CN115558922A - 高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，公开了高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法和装置。上述方法，采用短波长激光器对高反射材料表面进行超高速激光熔覆，短波长激光器发射出的激光的光斑为矩形光斑，熔覆过程中所使用的喷嘴为矩形送粉喷嘴，矩形送粉喷嘴具有矩形出粉口，矩形光斑的长边与矩形出粉口的长边平行。上述装置，包括短波长激光器、矩形激光熔覆加工头、送粉装置和矩形送粉喷嘴。该装置和方法由于采用短波长激光器进行熔覆处理，可显著提升铜、铝等高反射材料对激光的吸收率，形成稳定熔池，减小激光功率损失和熔覆缺陷的形成，保证涂层的成形质量，减少激光反射对装备的损伤，在航空航天、海洋装备、钢铁冶金等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体而言，涉及高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法和装置。
背景技术
铝合金因其密度低、导热性高、加工性能好、机械性能优异的优点，广泛应用在航空航天、汽车等领域。铜合金具有高导热性和自润滑性能，广泛应用于海洋装备、钢铁冶金等领域。但铜、铝材料的表面耐磨性较差，成为限制其大规模应用的关键因素，而表面涂层技术可在铜、铝等金属材料表面加上一层“保护衣”，是其在高耐磨、腐蚀、高温等极端工况应用不可或缺的关键技术。
超高速激光熔覆技术是一种新型的表面涂层技术，由于其高效率、界面冶金结合、原材料选择广等优点，成为金属材料及其零部件表面防护的重要手段，许多人也尝试使用超高速激光熔覆技术应用于铜、铝等材料的表面防护，但是，由于铜、铝等属于高反射材料，对传统超高速激光熔覆设备使用的1064nm波长红外激光的吸收率极低，加上高反射基材导热速度快，导致熔覆质量差，存在大量的孔隙、裂纹和未熔合等缺陷，且大量反射能量直接对熔覆设备造成损伤。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法和装置。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法，采用短波长激光器对高反射材料表面进行激光熔覆，所述短波长激光器为波长455nm的半导体蓝光激光器或波长515nm的碟片式绿光激光器；
短波长激光器发射出的激光的光斑为矩形光斑，熔覆过程中所使用的喷嘴为矩形送粉喷嘴，矩形送粉喷嘴具有矩形出粉口，矩形光斑的长边与矩形出粉口的长边平行；
短波长激光器发出的激光束和矩形送粉喷嘴喷出的颗粒束在达到基体材料之前相交。
在可选的实施方式中，高反射材料为铜、铝、金和银中至少一种元素组成的基体材料。
在可选的实施方式中，激光熔覆过程在氧气含量小于1000ppm的环境下进行。
在可选的实施方式中，短波长激光器的输出功率为1000～3000W，扫描线速度为100～300m/min。
在可选的实施方式中，矩形光斑的输出宽度为1～2mm，长度为5～30mm。
第二方面，本发明提供一种高反射材料的短波长超高速激光熔覆装置，包括短波长激光器、矩形激光熔覆加工头、送粉装置和矩形送粉喷嘴，短波长激光器为蓝光激光器或绿光激光器；
短波长激光器与矩形激光熔覆加工头连接，短波长激光器发出的激光由矩形激光熔覆加工头处理后发出的激光的光斑为矩形；
送粉装置与矩形送粉喷嘴连通，矩形送粉喷嘴具有矩形出粉口，矩形出粉口的长边与矩形光斑的长边平行，矩形出粉口的出粉方向与矩形激光熔覆加工头的激光投射方向相交；
蓝光激光器为波长455nm的半导体蓝光激光器；或者，绿光激光器为波长515nm的碟片式绿光激光器。
在可选的实施方式中，激光熔覆装置还包括气氛保护罩和加工机床，矩形激光熔覆加工头和矩形送粉喷嘴以及加工机床位于气氛保护罩内，矩形激光熔覆加工头和矩形送粉喷嘴位于加工机床上方。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的技术方案，采用短波长的激光器对高反射金属基体进行激光熔覆，高反射金属对短波长激光吸收率高，不易产生高能量的反射，进而不易损伤熔覆设备；考虑到短波长激光相对于长波长的激光能量提供较少可能存在成形效率低的问题，本申请选择使用矩形激光熔覆加工使是激光束的光斑为矩形光斑，矩形光斑相较于圆形的光斑可明显提高短波长超高速激光熔覆的成形效率。因此，本申请提供的激光熔覆装置对高反射金属基材进行激光熔覆镀涂层时，熔覆质量高，孔隙、裂纹和未熔合等缺陷少；由于采用短波长激光器，能量反射少，对熔覆设备损伤小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的短波长超高速激光熔覆装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的短波长超高速激光熔覆方法实施时激光束与颗粒束的工作状态主视图；
图3为本申请实施例提供的短波长超高速激光熔覆方法实施时激光束与颗粒束的状态的俯视图。
