至壳体的激光出射口。此时，第一激光器和第二激光器中的一个激光器可以作为清洗激光，另一激光器可以作为高速熔覆激光。通过采用上述技术方案，将清洗激光的激光器与高速熔覆激光的激光器集成于一个激光头上，且其共用一个激光出射口，通过高速激光熔覆工艺中工件的高速运动，该激光头可以使激光清洗工艺与高速激光熔覆工艺有效结合，降低了设备成本，提高了生产效率。

请参考图2，上述技术方案在使用时，先通过调整反光镜2的位置，使第一激光器或第二激光器出射的清洗激光通过激光出射口13出射至加工件表面(图中未显示)，进行加工件表面清洗。清洗完成后，调整反光镜2，使另一激光器出射的高速熔覆激光通过激光出射口13出射至加工件表面，选定合适的工件运动速度，即激光扫描线速度，控制送粉器出粉，在已清洗工件表面进行高速激光熔覆。通过采用该技术方案，可以使激光清洗工艺与激光熔覆工艺通过同一激光熔覆头操作完成，设备结构简单，简化了操作步骤，提高了生产效率。

为了进一步说明激光头中第一接口11、第二接口12与壳体1的具体位置关系，本实用新型进一步提供以下实施例进行说明。请参考图1和图2。结合上述实施例，本实用新型实施例中，如图1所示，第一接口11与壳体1的激光出射口可以呈直线贯通设置。应理解，第一接口11与壳体1的中空结构贯通设置。激光出射口13也与壳体1的中空结构贯通设置。第一接口11可以设置于壳体上的激光出射口13延长线上，此时，第一接口11与壳体1的激光出射口13呈直线贯通设置。第二接口12与壳体1的激光出射口13呈L型贯通设置。此时，还应理解，第二接口与第一接口11也呈L型贯通设置。

上述技术方案在使用时，请参考图2。由于第一接口11、第二接口12与激光出射口13的位置设置合理，可以使第一接口11连接的第一激光器3出射的激光不经反光镜反射直接出射至激光出射口，而第二接口12连接的第二激光器 4出射的激光与壳体的中空结构呈90度，此时只需将反光镜2与第二激光器4 出射的激光呈45度设置于壳体内即可。采用上述技术方案可以进一步简化激光熔覆头的结构设计，方便壳体内反光镜位置的固定，具有操作简便的优点。

作为上述实施例的可替换方案，请参考图3。本实施例中，第一接口11与第二接口12在激光头上的位置互换，具体地，第二接口12与壳体1的激光出射口呈直线贯通设置。此时，第二接口12设置于壳体上的激光出射口13延长线上，第一接口11与壳体1的激光出射口13呈L型贯通设置。此时，还应理解，第一接口11与第二接口12也呈L型贯通设置。

为了便于对本实用新型实施例中激光头的结构进行详细说明，以下实施例中，如图1所示，均以第一接口11与壳体1的激光出射口13呈直线贯通设置。第二接口12与壳体1的激光出射口13呈L型贯通设置为例进行说明。

本实用新型实施例中，请参考图2和图4a，为了对第一激光器3和第二激光器4出射的激光进行准直，在中空结构内靠近第一接口11的位置设置第一准直镜片31。在中空结构内靠近第二接口12的位置设置第二准直镜片41。第一激光器3和第二激光器4出射的激光均先经准直镜片处理后，再进行后续步骤。

进一步地，作为上述实施方式的进一步改进，本实用新型实施例中，为了使激光出射口出射的激光呈聚焦状态，通常还可以在壳体内设置聚焦镜片，用于对第一激光器和/或第二激光器出射的激光进行聚焦。例如，如图4a和图4b 所示，在壳体1内在反光镜2的反射光路上靠近激光出射口13处设置第三聚焦镜片53。

