CN107815685A - 一种双焦点高速激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
一种双焦点高速激光熔覆方法，它涉及一种激光熔覆方法。本发明是为了解决目前激光熔覆方法熔覆速度低，熔覆效率低的技术问题。本发明：在进行激光熔覆时采用双焦点聚焦镜，将经过上焦点的光线中最外侧的光线和经过下焦点的光线中最外侧的光线在两个焦点之间所围成的封闭区域定义为区域A，粉末汇聚焦点落在区域A中。本发明的方法熔覆效率可提高5倍以上，熔覆层稀释率在5％以下，熔覆层厚度低至100μm即可满足熔覆层力学性能及耐腐蚀等应用需求，减少了粉末用量，进一步的，其熔覆层通过双焦点形成的近似均匀能量区域，可以使粉末受到大面积均匀辐照，保证其形成熔化或半熔化状态，并形成较大的熔池，提高了粉末利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆方法。
背景技术
激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的包覆层，以提高基体材料的耐磨性，耐腐蚀性等。激光熔覆技术根据熔覆材料送给方式的不同，又可细分为送粉式和送丝式两种，其中送粉式激光熔覆具有材料可选择范围广泛，材料成分易于控制，熔覆精度较高等优点，是现在激光熔覆中主要采用的方式。
圆柱形零件，例如轴类零件、液压支架、轧辊、立柱以及海洋平台管道等，对外表面或内表面均有耐磨性或耐蚀性等要求，是表面处理行业中的一个主要应用领域。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆，电镀以及热喷涂三种方式。其中，激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，可以大幅降低对环境的污染，无废液或其他有害物质产生。但是目前的激光熔覆技术中，熔覆速度通常小于1m/min，熔覆层的厚度在0.3mm至4mm之间。对于多数的耐磨及耐腐蚀要求而言，其厚度值均高于设计指标，熔覆后磨削量大，因此导致粉末用量大，利用率低。同时由于熔覆速度较慢，熔覆效率低，其熔覆单位面积的价格成本及时间成本均高于电镀及热喷涂。因此，提高熔覆速度及熔覆效率，同时使熔覆层厚度处于合理的区间内，是激光熔覆技术进一步发展的关键因素。
发明内容
本发明是为了解决目前激光熔覆方法熔覆速度低，熔覆效率低的技术问题，而提供一种双焦点高速激光熔覆方法。
本发明的双焦点高速激光熔覆方法是按以下步骤进行的：
在进行激光熔覆时采用双焦点聚焦镜，将两个焦点沿竖直方向由上至下分别定义为上焦点和下焦点；
将通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线和通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线在两个焦点之间所围成的封闭区域定义为区域A；
调节激光熔覆的喷嘴使得粉末汇聚焦点落在区域A中，设置熔覆的线速度为1m/min～250m/min，开启激光和送粉器，移动激光和粉末流对工件进行熔覆，且双焦点聚焦镜的下焦点距离工件表面0～5mm；
所述的双焦点聚焦镜的两个焦点连线与激光的入射光线平行，且两个焦点的距离为0.5mm～30mm；所述的双焦点聚焦镜背着激光的入射光线的表面分为内圈和外圈两个凸出程度不同的区域，且外圈和内圈的表面积的比为3:7、2:3、1:1、3:2或7:3；
所述的工件为一条直线绕着一个轴旋转所获得的物体或曲线绕着一个轴旋转所获得的物体；
所述的喷嘴为连续式环形喷嘴。
本发明通过使用双焦点聚焦镜，使原有的单焦点激光变为双焦点激光，从而在两焦点之间形成具有近似均匀激光能量密度分布的区域A，粉末可以在此区域内受到均匀激光辐照，从而在熔池上方熔化，以液态或半固态形式落入熔池后经过冷却形成熔覆层。
本发明主要用于圆柱形或其他可旋转工件的内表面或外表面熔覆。
所述的工件为一条直线或曲线绕着一个轴旋转所获得的物体，比如圆柱体、圆锥或圆台等。
所述的区域A为两个圆锥的底面扣在一起组成的立体区域，且两个圆锥的顶点分别在两个底面所组成的圆圈的两侧。
本发明的优点：
与传统激光熔覆技术相比，本发明的双焦点高速激光熔覆方法熔覆效率可提高5倍以上，熔覆层稀释率在5％以下，熔覆层厚度低至100μm即可满足熔覆层力学性能及耐腐蚀等应用需求，减少了粉末用量，进一步的，其熔覆层通过双焦点形成的近似均匀能量区域，可以使粉末受到大面积均匀辐照，保证其形成熔化或半熔化状态，并形成较大的熔池，提高了粉末利用率。
通过本发明的双焦点高速激光熔覆后工件的单层的熔覆厚度为20μm～300μm。
附图说明
图1为试验一中的双焦点高速激光熔覆方法的示意图，4为通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线，3为通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线，1为光线3的激光入射光，8为光线4的激光入射光，2为双焦点聚焦镜，5为下焦点，6为上焦点，阴影区域7为区域A；
图2为试验一中的双焦点高速激光熔覆方法的示意图，4为通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线，3为通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线，5为下焦点，6为上焦点，7为区域A，9为粉末汇聚焦点，10为熔池，11为工件，12为粉末束流；
图3为试验一中的双焦点高速激光熔覆方法的示意图，4为通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线，3为通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线，7为区域A，10为熔池，11为工件，12为粉末束流，13为熔覆层，上方的箭头表示激光移动的方向，左侧的箭头表示工件旋转的方向；
图4为试验一中双焦点聚焦镜的立体图，14为内圈，15为外圈。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种双焦点高速激光熔覆方法，具体是按以下步骤进行的：
在进行激光熔覆时采用双焦点聚焦镜，将两个焦点沿竖直方向由上至下分别定义为上焦点和下焦点；
将通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线和通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线在两个焦点之间所围成的封闭区域定义为区域A；
调节激光熔覆喷嘴使得粉末汇聚焦点落在区域A中，设置熔覆的线速度为1m/min～250m/min，开启激光和送粉器，移动激光和粉末流对工件进行熔覆，且双焦点聚焦镜的下焦点距离工件表面0～5mm；
所述的双焦点聚焦镜的两个焦点连线与激光的入射光线平行，且两个焦点的距离为0.5mm～3mm；所述的双焦点聚焦镜背着激光的入射光线的表面分为内圈和外圈两个凸出程度不同的区域，且外圈和内圈的表面积的比为3:7、2:3、1:1、3:2或7:3；
所述的工件为一条直线绕着一个轴旋转所获得的物体或曲线绕着一个轴旋转所获得的物体；
