一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头及其激光覆熔方法技术

本发明专利技术公开了一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头及其激光覆熔方法。激光熔覆头包括壳体及激光头；壳体内设置有预热分束镜、加工分束镜及回火反射镜；本发明专利技术能够采用同一入射激光束，经预热分束镜、加工分束镜及回火反射镜的分光处理后，各自得到的反射激光束均能够聚焦在工件的待加工部位，使得在工件表面形成的加工层，能够沿着厚度递增方向，按照时间进程，每一时刻均做了预热‑覆熔加工‑回火处理，因而能够大幅度降低传统激光加工快热快冷引起的较高残余应力，并且能够降低熔覆层裂纹敏感性及组织成分不均匀性。

A laser cladding head capable of preheating and tempering at the same time and its laser cladding method

【技术实现步骤摘要】
一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头及其激光覆熔方法
本专利技术属于激光加工设备的配套装置，涉及一种激光熔覆头，尤其涉及一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头及其激光覆熔方法。
技术介绍
激光熔覆是指通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能激光束使熔覆材料和基材同时熔化形成冶金结合熔覆层。激光熔覆可以显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性。在激光熔覆过程中，由于快速加热和快速冷却产生过大的温度梯度，进而导致熔覆层中存在较大的残余应力，具有较高的开裂敏感性和组织不均匀性。中国专利201710239927.4公开了一种多角度可预热回火式激光熔覆头，该熔覆头的回火激光头、预热激光头相对于熔覆激光头采用的是外扩式结构，即从回火激光头、预热激光头、熔覆激光头输出的光线并不能汇聚至工件的同一加工部位，即工件的预热处理、覆熔加工、覆熔层回火处理并不能同步进行，因此所得到加工层组织结构并不能如预期均匀。同时，该熔覆头的预热光束和回火光束均为通过布置在平行入射激光束前行方向的分光镜分出的激光分束，因此，在加工过程中，无法只选择预热光束或者回火光束，进而有助于研究预热或者回火对熔覆层最终性能的影响。中国专利201820772393.1公开了一种可变光斑的熔覆头，该装置中通过转换透镜盘来改变激光光斑形状，无法对工件表面进行预热回火处理，存在因单激光快速加热和冷却导致熔覆层的应力过大和组织不均匀性；该装置还无法通过转换透镜盘来改变加工激光的功率。
技术实现思路
本专利技术能够同时对加工处进行预热，对熔覆层回火，大幅度降低传统激光加工快热快冷引起的较高残余应力，并且能够降低熔覆层裂纹敏感性及组织成分不均匀性。为实现上述的技术目的，本专利技术将采取如下的技术方案：一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头，包括壳体以及设置在壳体上的激光头；所述的激光头包括预热激光头、加工激光头以及回火激光头；所述壳体内设置有预热分束镜、加工分束镜以及回火反射镜；所述的预热分束镜，能够位于射入壳体内的入射激光束的光路上；投射到预热分束镜上的入射激光束，能够按照预热分束镜的光强比分成透射光束A和反射激光束A；反射激光束A能够经预热激光头中配装的预热聚焦镜聚焦后，从预热激光头中射出；所述的加工分束镜，能够位于透射光束A的光路上；投射到加工分束镜上的透射光束A，能够按照加工分束镜的光强比分成透射光束B和反射激光束B；反射激光束B能够经加工激光头中配装的加工聚焦镜聚焦后，从加工激光头中射出；所述的回火反射镜，能够位于透射光束B的光路上；投射到回火反射镜上的透射光束B，能够反射至回火激光头中所配装的回火聚焦镜，并经回火聚焦镜聚焦后从回火激光头中射出；从预热激光头中射出的光线、从加工激光头中射出的光线、从回火激光头中射出的光线均能够汇聚至工件的待加工部位。进一步地，所述壳体内设置有预热镜转换机构，所述的预热分束镜的数量至少有两个；所述的预热镜转换机构，包括可旋转的预热镜转盘，各预热分束镜周向均布在预热镜转盘上；各预热分束镜，在预热镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于射入壳体内的入射激光束的光路上。进一步地，所述壳体内设置有加工镜转换机构，所述的加工分束镜的数量至少有两个；所述的加工镜转换机构，包括可旋转的加工镜转盘，各加工分束镜周向均布在加工镜转盘上；各加工分束镜，在加工镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于透射光束A的光路上。