示例的，以第一激光器为脉冲激光、第二激光器为连续激光为例，以下具体说明上述实施方式中设置有准直镜片和聚焦镜片的激光熔覆头的工作过程。请参考图2和图4a，与第一接口11连接的第一激光器3为产生脉冲激光的清洗用激光器时，与第二接口12连接的第二激光器4为产生连续激光的熔覆用激光器。此时，需要对加工件表面清洗时，调整反光镜2的位置，开启第一激光器3，使第一激光器3出射的脉冲激光经第一准直镜片31处理、且不经过反光镜2直接出射至第三聚焦镜片53，经聚焦后经激光出射口13出射至待加工零件表面进行激光清洗。清洗完成后，关闭第一激光器3，使第一激光器3停止出射脉冲激光。请参考图4b，调整反光镜2位置，开启第二激光器4，使第二激光器4出射的连续激光先经第二准直镜片41处理后，连续激光与反光镜2呈45度角，入射至反光镜2，经反光镜2反射至第三聚焦镜片53，经聚焦后经激光出射口 13出射至待加工零件表面进行，选定合适的工件运动速度，送粉器出粉，在已清洗工件表面进行高速激光熔覆加工。高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺。

采用上述技术方案，通过合理设置第一激光器、第二激光器、反光镜、准直镜片和聚焦镜片的位置，使其集成于一个激光头上，通过采用同一激光头实现激光清洗工艺与高速激光熔覆工艺的高度结合，简化了设备结构，降低了设备成本，提高了生产效率。

作为上述实施方式的可替代方案，聚焦镜片的设置结构还可采用如下方式，如图4c和图4d所示，在第一准直镜片31与反光镜2之间设置有第一聚焦镜片 51，第二准直镜片41与反光镜2之间设置有第二聚焦镜片52。此时，第一激光器3和第二激光器4出射的激光均应先经过准直镜片处理后，再分别经聚焦镜片聚焦，经聚焦镜片聚焦后的激光再经过或不经过反光镜，出射至加工零件表面。

作为上述实施方式的又一可替代方案，聚焦镜片的设置结构还可采用如下方式，如图4e和图4f所示，第一准直镜片31与反光镜2之间设置有第一聚焦镜51，反光镜2为聚焦全反镜。此时，第一激光器3和第二激光器4出射的激光均应先经过准直镜片处理。应理解，经第一准直镜片31准直后的激光经第一聚焦镜31聚焦后直接出射至激光出射口，经第二准直镜片41准直后的激光经聚焦全反镜进行聚焦和反射处理后，出射至激光出射口，对加工零件表面进行清洗或熔覆处理。由于对出射至激光出射口的激光进行了聚焦处理，使得激光出射口出射的激光呈聚焦状态，方便对加工零件进行清洗或激光熔覆。

进一步地，结合上述实施例，为了进一步说明反光镜的位置可调实现方式，本实用新型实施例中，请参考图5a至图5d，反光镜2通过位置调整结构位置可调地连接于壳体1的中空结构内。具体地，位置调整结构可以为任意能够实现反光镜位置调整的结构。

例如，如图5a至图5d所示，位置调整结构可以为调节反光镜位置的旋钮 21。示例的，反光镜2通过连接杆与旋钮21固定连接。具体使用时，通过旋转旋钮21，可以带动连接杆旋转，进而带动反光镜2旋转一定角度。例如，旋转旋钮21，使反光镜与第一激光器3出射的激光呈平行设置，此时第一激光器3 出射的激光不经反光镜，直接经准直、聚焦后出射至待熔覆工件表面。旋转旋钮，使反光镜2与第二激光器4出射的激光呈45度角，此时，第二激光器4出射的激光，经反光镜2反射后，再经准直、聚焦后出射至待熔覆工件表面。对待熔覆工件表面进行激光清洗或激光熔覆。应理解，如图5a至图5d所示，上述旋钮21可以为电动旋钮，通过控制电动旋钮摆动，实现反光镜的位置调整。

当然，位置调整结构21还可以为其他任意可实现反光镜位置调整的结构。例如，请参考图6a至图6c，位置调整结构还可以为可伸缩结构22。示例的，可伸缩结构22包括支架221，支架221水平固定设置于壳体内。支架221上，与支架221平行固定设置有滑杆222。反光镜2可滑动设置于滑杆222上，且反光镜与第二激光器4出射的激光呈45度角。进一步地，为了保证反光镜可以稳定的与第二激光器4出射的激光呈45度角伸缩于壳体内，滑杆222靠近壳体的一端上还固定设置有角度定位板223，角度定位板223上开设有与反光镜2在壳体内角度一致的通槽，反光镜2通过滑杆222可滑动于通槽内。进一步地，可伸缩结构22还可以为电动控制的能够进行伸缩运动的结构。

