[发明专利]一种获得低稀释率涂层的激光熔覆方法

说明书

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，特别涉及一种采用高斯分布或近似高斯分布的激光束获得低稀释率涂层的激光熔覆方法。

背景技术

在激光熔覆领域，目前所用激光器输出的激光束多为高斯分布或近似高斯分布。该类激光束光束截面能量密度的分布呈现中央大边缘小的特点，在进行激光熔覆时，往往造成熔覆涂层稀释率偏高，涂层边缘与工件结合质量差，影响熔覆涂层的性能与质量。稀释率通常表示为工件基体熔化区截面面积占熔覆涂层总截面面积的百分率，在保证熔覆涂层与工件冶金结合的前提下，稀释率越低，熔覆涂层的性能越好，一般来说，稀释率在2％～10％范围内认为是低稀释率。

为了获得低稀释率涂层同时保证涂层与工件良好的冶金结合，需要更换能量均匀分布的激光源，或对高斯激光束进行光束变换，使能量分布均匀化，这将导致系统成本增加，或系统更为复杂。

对于激光束负离焦方式，即激光束焦平面位于工件表面下方的工艺方式(反之为正离焦方式)，尽管激光功率密度随离焦量的减小而增大，通常不用于激光熔覆，但在负离焦区域，激光束光斑内能量分布均匀，只要能够对激光输出功率、激光扫描速度以及熔覆粉末的送粉率进行优化控制，可以获得低稀释率的熔覆涂层。

本发明通过对高斯分布或近似高斯分布的激光束在传播路径上光斑能量密度分布变化规律的研究，提出采用负离焦的方法，在高斯分布或近似高斯分布的激光束条件下，获得低稀释率的熔覆涂层。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种采用高斯分布或近似高斯分布的激光束获得低稀释率涂层的激光熔覆方法，以解决高斯分布或近似高斯分布的激光束由于其截面能量密度分布中央大边缘小，在激光熔覆后造成熔覆涂层稀释率偏高，涂层边缘与工件结合质量差的问题，最终获得低稀释率、与工件良好冶金结合的高质量涂层。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种获得低稀释率涂层的激光熔覆方法，该方法是采用高斯分布或近似高斯分布的激光束进行激光熔覆，采用负离焦方式，激光束焦平面位于工件表面下方，具体包括：

步骤1：在激光熔覆前，确定激光束焦平面位置；

步骤2：将激光束焦平面与工件待加工表面重合后，沿工件待加工表面法线方向移动激光熔覆头，使其靠近工件，确定激光熔覆头的移动距离；

步骤3：确定好激光熔覆头位置后，将激光熔覆的侧向送粉喷嘴固定，使激光熔覆的侧向送粉喷嘴对准工件待加工表面激光辐照位置；

步骤4：确定激光熔覆的工艺参数，至少包括激光输出功率、激光扫描速度、熔覆粉末的送粉率；

步骤5：设置好工艺参数后，激光熔覆头输出激光束，同时激光熔覆头按照设定的扫描速度开始移动，熔覆粉末从侧向送粉喷嘴中喷出，落入激光束辐照区域，熔化并在工件表面形成熔池，随着激光束的移走，熔池快速凝固，形成熔覆涂层。

上述方案中，步骤1中所述确定激光束焦平面位置，采用同轴CCD成像法、聚焦镜焦距测量法或等间隔激光脉冲烧蚀方法。

上述方案中，步骤2中所述激光熔覆头的移动距离为负离焦量，该负离焦量的范围为4～50mm。

上述方案中，步骤4中所述激光输出功率在300W～5000W，激光扫描速度在2mm/s～20mm/s，送粉率在2g/min～25g/min。

上述方案中，该方法采用同步送粉方式。所述同步送粉方式为侧向同步送粉方式或同轴同步送粉方式，其中侧向同步送粉角度范围10°～80°。所述同步送粉方式能够被替换为预置粉末方式。

上述方案中，步骤5中所述工件表面是平面或曲面。

上述方案中，所述高斯分布或近似高斯分布的激光束是由具有高斯分布或近似高斯分布的激光束的固体激光器或CO₂激光器产生的。所述固体激光器或CO₂激光器是连续激光器或脉冲激光器。

(三)有益效果

本发明是利用高斯分布或近似高斯分布的激光束在传播路径上光束截面能量密度分布的特点，设定激光束焦平面在所需要进行激光熔覆加工的工件表面的下方，即采用负离焦方式进行激光熔覆。其效果包括：①所获得激光熔覆涂层稀释率极低，与工件冶金结合良好；②工艺简单，易于操作；③无需更换能量均匀分布的激光源，降低激光熔覆成本；④无需对高斯激光束进行光束变换，系统结构简单。

附图说明

图1是高斯光束聚焦的示意图；图中：a-负离焦区域，b-正离焦区域。