所述的喷嘴为连续式环形喷嘴。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的工件为圆柱体、圆锥或圆台。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的粉末为铁基、镍基、钛基、钴基或铝基材料的球形粉末。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的粉末粒径为5μm～200μm。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的熔覆的线速度为100m/min。其他与具体实施方式一至四之一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种双焦点高速激光熔覆方法，具体是按以下步骤进行的：
见图1-图4，在进行激光熔覆时采用双焦点聚焦镜代替单焦点聚焦镜，将两个焦点分别定义为上焦点和下焦点；
将通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线和通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线在两个焦点之间所围成的封闭区域定义为区域A；
调节激光熔覆喷嘴使得粉末汇聚焦点落在区域A中，设置熔覆的线速度为100m/min，开启激光和送粉器，激光功率1000W，移动激光和粉末流对工件进行熔覆，激光的移动速度为5cm/min，双焦点聚焦镜的下焦点落在工件表面上；
所述的双焦点聚焦镜的两个焦点连线与激光的入射光线平行，且两个焦点的距离为2mm；所述的双焦点聚焦镜背着激光的入射光线的表面分为内圈和外圈两个凸出程度不同的区域，且外圈和内圈的表面积的比为1:1；
所述的工件为圆柱体；
所述的喷嘴为连续式环形喷嘴。
所述的粉末为铁基316L粉末，粒径分布范围为25μm～75μm，设置送粉量为15g/min；
通过本试验的双焦点高速激光熔覆后工件的单层的熔覆厚度为150μm。
Claims (5)
1.一种双焦点高速激光熔覆方法，其特征在于双焦点高速激光熔覆方法是按以下步骤进行的：
在进行激光熔覆时采用双焦点聚焦镜，将两个焦点沿竖直方向由上至下分别定义为上焦点和下焦点；
将通过双焦点聚焦镜后且经过上焦点的光线中最外侧的光线和通过双焦点聚焦镜后且经过下焦点的光线中最外侧的光线在两个焦点之间所围成的封闭区域定义为区域A；
调节激光熔覆喷嘴使得粉末汇聚焦点落在区域A中，设置熔覆的线速度为1m/min～250m/min，开启激光和送粉器，移动激光和粉末流对工件进行熔覆，且双焦点聚焦镜的下焦点距离工件表面0～5mm；
所述的双焦点聚焦镜的两个焦点连线与激光的入射光线平行，且两个焦点的距离为0.5mm～30mm；所述的双焦点聚焦镜背着激光的入射光线的表面分为内圈和外圈两个凸出程度不同的区域，且外圈和内圈的表面积的比为3:7、2:3、1:1、3:2或7:3；
所述的工件为一条直线绕着一个轴旋转所获得的物体或曲线绕着一个轴旋转所获得的物体；
所述的喷嘴为连续式环形喷嘴。
2.根据权利要求1所述的一种双焦点高速激光熔覆方法，其特征在于所述的工件为圆柱体、圆锥或圆台。
3.根据权利要求1所述的一种双焦点高速激光熔覆方法，其特征在于所述的粉末为铁基、镍基、钛基、钴基或铝基材料的球形粉末。
4.根据权利要求1所述的一种双焦点高速激光熔覆方法，其特征在于所述的粉末粒径为5μm～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种双焦点高速激光熔覆方法，其特征在于所述的熔覆的线速度为100m/min。
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Effective date of registration: 20190218 Address after: 300000 Fenghuayuan Workshop Phase II, No. 4, No. 80, Ninth Avenue, Tianjin Development Zone, Binhai New Area, Tianjin Patentee after: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Address before: 150001 European New Town 504 Xinyang Road, Daoli District, Harbin, Heilongjiang Province Co-patentee before: Wang Wei Patentee before: Li Liqun |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Bifocus high-speed laser cladding method Effective date of registration: 20191107 Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2019120000015 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20201021 Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2019120000015 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A double focus high speed laser cladding method Effective date of registration: 20201209 Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009021 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20211201 Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009021 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Double focus high speed laser cladding method Effective date of registration: 20211202 Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021120000064 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20181228 Pledgee: Tianjin SME Credit Financing Guarantee Center Pledgor: ACUNITY (TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021120000064 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |