CN208151481U - 一种激光熔覆激光头、激光器及熔覆系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光熔覆技术领域，针对现有激光熔覆对待加工工件基体预热的方法无法实现实时在线热处理以及预热的热输入量高，导致变形和性能退化等问题，提供一种激光熔覆激光头、激光器及熔覆系统。其中，激光熔覆激光头包括沿出射激光的出射方向依次设置的第一分束镜、第二分束镜和反射镜；第一分束镜用于将出射激光分为第一透射激光和第一反射预热激光；第二分束镜用于将第一透射激光分为第二透射后处理激光和第二反射熔覆激光；反射镜用于改变第二透射后处理激光的方向；第一反射预热激光、第二反射熔覆激光和第二透射后处理激光依次照射在待加工工件上。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆激光头、激光器及熔覆系统。
背景技术
激光熔覆技术是一种激光技术与加工技术相结合的先进制造技术，近几年来发展迅速。作为一项先进的表面改性技术，其广泛应用于材料的表面改性和失效零部件的修复，解决了工程实践中的很多难题，在工程实践中创造了巨大的经济效益。
由于激光熔覆过程是一个快速加热和极速冷却的过程，熔池凝固速度快，温度梯度高，产生的热应力高。因此，材料容易开裂，尤其当熔覆材料硬度较高时，裂纹问题更加突出。激光熔覆技术的裂纹问题成为制约其进一步发展和更广泛应用最主要障碍。
针对激光熔覆技术的裂纹问题，通过在熔覆前对待加工工件基体进行预热，以及熔覆后对熔覆层进行退火能够有效降低熔覆层开裂的可能性。
传统进行预热和退火的热处理加热方法包括电热炉加热、火焰加热、感应加热等方法，但是这些加热方法主要存在以下无法克服的缺点：
由于热处理在裂纹发生之前进行才有意义，而现有热处理加热方法无法集成到激光熔覆系统中对基体和熔覆层实时在线热处理，减少和消除裂纹效果差；现有热处理加热方法加热时，热输入量高，会导致基体的变形和基体性能的大范围退化。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有激光熔覆对待加工工件基体预热的方法无法实时在线热处理以及预热的热输入量高，导致变形和性能退化等问题，提供一种激光熔覆激光头、激光器及熔覆系统。
为实现上述目的，本实用新型提供一种激光熔覆激光头，其特殊之处在于，包括沿出射激光的出射方向依次设置的第一分束镜、第二分束镜和反射镜；第一分束镜用于将出射激光分为第一透射激光和第一反射预热激光；第二分束镜用于将第一透射激光分为第二透射后处理激光和第二反射熔覆激光；反射镜用于改变第二透射后处理激光的方向；第一反射预热激光、第二反射熔覆激光和第二透射后处理激光依次照射在待加工工件上。
进一步地，上述第一分束镜和第二分束镜均为平板式分光镜；上述反射镜为平面反射镜。
本实用新型提供一种激光熔覆激光器，包括激光器本体，其特殊之处在于，还包括上述激光熔覆激光头。
进一步地，上述激光器本体为一个高功率半导体堆栈激光器，或多个高功率半导体堆栈激光器。多个高功率半导体堆栈激光器发出的多个激光束采用合束技术，包括空间合束技术、偏振合束技术和波长合束技术方案合成为一个激光束输出。
本实用新型还提供另外的一种激光熔覆激光头，其特殊之处在于，包括沿出射激光的出射方向设置的分光棱镜，以及设置在分光棱镜两侧的第一反射镜和第二反射镜；分光棱镜将出射激光分为棱镜预热激光、棱镜熔覆激光和棱镜后处理激光；棱镜熔覆激光沿出射激光的出射方向直接照射待加工工件；棱镜预热激光经第一反射镜反射后照射待加工工件；棱镜后处理激光经第二反射镜反射后照射待加工工件。
本实用新型还提供另外的一种激光熔覆激光器，包括激光器本体，其特殊之处在于：还包括上述的激光熔覆激光头。
本实用新型还提供一种激光熔覆系统，包括送粉器，其特殊之处在于，还包括上述的激光熔覆激光器。
进一步地，上述送粉器是同轴送粉器或侧向送粉器。
采用上述激光熔覆系统进行激光熔覆的方法，包括以下步骤：
步骤1、采用分束镜和反射镜将激光器的出射激光分为预热激光、熔覆激光和后处理激光；熔覆激光与预热激光和后处理激光的光斑中心间距为3～30mm。
分束镜的分光比为5％～20％，预热处理的温度200℃～800℃，后处理的温度为200℃～850℃。分束镜的分光比根据所使用激光器的功率和待加工工件的材料特性确定；根据实际需要通过调整分束镜和反射镜与出射激光的夹角，调节预热激光、熔覆激光和后处理激光在工件上的位置。
步骤2、使预热激光照射待加工工件，对其进行预热处理；其目的是降低熔覆过程中熔池的温度梯度、冷却速度和凝固速度，降低熔池凝固过程中的应力，从而减小熔覆过程中材料的裂纹敏感性；
步骤3、使熔覆激光照射在已被预热的待加工工件上形成熔池，同时将合金粉末吹入熔覆激光在待加工工件的表面形成的熔池内，熔池快速凝固后形成熔覆层；
步骤4、使后处理激光照射在熔覆后的熔覆层上，对熔覆层进行退火后处理，起到降低熔覆层冷却速度的作用；
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
1、通过对激光器发出的激光按比例分成三束光，分别照射在工件的不同位置，对工件进行预热处理、熔覆、后处理，减少残余应力，对基体和熔覆层实时在线进行热处理和后处理，提高了激光加工效率；可以大幅度提高激光能量的利用率与降低激光熔覆过程中的温度梯度，降低熔覆层在冷却过程中开裂的可能性，从而在高效率条件下获得无裂纹的高性能涂层；解决熔覆层易产生裂纹的问题。