上述可伸缩结构在使用时，控制可伸缩结构22伸出，进而控制反光镜2伸出至壳体的中空结构内，反光镜2与第二激光器4出射的激光(脉冲激光和连续激光中任意一种激光)呈45度角，并反射该激光至激光出射口。电动控制伸缩结构回缩，进而控制反光镜2回缩至壳体1的中空腔体外，第一激光器3出射的激光(脉冲激光和连续激光中的另一种激光)可不经过反光镜2直接出射至激光出射口。通过设置可伸缩结构22，可以实现光路的任意选择，从而方便地将激光清洗与高速激光熔覆高效结合，使激光清洗工艺与高速激光熔覆工艺通过同一激光熔覆头操作完成，简化了操作步骤，提高了生产效率。

需要进一步说明的是，本实用新型实施例中，请参考图7，第一激光器3和第二激光器4的开启和闭合，以及反光镜2的位置调整，均可以通过控制器100 控制实现。具体地，第一激光器3、第二激光器4和位置调整结构分别与控制器信号通信连接。由于控制器100分别与第一激光器3、第二激光器4和位置调整结构通信，使得由上述激光器完成的清洗工序和高速激光熔覆工序可以在控制器的控制下完成。

参照图7，上述控制器100包括处理器110以及存储器130，存储器130可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器110提供操作指令和数据。存储器130的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(non-volatile random access memory，NVRAM)。

在一些实施方式中，如图7所示，存储器130存储了如下的元素，执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集。

在本实用新型实施例中，如图7所示，处理器110通过调用存储器130存储的操作指令(该操作指令可存储在操作系统中)，执行第一激光器、第二激光器以及位置调整结构的指令。

如图7所示，控制器100通过处理器110控制第一激光器、第二激光器以及位置调整结构中任一个的动作，处理器110还可以称为中央处理单元(central processing unit，CPU)。

如图7所示，存储器130可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器110提供指令和数据。存储器130的一部分还可以包括NVRAM。其中，总线系统140除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，将各种总线都标为总线系统。

本实用新型实施例提供的激光头通过控制器100对第一激光器、第二激光器以及位置调整结构的控制可以由处理器110进行，或者由处理器110实现。

本实用新型实施例中，在控制器100控制第一激光器、第二激光器以及位置调整结构的情况下，处理器100通过通信接口120与第一激光器、第二激光器以及位置调整结构耦接。

处理器110可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器110中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器110可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processing，DSP)、ASIC、现成可编程门阵列(field-programmable gate array， FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本实用新型实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本实用新型实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

此外，本实用新型实施例还提供了一种高速激光熔覆设备的具体结构，如图8所示，高速激光熔覆设备具体包括惰性气体储罐1、送粉器2、第一激光器 3、第一水冷机4、第二激光器5、第二水冷机6、高速熔覆机7以及上述激光头 8。惰性气体储罐1与送粉器2连接，用于输送送粉器中的粉体。第一水冷机4 与第一激光器3连接，第二水冷机5与第二激光器5连接，第一激光器3的激光出射口与激光头8的第一接口连接，第二激光器5的激光出射口与激光头8 上的第二接口连接，送粉器与激光头8上的送粉嘴连接，激光头上的送粉嘴与激光出射口为同轴设置。使用时，将加工件设置于高速激光熔覆机床上，通过高速激光熔覆机床的主轴的高速旋转，激光头通过控制器控制第一激光器、第二激光器和反光镜按上述工作方式在加工件表面快速扫描，从而实现加工件表面的清洗和高速熔覆加工。

与现有技术相比，本实用新型提供的高速激光熔覆设备的有益效果与上述技术方案的激光头的有益效果相同，此处不做赘述。

进一步地，本实用新型实施例还提供了一种高速激光熔覆方法，应用于上述高速激光熔覆设备中，包括：

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。示例的，待熔覆工件为表面易形成氧化层的待熔覆工件，例如可以为铝合金材料工件等。工件运动机构可以为高速激光熔覆机床或其他可以实现带动工件高速运动的装置等。

S2、选择第一激光器和/或第二激光器。应理解，第一激光器和第二激光器中的一个激光器可以为脉冲激光器，作为清洗激光用，另一激光器可以为连续激光器，作为高速熔覆激光用。当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器；当需要对清洗后的待处理工件进行高速激光熔覆时，选择连续激光器。

S3、调整反光镜位置，使所述第一激光器、所述第二激光器发射的激光束交替出射至待熔覆工件表面，对待熔覆工件的表面进行清洗和/或激光熔覆。应理解，待熔覆工件装夹于工件运动机构上，待熔覆工件绕工件运动机构的水平旋转轴或垂直旋转轴高速运动，通过设置反光镜，可以改变第一激光器或第二激光器的出射方向，使第一激光器和第二激光器出射的光交替出射至待熔覆工件表面，以便于对待熔覆工件连续进行激光清洗和激光熔覆。

进一步地，步骤S2中，对待熔覆工件的表面进行清洗的激光束为脉冲激光，脉冲激光聚焦于工件表面的光斑直径为0.2～1.5mm，平均激光功率为100-2000W，脉冲频率为20-100kHz，脉冲宽度为10ns-240ns。对待熔覆工件的表面进行激光熔覆的激光束为连续激光，连续激光聚焦于工件表面的光斑直径为0.8～3mm，连续激光的激光功率为3000W-10000W。采用上述脉冲激光参数对待熔覆工件表面进行清洗，可以有效去除工件表面的氧化膜层，具有表面氧化膜层清洗彻底、表面清洗效果好的优点。结合上述连续激光的熔覆参数，在清洗后的待熔覆工件表面进行激光熔覆后，可以使熔覆层与待熔覆工件表面形成冶金结合层，大大提高了工件表面熔覆层的成型质量，从而提高了工件表面强度等性能。

示例的，脉冲激光聚焦于工件表面的光斑直径可以选择为0.35～0.8mm， 0.2～0.5mm，0.8～1.2mm或1.2～1.5mm。更具体的，脉冲激光聚焦于工件表面的光斑直径可为0.2mm、0.35mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm或1.5mm。采用上述特定区间的脉冲激光光斑参数，可以保证在特定扫描线速度和搭接率下，使得待熔覆工件表面清洗更佳完全。

示例的，脉冲激光的平均激光功率可以选择为100～1000W，200～500W， 1000～1500W或1500～2000W。更具体的，脉冲激光的平均激光功率可以选择为 100W、200W、500W、1000W、1500W或2000W。

示例的，脉冲频率可以选择为10～30KHz，30～50KHz，50～70KHz，70～80KHz 或80～100KHz。更具体的，脉冲频率可以选择为10KHz、30KHz、50KHz、70KHz、 80KHz或100KHz。

示例的，脉冲宽度可以选择为25～30ns，10～80ns，80～140ns，140～200ns或200～240ns。更具体的，脉冲宽度可以选择为10ns、25ns、30ns、80ns、140ns、 200ns或240ns。采用上述特定区间范围的脉冲宽度，清洗的效果更佳

示例的，连续激光聚焦于工件表面的光斑直径可以为0.8～1.0mm，1.0～1.5mm，1.5～2.3mm，2.3～2.8mm或2.8～3mm。更为具体地，连续激光聚焦于工件表面的光斑直径可以为0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.3mm、2.8mm或3mm。连续激光的激光功率可以为3500W～4500W，3000W～5000W，5000W～7000W或 7000W～10000W。更为具体地，连续激光的激光功率可以为3000W、3500W、 4500W、5000W、7000W或10000W。

