[发明专利]使用单激光光束实现双光斑复合能场的方法、装置、工艺及其应用

说明书

本发明提供一种激光熔覆工艺中使用单激光光束实现双光斑复合能场的方法、装置、工艺及其应用。所述方法包括：接收入射的激光光束，透过一正棱台半透反射镜，形成穿过其上下底面的第一光路，以及经其侧面反射面反射形成的第二光路；在所述第二光路中设置环形反光镜，将第二光路中照射的光束反射到工件表面，形成环形光斑；在所述第一光路中设置锥形反射镜，将第一光路中照射的光束反射到多个旋转的反光镜中，通过旋转的反光镜投射到工件表面，形成搅拌光斑。本发明通过单光束形成环形光斑和搅拌光斑的双光斑复合能场，解决传统激光熔覆中的气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题。

本申请案为申请号为201911407297.2，发明名称为单光束双光斑复合能场激光熔覆头及其光学组件的分案申请。

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种在激光熔覆工艺中使用单激光光束实现双光斑复合能场的装置、方法、激光熔覆工艺及以及其在不锈钢表面熔覆加工的应用。

背景技术

激光熔覆(Laser Cladding)技术是一种新兴的快速成型技术，通过送粉器快速送粉的方式在被熔覆基体表面上喷射粉末材料同时经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、并与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。该技术具有熔覆层组织致密、成形快、生产周期短、实现材料梯度功能、柔性化程度高可控性好等优点，因此应用前景十分广阔。

然而，现有的激光熔覆加工头在单光斑激光熔覆中往往存在气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题，这些问题严重阻碍了激光熔覆技术的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种单光束双光斑复合能场激光熔覆头以及在激光熔覆工艺中使用单激光光束实现双光斑复合能场的装置和方法，通过锥台半透光反光镜上将激光光源一分为二，形成用于熔池搅拌的搅拌光斑光路以及用于激光熔覆的环形光斑，通过环形光斑进行激光熔覆，搅拌光斑进行熔池搅拌和双能场重熔，有效解决了激光熔覆中往往存在气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题。

本发明还提出一种激光熔覆工艺中使用单激光光束实现双光斑复合能场在激光熔覆工艺中的应用，尤其是在不锈钢基板表面的打印应用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种单光束双光斑复合能场激光熔覆头，包括：

支撑架，构造成具有第一部分和第二部分，其中第一部分位于第二部分的上部，并定义了供激光光束射入的通道；

设置在支撑架的第二部分的中央位置的正棱台半透反射镜，具有允许激光光束透过的底面以及反射激光光束的侧面；

围绕所述正棱台半透反射镜的外侧设置的环形反光镜，其中环形反光镜的反光面与正棱台半透反射镜的侧面平行；

位于支撑架的第二部分、并支撑所述环形反光镜的第一垫板；

位于支撑架的第二部分、并支撑所述正棱台半透反射镜的固定板，卡在所述第一垫板形成的空腔内；

设置在固定板的下方的套筒托架，所述套筒托架的底面中央位置设置有与所述正棱台半透反射镜相对的锥形反射镜；以及

设置在所述套筒托架的侧面、并可受驱动而旋转的反光镜，所述反光镜的反射面朝向锥形反射镜的侧面。

进一步地，通过支撑架第一部分的通道所射入的激光光束形成的的光斑的内光斑透过正棱台半透反射镜的底面垂直向下照射到锥形反射镜，经过锥形反射镜反射到旋转的反光镜,投射到工件表面形成激光搅拌光斑；

外光斑通过正棱台半透反射镜的侧面反射到环形反光镜上，通过环形反光镜再反射到工件表面，形成用于激光熔覆的环形光斑。