进一步地，所述壳体内设置有回火镜转换机构；所述的回火反射镜的数量至少有两个；所述的回火镜转换机构，包括可旋转的回火镜转盘，各回火反射镜周向均布在回火镜转盘上；各回火反射镜，在回火镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于透射光束B的光路上。进一步地，所述的预热镜转盘，通过预热镜转轴可旋转地设置在壳体内；所述预热镜转轴设置于所述预热镜转盘中心，各预热分束镜均布在预热镜转轴外围的预热镜转盘上；所述的加工镜转盘，通过加工镜转轴可旋转地设置在壳体内；所述加工镜转轴设置于所述加工镜转盘中心，各加工分束镜均布在加工镜转轴外围的加工镜转盘上；所述的回火镜转盘，通过回火镜转轴可旋转地设置在壳体内；所述回火镜转轴设置于所述回火镜转盘中心，各回火反射镜均布在回火镜转轴外围的回火镜转盘上。进一步地，所述预热分束镜所处的平面与所述入射激光束呈夹角α，所述加工分束镜所处的平面与所述透射光束A呈夹角β，所述回火反射镜所处的平面与所述透射光束B呈夹角γ；所述夹角α小于45°，所述夹角β为45°，所述夹角γ大于45°。进一步地，各预热分束镜中，有一个预热分束镜为全透镜。进一步地，各加工分束镜中，有一个加工分束镜为全透镜。进一步地，各回火反射镜中，有一个回火反射镜为全透镜。本专利技术的另一个技术目的是提供一种基于上述的能够同时进行预热回火的激光熔覆头的激光覆熔加工方法，包括以下步骤：（1）通过光纤向外壳内平行射入高能激光，作为入射激光束；（2）入射激光束投射到预热分束镜上，按照预热分束镜的光强比，分成透射光束A和反射激光束A；其中：预热分束镜的光强比为a1/b1，a1为预热分束镜的透射光所占比重，b1为预热分束镜的反射光所占比重，a1+b1=100；则透射光束A的能量为入射激光束的a1%，反射激光束A的能量为入射激光束的b1%；反射激光束A经预热聚焦镜聚焦后，从预热激光头中射出至工件表面，以对工件表面预热；（3）透射光束A投射到加工分束镜上，按照加工分束镜的光强比，分成透射光束B和反射激光束B；其中：加工分束镜的光强比为a2/b2，a2为加工分束镜的透射光所占比率，b2为加工分束镜的反射光所占比率，a2+b2=100；则透射光束B的能量为入射激光束的a1*a2%，反射激光束B的能量为入射激光束的a1*b2%；反射激光束B经加工聚焦镜聚焦后，从加工激光头中射出至工件表面，以对工件表面作覆熔加工；（4）透射光束B投射到回火反射镜上，按照回火反射镜的反射率，反射至回火激光头中所配置的回火聚焦镜，经回火聚焦镜聚焦后，从回火激光头中射出至工件的覆熔层表面，对工件覆熔层做回火处理；所述回火反射镜的反射率为c%，则反射至回火聚焦镜的光线能量为入射激光束的a1*a2*c%。根据上述的技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术在壳体内分别设置预热分束镜、加工分束镜以及回火反射镜，使得入射激光束经预热分束镜的反射和透射后，分别得到反射激光束A、透射光线A；所得到的反射激光束A作为工件待加工部位的预热激光束，对工件待加工部位预热处理，而透射光线A则作为加工分束镜的入射光线，经加工分束镜的反射和透射后，分别得到反射激光束B、透射光线B；所得到的反射激光束B作为工件待加工部位的加工激光束，以对工件待加工部位做覆熔处理，在工件的待加工部位形成覆熔层；而透射光线B则作为回火反射镜的入射光线，经回火反射镜的反射后，得到回火激光束，以对工件的覆熔层回火处理。由此可知，本专利技术采用同一入射激光束，经预热分束镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头，包括壳体以及设置在壳体上的激光头；所述的激光头包括预热激光头、加工激光头以及回火激光头；其特征在于，所述壳体内设置有预热分束镜、加工分束镜以及回火反射镜；/n所述的预热分束镜，能够位于射入壳体内的入射激光束的光路上；投射到预热分束镜上的入射激光束，能够按照预热分束镜的光强比分成透射光束A和反射激光束A；反射激光束A能够经预热激光头中配装的预热聚焦镜聚焦后，从预热激光头中射出；/n所述的加工分束镜，能够位于透射光束A的光路上；投射到加工分束镜上的透射光束A，能够按照加工分束镜的光强比分成透射光束B和反射激光束B；反射激光束B能够经加工激光头中配装的加工聚焦镜聚焦后，从加工激光头中射出；/n所述的回火反射镜，能够位于透射光束B的光路上；投射到回火反射镜上的透射光束B，能够反射至回火激光头中所配装的回火聚焦镜，并经回火聚焦镜聚焦后从回火激光头中射出；/n从预热激光头中射出的光线、从加工激光头中射出的光线、从回火激光头中射出的光线均能够汇聚至工件的待加工部位。/n

【技术特征摘要】
1.一种能够同时进行预热回火的激光熔覆头，包括壳体以及设置在壳体上的激光头；所述的激光头包括预热激光头、加工激光头以及回火激光头；其特征在于，所述壳体内设置有预热分束镜、加工分束镜以及回火反射镜；
所述的预热分束镜，能够位于射入壳体内的入射激光束的光路上；投射到预热分束镜上的入射激光束，能够按照预热分束镜的光强比分成透射光束A和反射激光束A；反射激光束A能够经预热激光头中配装的预热聚焦镜聚焦后，从预热激光头中射出；
所述的加工分束镜，能够位于透射光束A的光路上；投射到加工分束镜上的透射光束A，能够按照加工分束镜的光强比分成透射光束B和反射激光束B；反射激光束B能够经加工激光头中配装的加工聚焦镜聚焦后，从加工激光头中射出；
所述的回火反射镜，能够位于透射光束B的光路上；投射到回火反射镜上的透射光束B，能够反射至回火激光头中所配装的回火聚焦镜，并经回火聚焦镜聚焦后从回火激光头中射出；
从预热激光头中射出的光线、从加工激光头中射出的光线、从回火激光头中射出的光线均能够汇聚至工件的待加工部位。


2.根据权利要求1所述的能够同时进行预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述壳体内设置有预热镜转换机构，所述的预热分束镜的数量至少有两个；
所述的预热镜转换机构，包括可旋转的预热镜转盘，各预热分束镜周向均布在预热镜转盘上；
各预热分束镜，在预热镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于射入壳体内的入射激光束的光路上。


3.根据权利要求2所述的能够同时进行预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述壳体内设置有加工镜转换机构，所述的加工分束镜的数量至少有两个；
所述的加工镜转换机构，包括可旋转的加工镜转盘，各加工分束镜周向均布在加工镜转盘上；
各加工分束镜，在加工镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于透射光束A的光路上。


4.根据权利要求3所述的能够同时进行预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述壳体内设置有回火镜转换机构；所述的回火反射镜的数量至少有两个；
所述的回火镜转换机构，包括可旋转的回火镜转盘，各回火反射镜周向均布在回火镜转盘上；
各回火反射镜，在回火镜转盘的旋转带动下，能够择一地位于透射光束B的光路上。


5.根据权利要求4所述的能够同时进行预热回火的激光熔覆头，其特征在于：所述的预热镜转盘，通过预热镜转轴可旋转地设置在壳体内；所述预热镜转轴设置于所述预热镜转盘中心，各预热分束镜均布在预热镜转轴外围的预热镜转盘上；
所述的加工镜转盘，通过加工镜转轴可旋转地设置在壳体内；所述加工镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪中华，孙桂芳，陈明智，卢轶，王占栋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32