[发明专利]一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法

说明书

本发明公开一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法，涉及激光加工技术领域，包括以下步骤：将激光分为环形光，经过聚焦后形成偏焦环形光斑，作用于基体表面；进行基体表面熔覆时，根据不同的材料，选择激光参数；喷粉管竖直向下，进行出粉；进行激光扫描，每当熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动光斑直径的20～80％；根据不同的涂层厚度要求，重复上述步骤；熔覆过程中选取保护气进行保护，保护气吹向在空中熔化的粉末，使其具有一定的速度喷向基体表面，使得熔覆层与基体之间的结合牢固；在基体表面进行涂层熔覆。本发明实现环形光斑能量密度的均匀化，提高激光束与粉末耦合作用、提高金属粉末利用率并改善熔覆质量和形貌。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种实现环形中空偏焦激光的高速熔覆方法。

背景技术

高速熔覆技术是制备高性能涂层的新技术，最近几年的飞速发展受到市场的普遍关注。同常规的激光熔覆技术有所差异的是，常规激光熔覆原理是激光将金属粉末颗粒和基体材料在基体表面共同熔化，熔池冷凝后形成熔覆层。在熔覆的过程中，金属粉末一般被直接喷射到基体表面的熔池内部，粉末颗粒在到达熔池前所吸收的能量微乎其微，其余的能量全部用来作用于基体本身，在基体表面产生很大的热影响区，降低基体材料本身性能。而激光高速熔覆原理与常规熔覆恰恰相反，现如今该技术多采用正离焦(即激光焦点位于熔覆层之上)工艺，粉末在空中吸收大部分的激光能量达到熔融态，剩余的小部分能量作用于基体表面，最终熔覆层的稀释率低、应力小、裂纹形成率低，也使得基体的热变形小，从而更好的保护基体。因为激光的主要能量作用的地方不同，因此激光高速熔覆技术比常规激光熔覆速度更快、效率更高。

同时又由于激光能量密度高，所制备的涂层与基体结合强度高等优点，可以在基体表面形成致密的金属涂层，避免涂层产生孔隙和裂纹，提高工件表面耐磨性和耐蚀性，是一种节能环保的绿色修复方式。但传统激光熔覆技术存着在熔覆效率低、稀释率大、粉末利用率低、后加工工序繁琐等缺点，并没有广泛应用于生产制造中。激光高速熔覆被誉为可替代传统金属表面改性工艺的先进绿色制造技术，熔覆效率为传统激光熔覆3-5倍，可以制备超薄且质量很高的涂层，涂层表面光洁度高，通过简单的磨削与抛光即可投入使用，具有广阔的应用前景。

现有的激光高速熔覆技术是基于光外送粉，也就是光束居中粉末分布在四周进行同轴侧向送粉，如专利CN108103498A“一种超高速激光熔覆工艺”，熔覆过程激光头姿态不变，主要依靠轧辊高速旋转生成表面涂层，不适用于非规则零件表面的涂层生成。专利CN102409338B“一种同波长双光束窄斑激光快速熔覆的方法”不仅不能进行自由曲面熔覆，而且熔覆工艺繁琐复杂，且激光能量利用率低。专利“一种双焦点高速激光熔覆方法”采用双焦点聚焦镜，将两束激光在空中交汇，虽然可以使粉末受到大面积辐照，但是送粉方式仍然只能采用同轴侧向送粉，同样不利于在非规则零件表面涂层的生成。

现有技术中实现光粉耦合成形的核心部件是激光熔覆喷头装置，目前激光熔覆喷头有二种送粉技术：一种是采用多喷粉管包围实心光同轴倾斜送粉方法(光外送粉)，另一种是中空环形光包围单喷粉管中心垂直送粉方法(光内送粉)。本发明点针对第二种光内送粉方法所涉及的装置展开。

申请号为201621159526.5的的一种光内同轴送粉的聚焦装置，激光束出光口后面依次安装有准直镜、圆锥直面反射镜、环形聚焦抛物镜，二块反射镜均为绕中心轴线的旋转对称结构，反射面相对布置，激光器发出的带有一定角度的激光束经准直镜准直成平行的圆形光束，圆形光束经圆锥直面反射镜反射，反射至环形聚焦抛物镜，被反射光束分成为环形聚焦光束，最终在工作表面上聚焦，在该焦点位置形成点光斑，但一般工作时根据需要，工作表面应处在焦点上部或下部离焦位置，使光束的横截面上形成有一定尺寸的中空圆形光斑，以形成所需尺寸的熔池，熔化从喷粉口喷出的粉末材料；中空环形光斑使得原实心光斑中心能量峰值外移，加强光斑外侧能量。