激光宽带熔覆装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种激光宽带熔覆装置，属于3D成形领域，该激光宽带熔覆装置可将激光器所发出的激光束转换并投射在加工面上用于宽带激光熔覆加工，激光宽带熔覆装置包括反射镜和双型面反射部件，反射镜将激光束反射给双型面反射部件，双型面反射部件包括上部反射面和位于上部反射面下方的下部反射面，上部反射面为抛物聚焦型面，下部反射面为平面，上部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成宽带聚焦线斑，下部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成矩形光斑，矩形光斑位于宽带聚焦线斑的外侧，该激光宽带熔覆装置可满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层残余热应力和裂纹等缺陷几率。

Laser wide band cladding device

The utility model relates to a laser cladding forming device, belonging to the 3D field, the laser cladding device of laser beam can be converted by laser and projection for broadband laser cladding processing in the processing of surface, laser cladding device comprises a reflector and a double surface reflection component, mirror reflection the laser beam to double surface reflection components, double surface reflection component comprises an upper and a lower reflector located below the upper surface of the reflective reflective surface, the upper reflector for the parabolic focusing surface, a lower reflection surface is a plane, the upper reflector receiving laser beam after the reflection to form a focusing surface in the processing line spot the lower reflector, receives the laser beam after the reflection to form a rectangular spot on the machined surface on the outer side of the rectangular spot on the focusing line spot, the laser cladding device can satisfy the requirements of different materials. Material and structure heat treatment requirements, reduce the residual thermal stress and cracks and other defects probability.

【技术实现步骤摘要】
激光宽带熔覆装置
本技术涉及一种激光宽带熔覆装置，属于3D成形领域。
技术介绍
金属及合金零构件的激光直接3D熔覆沉积成形、重要功能表面熔覆强化改性、修复再制造等在航空航天、国防、造船、矿山、冶金、机械制造等领域具有极大的应用价值和前景，是当前各发达国家的重点发展方向。我国也已明确将金属增材制造的基础性工艺和核心基础部件的研发列为重点发展领域。其中，激光宽带熔覆是一种高效的激光熔覆增材制造技术。激光宽带熔覆单道成形宽度大，一次扫描可达到10-40mm(窄带熔覆仅为φ1-5mm)，因此熔覆效率高；大面积激光宽带熔覆还可大大减少搭接次数和重复受热，减少由此带来的缺陷几率，厚度不均、组织性能下降等。传统大型零件制造往往需要借助大型模锻或压铸机，制造成本高、周期长、限制条件多、缺陷难以控制，而宽带激光熔覆增材制造是离散的逐层自由堆积成形，可以节省大型锻压机等设备，其离散化的冶金过程与可成形梯度材料的工艺更有利于保证微观组织性能和控制缺陷，在大型金属零构件的强化、修复和直接3D成形等增材制造领域都极具优势。激光宽带熔覆主要包括激光光束质量及变换、宽带粉束输送、光粉耦合等几项关键技术。宽带粉束输送的现有方法是：从矩形实心激光束的一侧或双侧同步送入加工面上的宽带光斑上，粉束在光能辐照作用下熔凝形成宽带熔道。双侧送粉可进行往返双向扫描，可提高成形效率。但无论是单侧还是双侧送粉，粉束都位于激光束的外侧，可称之为“光外宽带送粉”。结合图1a不难分析现有光外宽带送粉方式尚存在一些不足，如光粉耦合性差、粉末利用率低、熔覆质量不稳定、不适合空间大倾角变化复杂结构成形等问题。为了解决上述问题，现有技术提供了一种双光束中空光内宽带送粉方法(图2)，其光路与送粉原理为：应用目前市场上多用的半导体或光纤激光器平顶光源，经分光镜将入射激光束一分为二，再经聚焦镜反射成中空双聚焦光束，粉束由送粉排管垂直送入双聚焦光斑(熔池)中间，完成光粉的耦合。结合图2和图1b可以看出，由于将实心光束改为中空的双光束，将两束粉末侧向送进改为单束粉垂直送进，光、粉位置正好对换。由此带来的优点：(1)分光后的双光束位于两侧包夹粉束，如图1b，图2。在离焦位置，双光斑间距稍加大，在阈值范围内，双光束辐照区与间隙处仍然形成熔池，粉束中线始终能垂直对准熔池中线；包围单粉束的准直保护气帘一气三用：准直粉束、保护熔池、保护喷头内腔，平行的单粉束单气帘无干涉。喷头与加工面之间如有上下波动离焦，光粉对中也不会错位，进入熔池的粉末量基本无太大变化。双向往返扫描时光粉相对位置也不会变。(2)单条宽带粉束始终位于的双光斑中间，往返两个方向扫描总有一条光带处在粉末的后沿将粉末捕获在熔池中，粉末发散和表面粘附大大减少，不仅粉末利用率大大提高，而且进入熔池的粉量稳定，熔池熔凝过程更稳定，熔道表面更光洁，减少了缺陷源。(3)准直保护气紧紧包围粉束同轴输送，可对粉束形成压力气帘(图1b)而进一步规整和准直粉束，粉末空间更准、直、细、挺，在完成空间大倾角熔覆和动态摆动成形时，粉气流始终垂直压向熔池，有利于熔池稳定和不流淌。(4)双反射聚焦镜给宽斑光粉耦合方式带来极大灵活性。将两个聚焦反射镜设计成不同工作面型，可得到不同的光斑尺寸和能量分布，如两端部能量增强的鞍型光强分布、或增加预热缓冷功能的低能密度光束等，可灵活以满足不同功能的光能分布或光粉耦合要求。但是，现有的双光束光内宽带送粉仍存在如下问题：由于激光熔覆的骤冷骤热作用会使加工材料产生大的过热和过冷度，容易引起熔层的开裂。为了解决上述问题，引入预热冷缓技术，基体的预热和熔覆后缓冷可有效降低温度梯度，释放残余热应力。现预热缓冷技术较多采用电磁感应、电阻加热等外部热源的方法，对加工件基体进行整体加热，加热温度一般为200—600℃,整体加热有一定的效果，但在大件的修复或3D成形时，加工点的位置变化会造成离加热区的距离变化，从而带来预热缓冷温度的变化，另附加装置也显累赘。为了避免上述影响，方法之一是直接采用低密度激光束在熔池前方和后方进行局部随动预热和缓冷，此方法不需采用其他热源及装置。如，CarlEdwardEricson提出了使用一台激光器输入高密度小圆形光束进行熔覆，另一台激光器输入同轴的低密度大圆形光束进行预热与缓冷的概念(具体详见美国专利申请第US2009/0283501A1号)；王东生提出了一种2个矩形光斑叠加，形成一熔覆+预热缓冷作用的凸型光斑，功率密度中间大两边小，模拟仿真证明：凸型光斑降低了熔覆区和非熔覆区的温度梯度，热应力减小10％，减小了开裂趋势(具体详见中国专利申请第CN201310286772.1号)；马广义等提出了一种激光熔覆过程利用椭圆形均匀光束的预热缓冷方法，即把激光束分成叠加的小矩形熔覆光束和大椭圆形预热缓冷光束(具体详见中国专利申请第CN201410480190.1号)；周圣丰、戴晓琴提出了下述两种方法，一是光束通过透射一分二束，至加工面上一个为熔覆斑、一个为前置预热斑；二是将前述2束光作为前置预热和后置缓冷光斑，再另加一台激光器出射光束投射形成熔覆光斑置于预热缓冷光斑中间(具体详见中国专利申请第CN201110352225.号和第CN20110352257.X号)。上述采用主、辅多光束进行随动预热和缓冷的内容大都报道了光路及原理，有的采用仿真方法进行了效果验证，有的用预涂覆方法进行了熔覆。但熔覆主光束和预热缓冷辅光束的光学镜组集成方法或一体化喷头装置少有报道。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种激光宽带熔覆装置，其可满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层残余热应力和裂纹等缺陷几率。为达到上述目的，本技术提供如下技术方案：一种激光宽带熔覆装置，可将激光器所发出的激光束转换并投射在加工面上用于宽带激光熔覆加工，所述激光宽带熔覆装置包括反射镜和双型面反射部件，所述反射镜将激光束反射给双型面反射部件，所述双型面反射部件包括上部反射面和位于所述上部反射面下方的下部反射面，所述上部反射面为抛物聚焦型面，所述下部反射面为平面，所述上部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成宽带聚焦线斑，所述下部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成矩形光斑，所述矩形光斑位于宽带聚焦线斑的外侧。进一步的：所述双型面反射部件为一块反射镜，所述双型面反射部件具有工作型面，所述上部反射面和下部反射面形成在所述工作型面上。进一步的：所述双型面反射部件由两块反射镜组成，所述上部反射面形成在其中一块所述反射镜上，所述下部反射面形成在另一块所述反射镜上。进一步的：所述双型面反射部件为两组，两组所述双型面反射部件的上部反射面相对设置，两组所述双型面反射部件的下部反射面相对设置。进一步的：所述反射镜为分光平面反射镜，所述分光平面反射镜包括背向布置并迎向入激光束的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面朝向一组所述双型面反射部件，所述第二反射面朝向另一组所述双型面反射部件。进一步的：所述分光平面反射镜的第一反射面和第二反射面背向对称布置。进一步的：所述第一反射面和第二反射面的夹角在60°～120°之间。进一步的：所述激光宽带熔覆装置还包括送粉排管或送粉扁管，所述送粉排管或送粉扁管的一端位于所述反射镜的下方并垂直所述加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光宽带熔覆装置，可将激光器所发出的激光束转换并投射在加工面上用于宽带激光熔覆加工，其特征在于，所述激光宽带熔覆装置包括反射镜和双型面反射部件，所述反射镜将激光束反射给双型面反射部件，所述双型面反射部件包括上部反射面和位于所述上部反射面下方的下部反射面，所述上部反射面为抛物聚焦型面，所述下部反射面为平面，所述上部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成宽带聚焦线斑，所述下部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成矩形光斑，所述矩形光斑位于宽带聚焦线斑的外侧。

【技术特征摘要】
1.一种激光宽带熔覆装置，可将激光器所发出的激光束转换并投射在加工面上用于宽带激光熔覆加工，其特征在于，所述激光宽带熔覆装置包括反射镜和双型面反射部件，所述反射镜将激光束反射给双型面反射部件，所述双型面反射部件包括上部反射面和位于所述上部反射面下方的下部反射面，所述上部反射面为抛物聚焦型面，所述下部反射面为平面，所述上部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成宽带聚焦线斑，所述下部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成矩形光斑，所述矩形光斑位于宽带聚焦线斑的外侧。2.如权利要求1所述的激光宽带熔覆装置，其特征在于：所述双型面反射部件为一块反射镜，所述双型面反射部件具有工作型面，所述上部反射面和下部反射面形成在所述工作型面上。3.如权利要求1所述的激光宽带熔覆装置，其特征在于：所述双型面反射部件由两块反射镜组成，所述上部反射面形成在其中一块所述反射镜上，所述下部反射面形成在另一块所述反射镜上。4.如权利要求1所述的激光宽带熔覆装置，其特征在于：所述双型面反射部件为两组，两组所述双型面反射部件的上部反射面相对设置，两组所述双型面反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：石拓，石世宏，史建军，傅戈雁，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32