激光熔覆方法、实现该方法的激光头、激光器及熔覆系统技术方案

本发明专利技术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，提供一种激光熔覆方法、实现该方法的激光头、激光器及熔覆系统。其中，激光熔覆方法包括以下步骤：步骤1、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；步骤2、使预热激光照射待加工工件，对其进行预热处理；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；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。

Laser cladding method, laser head, laser and cladding system for realizing the method

The invention relates to the technical field of laser cladding. In view of the problems that the existing laser cladding method can not realize real-time on-line heat treatment and the high heat input of preheating, which leads to deformation and performance degradation, a laser cladding method, a laser head, a laser and a cladding system for realizing the method are provided. . The laser cladding method includes the following steps: step 1, dividing the laser emission into preheating laser, cladding laser and post-processing laser; step 2, irradiating the workpiece to be processed by preheating laser, and preheating the workpiece; step 3, forming a molten pool by irradiating the cladding laser on the workpiece to be processed by preheating. At the same time, the alloy powder is blown into the molten pool formed by cladding laser on the surface of the workpiece to be processed; Step 4, the post-treatment laser is irradiated on the cladding layer after cladding, and the cladding layer is annealed.

【技术实现步骤摘要】
激光熔覆方法、实现该方法的激光头、激光器及熔覆系统
本专利技术涉及激光熔覆
，具体涉及激光熔覆方法、实现该方法的激光头、激光器及熔覆系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，提供一种激光熔覆方法、实现该方法的激光头、激光器及熔覆系统。为实现上述目的，本专利技术提供一种激光熔覆方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1、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；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；进一步地，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。进一步地，步骤1中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；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。本专利技术提供一种激光头，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。本专利技术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。本专利技术还提供另外的一种激光头，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。本专利技术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：还包括上述的激光头。本专利技术还提供另外的一种激光熔覆系统，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。与现有技术相比，本专利技术的优点是：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、本专利技术提供的激光熔覆方法，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。本专利技术提供的激光熔覆系统，操作方便，自动化程度高。本专利技术的工作过程：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是本专利技术激光熔覆系统一个实施例的结构示意图；图2是本专利技术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专利技术作进一步的详细说明。本实施例提供一种激光熔覆方法，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，预热激光、熔覆激光和后处理激光依次照射在待加工工件上；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；本实施例中分光比为5％～20％，预热的温度200℃～800℃，后处理的温度为200℃～850℃。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，激光束在工件表面的光斑中心间距一般为3～30mm。步骤2、使预热激光照射待加工工件，对其进行预热处理；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，步骤4、使后处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔覆方法，其特征在于；包括以下步骤：步骤1、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；步骤2、使预热激光照射待加工工件，对其进行预热处理；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层上，对熔覆层进行退火后处理。

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆方法，其特征在于；包括以下步骤：步骤1、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；步骤2、使预热激光照射待加工工件，对其进行预热处理；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层上，对熔覆层进行退火后处理。2.根据权利要求1的激光熔覆方法，其特征在于；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。3.根据权利要求2的激光熔覆方法，其特征在于；步骤1中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；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℃。4.一种激光头，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓飚，汤波，李欣，张国超，杨英滔，
申请(专利权)人：西安必盛激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61