进一步地，结合上述实施例，本实用新型实施例的步骤S3中，通过待熔覆工件旋转(绕水平或垂直旋转轴)，实现激光在工件表面的扫描。激光清洗时，激光在待熔覆工件表面的扫描线速度为250～5000mm/s，通过控制激光头横移速度，使激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为30％-70％。激光熔覆时，设置激光在待熔覆工件表面的扫描线速度为250～2500mm/s，通过控制激光头横移速度，使激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为50％-95％；激光熔覆时，送粉量为10～120g/min。在该扫描线速度和搭接率下，可以完成待熔覆工件的清洗和熔覆，具有清洗效果好，熔覆层致密的优点，进一步保证了熔覆层和基材之间能形成很好的冶金结合。

示例的，激光清洗时，激光在待熔覆工件表面的扫描线速度可以选择为250～500m/s，500～1100mm/s，1100～2500mm/s，2500～3500mm/s，3500～5000mm/s。更具体的，清洗时，激光在待熔覆工件表面的扫描线速度可以选择为250m/s、 500m/s、1100mm/s、2500mm/s、3500mm/s或5000mm/s。结合上述激光清洗时扫描线速度可以通过控制激光头横移速度，使激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为30％-40％，40％-50％，50％-60％或60％-70％。更具体的，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为30％、40％、50％、60％或70％。

示例的，激光熔覆时，设置激光在待熔覆工件表面的扫描线速度可以选择为250～400m/s、400～500m/s、500～1000mm/s、1000～1500mm/s或1500～2500mm/s。更具体的，激光熔覆时，设置激光在待熔覆工件表面的扫描线速度可以选择为250m/s，400mm/s，500mm/s，1000mm/s，1500mm/s或2500mm/s。结合上述激光熔覆时扫描线速度可以通过控制激光头横移速度，使激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为50％-60％，60％-70％，70％-80％或80％-95％。更具体地，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为50％、60％、70％、80％或95％。

示例的，激光熔覆时，送粉量可以选择为10～21g/min，21～30g/min， 30～50g/min，50～90g/min或90～120g/min。更具体地，送粉量可以选择为10g/min、 21g/min、30g/min、50g/min、90g/min或120g/min。

采用上述示例中特定区间内脉冲激光的平均激光功率、光斑直径、脉冲频率和脉冲宽度、扫描线速度和重合搭接率时，配合特定区间内连续激光聚焦于工件表面的光斑直径和激光功率、扫描线速度和重合搭接率，各参数协同作用，可以高效去除待熔覆工件表面的油污及氧化膜，具有清洗效果好，清洗效率高的优点。在清洗后的待熔覆工件表面形成熔覆层后，清洗的待熔覆工件表面熔覆层与基材结合更好。经测试，得到的熔覆层没有气孔和未融合粉体的出现。

以下结合具体实施例，进一步说明利用上述高速激光熔覆方法对待熔覆工件进行清洗和高速激光熔覆。

实施例1

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面形成氧化铝层的铝合金圆棒，圆棒直径为50mm，长度1m；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用；到达工件表面的激光光斑直径为0.35mm，平均激光功率为200W，脉冲频率30kHz，脉冲宽度30ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为 1.5mm，激光功率为3500W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，设置工件转速为420转/分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为1100mm/s，设置激光器横移速度为1.2mm/s，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，设置工件转速为153转/分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为400mm/s，设置激光器横移速度为1mm/s，开启送粉，送粉量为21g/min，熔覆粉末为铁基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件A。

实施例2

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面带有氧化层的铝合金薄壁圆筒，圆筒外径100mm，壁厚3mm，长度800mm；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用，到达工件表面的激光光斑直径为0.8mm，平均激光功率为500W，脉冲频率10kHz，脉冲宽度25ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为1mm, 激光功率为4500W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，设置工件转速为478转/分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为2500mm/s，设置激光器横移速度为3mm/s，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，设置工件转速为96转/分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为500mm/s，设置激光器横移速度为0.8mm/s，开启送粉，送粉量为30g/min，熔覆粉末为镍基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件B。

实施例3

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面带有氧化层的铝合金薄壁圆筒，圆筒外径80mm，壁厚3mm，长度800mm；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用，到达工件表面的激光光斑直径为0.2mm，平均激光功率为100W，脉冲频率50kHz，脉冲宽度10ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为 0.8mm,激光功率为3000W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，设置工件转速为478转/分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为250mm/s，设置激光器横移速度为3mm/s，控制激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为30％，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，控制激光在工件表面的扫描线速度约为250mm/s，设置激光器横移速度为0.8mm/s，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为50％。开启送粉，送粉量为10g/min，熔覆粉末为镍基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件C。

实施例4

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面带有氧化层的铝合金薄壁圆筒，圆筒外径50mm，壁厚5mm，长度800mm；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用，到达工件表面的激光光斑直径为0.5mm，平均激光功率为1000W，脉冲频率70kHz，脉冲宽度80ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为 2.3mm,激光功率为5000W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，控制激光在工件表面的扫描线速度约为500mm/s，设置激光器横移速度为3mm/s，控制激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为50％，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，控制激光在工件表面的扫描线速度约为1000mm/s，设置激光器横移速度为0.8mm/s，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为70％。开启送粉，送粉量为50g/min，熔覆粉末为镍基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件D。

实施例5

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面带有氧化层的铝合金圆棒，圆棒直径为1200mm，长度400mm；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用，到达工件表面的激光光斑直径为1.5mm，平均激光功率为2000W，脉冲频率100kHz，脉冲宽度240ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为3mm, 激光功率为10000W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，控制激光在工件表面的扫描线速度约为5000mm/s，设置激光器横移速度为3mm/s，控制激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为70％，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，控制激光在工件表面的扫描线速度约为2500mm/s，设置激光器横移速度为1.2mm/s，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为95％。开启送粉，送粉量为120g/min，熔覆粉末为镍基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件E。

实施例6

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面带有氧化层的铝合金薄壁圆筒，圆筒外径800mm，壁厚3mm，长度800mm；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。

S2、设置第一激光器为脉冲激光器，作为清洗激光用，到达工件表面的激光光斑直径为1.2mm，平均激光功率为1500W，脉冲频率80kHz，脉冲宽度140ns。第二激光器为连续激光器，作为高速熔覆激光用，工作位置激光光斑直径为 2.8mm,激光功率为7000W。

S21、当需要对待处理工件进行激光清洗时，选择脉冲激光器，控制激光在工件表面的扫描线速度约为3500mm/s，设置激光器横移速度为3mm/s，控制激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为60％，对待熔覆零件进行激光清洗。清洗完毕后，关闭脉冲激光器。

S22、开启连续激光器，调整反光镜位置，使连续激光器发射的激光束出射至待熔覆工件表面，控制激光在工件表面的扫描线速度约为1500mm/s，设置激光器横移速度为1.0mm/s，激光光斑在工件轴方向上的重合搭接率为80％。开启送粉，送粉量为90g/min，熔覆粉末为镍基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆。

S3、高速激光熔覆一次加工完成后，关闭第二激光器4，开启第一激光器3，同时调整反光镜2，重复第一激光器3、第二激光器4和反光镜2的上述操作，直至完成加工件的表面全部清洗及超高速熔覆加工工艺，获得表面经高速熔覆涂层的加工件F。

对比例1

S1、将待熔覆工件装夹于所述工件运动机构上。其中，待熔覆工件为表面形成氧化铝层的铝合金圆棒，圆棒直径为50mm，长度1m；工件运动机构为高速激光熔覆机床转台。S2、手动对待熔覆工件进行砂纸打磨，打磨后用丙酮清洗圆棒表面。

S3、使用普通高速激光熔覆头对工件表面进行熔覆。激光头输出连续激光，工作位置激光光斑直径为1.5mm，激光功率为3500W，设置工件转速为153转/ 分钟，则激光在工件表面的扫描线速度约为400mm/s，设置激光器横移速度为 1mm/s，开启送粉，送粉量为21g/min，熔覆粉末为铁基合金粉，对待熔覆工件的表面进行激光熔覆，获得加工件G。

进一步地，本实用新型还提供了测试例，对上述实施例1至实施例6中获得的加工件A至加工件F以及对比例1获得加工件G进行性能测试。其中，对比例1中形成的熔覆层可参考图9(a)中显示的激光熔覆层3。实施例1至实施例6中形成的熔覆层可参考图9(b)中显示的激光清洗后的激光熔覆层4。此外，图9(a)中还显示了铝棒原始表面状态1以及经本实用新型实施例激光清洗后的铝棒表面状态2。进一步地，本实用新型还提供了激光熔覆层的扫描电镜图，具体为：图10为图9(a)中激光熔覆层3的截面扫描电镜图，图11为图9(b)中激光清洗后的激光熔覆层4的截面扫描电镜图。

由测试结果图10可知：对比例1中，铝棒表面经人工打磨清洁后，再进行激光熔覆后，铝棒表面形成的熔覆层与基材的结合明显存在不密实、有气孔的现象，同时还有未融合的粉体夹杂在熔覆层中，影响熔覆层的性能。由测试结果图11可知，实施例1～实施例6中，铝棒经本实用新型实施例的高速激光熔覆设备和激光清洗方法进行激光清洗后，铝棒表面清洁干净，油污和氧化膜均已被有效去除，且没有伤及基材本体。具有清洗效率高、清洗效果好的优点。再经本实用新型实施例的高速激光熔覆设备和熔覆方法，在激光清洗后的铝棒表面进行激光熔覆，形成的熔覆层与基材结合更好，没有气孔及未熔合粉体出现。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光头，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体具有中空结构，所述中空结构用于传输激光束；

第一接口，所述第一接口与所述壳体的中空结构贯通设置，所述第一接口用于固定第一激光器；

第二接口；所述第二接口与所述壳体的中空结构贯通设置，所述第二接口用于固定第二激光器；

反光镜，所述反光镜位置可调地设置于所述中空结构内，用于调整所述第一激光器和/或所述第二激光器发射的激光束方向，使所述激光束交替出射至壳体的激光出射口。

2.根据权利要求1所述激光头，其特征在于，所述第一接口与所述壳体的中空结构贯通设置包括：所述第一接口与所述壳体的激光出射口呈直线贯通设置；和，

所述第二接口与所述壳体的中空结构贯通设置包括：所述第二接口与所述壳体的激光出射口呈L型贯通设置。

3.根据权利要求1所述激光头，其特征在于，所述第一接口与所述壳体的中空结构贯通设置包括：所述第一接口与所述壳体的激光出射口呈L型贯通设置；和，

所述第二接口与所述壳体的中空结构贯通设置包括：所述第二接口与所述壳体的激光出射口呈直线贯通设置。

4.根据权利要求1～3任一所述激光头，其特征在于，所述反光镜位置可调地设置于所述中空结构内包括：

所述反光镜通过位置调整结构位置可调地设置于所述中空结构内。

5.根据权利要求4所述激光头，其特征在于，所述激光头还包括控制器，所述第一激光器、所述第二激光器和所述位置调整结构分别与所述控制器通信连接；

所述控制器用于控制第一激光器和/或所述第二激光器的开启和闭合，所述控制器还用于控制所述位置调整结构进行位置调整。

6.根据权利要求1所述激光头，其特征在于，所述第一激光器为发射脉冲激光的激光器，所述第二激光器为发射连续激光的激光器。

7.根据权利要求1所述激光头，其特征在于，所述中空结构内靠近所述第一接口设置有第一准直镜片。

8.根据权利要求7所述激光头，其特征在于，所述中空结构内靠近所述第二接口设置有第二准直镜片。

9.根据权利要求8所述激光头，其特征在于，所述第一准直镜片与所述反光镜之间设置有第一聚焦镜，所述第二准直镜片与所述反光镜之间设置有第二聚焦镜；

或，所述壳体内在所述反光镜的反射光路上靠近所述激光出射口处设置有第三聚焦镜片；

或，所述第一准直镜片与所述反光镜之间设置有第一聚焦镜，所述反光镜为聚焦全反镜。

10.一种高速激光熔覆设备，其特征在于，包括：工件运动机构，和权利要求1～9任一所述激光头；所述激光头设置于所述工件运动机构上方，用于对所述工件运动机构上运行的工件进行清洗和激光熔覆。

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