2、本实用新型提供的激光熔覆系统，一束激光束用于对基材表面进行预热处理，提高基材对熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆过程中的温度梯度；另一束激光用于对形成的熔覆层进行后热处理，降低涂层内的残余应力，消除熔覆层内的裂纹。因此，在激光熔覆过程中，采用基材预热与熔覆层后热处理相结合的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率、降低激光熔覆过程中的温度梯度以及减小熔覆层内的残余应力，从而在高效率条件下获得无裂纹的高性能熔覆层。
本实用新型提供的激光熔覆系统，操作方便，自动化程度高。
本实用新型的工作过程：
将激光器发出的同一波长的出射激光分成三束激光，
第一束用于对待加工工件基材表面进行预热处理，其目的是降低熔覆过程中熔池的温度梯度、冷却速度和凝固速度，因此能够降低熔池凝固过程中的应力，从而减小熔覆过程中材料的裂纹敏感性；
第二束激光用于熔化待加工工件表面形成熔池与熔化合金粉末，形成熔覆层；
第三束激光用于进行后处理，起到退火和降低熔覆层冷却速度的作用。
待加工工件从预热激光向后处理激光方向移动，待加工工件同一位置依次经过预热激光预热、激光熔覆和激光后处理。
附图说明
图1是本实用新型激光熔覆系统一个实施例的结构示意图；
图2是本实用新型激光熔覆系统另一个实施例的结构示意图。
图中各标号的说明如下：
1—激光器本体；
21—出射激光、22—第一分束镜、23—第二分束镜、24—反射镜；
25—第一透射激光、26—第一反射预热激光；
27—第二透射后处理激光、28—第二反射熔覆激光；
021—分光棱镜、022—第一反射镜、023—第二反射镜；
024—棱镜预热激光、025—棱镜熔覆激光、026—棱镜后处理激光；
3—送粉器；
4—待加工工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
采用如下激光熔覆系统的实施例实现激光熔覆。
实施例一
如图1所示的一种激光熔覆系统，包括送粉器3和激光熔覆激光器，激光熔覆激光器包括激光器本体1和激光熔覆激光头；激光器本体1为一个高功率半导体堆栈激光器。
激光熔覆激光头包括沿出射激光21的出射方向依次设置的第一分束镜22、第二分束镜23和反射镜24；第一分束镜22和第二分束镜23均为平板式分光镜；反射镜24为平面反射镜。
第一分束镜22用于将出射激光21分为第一透射激光25和第一反射预热激光26；第二分束镜23用于将第一透射激光25分为第二透射后处理激光27和第二反射熔覆激光28；反射镜24用于改变第二透射后处理激光27的方向；第一反射预热激光26、第二反射熔覆激光28和第二透射后处理激光27依次照射在待加工工件4上。
实施例二
如图2所示的一种激光熔覆系统，包括送粉器3和激光熔覆激光器。激光熔覆激光器包括激光器本体和激光熔覆激光头；激光器本体1为一个高功率半导体堆栈激光器。
激光熔覆激光头包括沿出射激光21的出射方向设置的分光棱镜021，以及设置在分光棱镜021两侧的第一反射镜022和第二反射镜023；分光棱镜021将出射激光21分为棱镜预热激光024、棱镜熔覆激光025和棱镜后处理激光026；棱镜熔覆激光025沿出射激光21的出射方向直接照射待加工工件4；棱镜预热激光024经第一反射镜022反射后照射待加工工件4；棱镜后处理激光026经第二反射镜023反射后照射待加工工件4。
Claims (7)
1.一种激光熔覆激光头，其特征在于：包括沿出射激光(21)的出射方向依次设置的第一分束镜(22)、第二分束镜(23)和反射镜(24)；
第一分束镜(22)用于将出射激光(21)分为第一透射激光(25)和第一反射预热激光(26)；
第二分束镜(23)用于将第一透射激光(25)分为第二透射后处理激光(27)和第二反射熔覆激光(28)；
反射镜(24)用于改变第二透射后处理激光(27)的方向；
第一反射预热激光(26)、第二反射熔覆激光(28)和第二透射后处理激光(27)依次照射在待加工工件(4)上。
2.一种激光熔覆激光器，包括激光器本体(1)，其特征在于：还包括如权利要求1的激光熔覆激光头。
3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆激光器，其特征在于：所述激光器本体(1)为一个高功率半导体堆栈激光器，或多个高功率半导体堆栈激光器。
4.一种激光熔覆激光头，其特征在于：包括沿出射激光(21)的出射方向设置的分光棱镜(021)，以及设置在分光棱镜(021)两侧的第一反射镜(022)和第二反射镜(023)；
分光棱镜(021)将出射激光(21)分为棱镜预热激光(024)、棱镜熔覆激光(025)和棱镜后处理激光(026)；
棱镜熔覆激光(025)沿出射激光(21)的出射方向直接照射待加工工件(4)；
棱镜预热激光(024)经第一反射镜(022)反射后照射待加工工件(4)；
棱镜后处理激光(026)经第二反射镜(023)反射后照射待加工工件(4)。
5.一种激光熔覆激光器，包括激光器本体(1)，其特征在于：还包括如权利要求4的激光熔覆激光头。
6.一种激光熔覆系统，包括送粉器(3)，其特征在于：还包括如权利要求2或3或5的激光熔覆激光器。
7.根据权利要求6所述的一种激光熔覆系统，其特征在于：所述送粉器(3)是同轴送粉器或侧向送粉器。
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