图标：1-控制***；2-短波长激光器；3-气瓶；4-送粉装置；5-加工机床；6-矩形激光熔覆加工头；7-矩形送粉喷嘴；8-基体材料；9-气氛保护罩；11-激光束；12-颗粒束。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法及装置进行具体描述。
如图1-3所示，本申请实施例提供的高反射材料的短波长超高速激光熔覆装置，包括短波长激光器2、矩形激光熔覆加工头6、送粉装置4和矩形送粉喷嘴7，短波长激光器2为蓝光激光器或绿光激光器；蓝光激光器可以波长455nm的半导体蓝光激光器；绿光激光器可以波长515nm的碟片式绿光激光器。
短波长激光器2与矩形激光熔覆加工头6连接，短波长激光器2发出的激光由矩形激光熔覆加工头6处理后发出的激光的光斑为矩形；
送粉装置4与矩形送粉喷嘴7连通，矩形送粉喷嘴7具有矩形出粉口，矩形出粉口的长边与矩形光斑的长边平行，矩形出粉口的出粉方向与矩形激光熔覆加工头6的激光投射方向相交。
本申请提供的短波长超高速激光熔覆装置，采用短波长的激光器对高反射金属基体进行激光熔覆，高反射金属对短波长激光吸收率高，不易产生高能量的反射，进而不易损伤熔覆设备；考虑到短波长激光相对于长波长的激光能量提供较少可能存在成形效率低的问题，本申请选择使用矩形激光熔覆加工头6是激光束11的光斑为矩形光斑，矩形光斑相较于圆形的光斑可明显提高激光熔覆的成型效率。因此，本申请提供的短波长超高速激光熔覆装置对高反射金属基材进行激光熔覆镀涂层时，熔覆质量高，孔隙、裂纹和未熔合等缺陷少；由于采用短波长激光器2，能量反射少，对熔覆设备损伤小。
具体地，矩形激光熔覆加工头6可以是内部具有内准直镜、反射镜、聚焦镜、匀光镜和保护镜的装置。在短波长激光器2发出的激光经过矩形激光熔覆加工头6内的上述各零部件后使聚光束的光斑呈矩形。需要说明的是，该矩形激光熔覆加工头6为现有技术，本领域技术人员在使用时，可通过调整现有的发射圆形激光的激光头内的光学零件即可实现发射光斑为矩形的激光束11，因此，在此对其结构不做过多赘述。
激光熔覆装置还包括气氛保护罩9和加工机床5，矩形激光熔覆加工头6和矩形送粉喷嘴7以及加工机床5位于气氛保护罩9内，矩形激光熔覆加工头6和矩形送粉喷嘴7位于加工机床5上方。
气氛保护罩9用于隔绝氧气，使得熔覆环境为无氧或低氧环境，可防止超高速激光熔覆过程铜、铝等高反射金属材料的表面氧化，减少缺陷的形成，保证熔覆质量。
激光熔覆装置还包括气瓶3和控制***1。气瓶3与矩形送粉喷嘴7连通，为矩形送粉喷嘴7提供载气。控制***1与装置内的所有设备电连接，用于控制各个设备在设定的工艺参数条件内进行工作。
本申请实施例提供的激光熔覆方法，采用短波长激光器2对高反射材料表面进行激光熔覆，短波长激光器2为蓝光激光器或绿光激光器；
短波长激光器2发射出的激光的光斑为矩形光斑，熔覆过程中所使用的喷嘴为矩形送粉喷嘴7，矩形送粉喷嘴7具有矩形出粉口，矩形光斑的长边与矩形出粉口的长边平行；
短波长激光器2发出的激光束11和矩形送粉喷嘴7喷出的颗粒束12在达到基体材料8之前相交。
该短波长超高速激光熔覆方法，采用短波长的激光器对高反射金属基体进行激光熔覆，高反射金属对短波长激光吸收率高，不易产生高能量的反射，进而不易损伤熔覆设备；考虑到短波长激光相对于长波长的激光能量提供较少可能存在成型效率低的问题，使用矩形光斑的激光束11进行激光熔覆，矩形光斑相较于圆形的光斑可明显提高激光熔覆的成型效率。因此，本申请提供的激光熔覆方法对高反射金属基材进行激光熔覆镀涂层时，覆质量高，孔隙、裂纹和未熔合等缺陷少；由于采用短波长激光器2，能量反射少，对熔覆设备损伤小。
优选地，矩形光斑的输出宽度为1～2mm，长度为5～30mm。
采用具有上述输出尺寸的激光光斑的激光束11进行激光熔覆，可保持制得的涂层具有较高的质量。
进一步地，高反射材料例如可以为铜、铝、金和银中至少一种元素组成的基体材料。
优选地，激光熔覆过程在氧气含量小于1000ppm的环境下进行。
在上述低氧环境下进行目的是防止超高速激光熔覆过程铜、铝等高反射金属材料的表面氧化，减少缺陷的形成，保证熔覆质量。
氧气含量小于1000ppm的环境例如可以是由惰性气体置换气氛保护罩9形成。
优选的，短波长激光器2的输出功率为1000～3000W(例如1000W、2000W或3000W)，扫描线速度为100～300m/min(100m/min、200m/min或300m/min)。
在上述功率和扫描线速度下进行激光熔覆可获得高质量的涂层。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法，其采用本申请提供的高反射材料的激光熔覆装置在铝合金基材表面沉积镀层。
采用的激光器为波长455nm的半导体蓝光激光器，矩形光斑的输出宽度为11mm，长度10mm。
激光熔覆过程在氧气含量小于1000ppm，载气流速6L/min，喷嘴出粉速率15g/min。
其他工艺参数见表1。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：短波长激光器为波长515nm的碟片式绿光激光器。
其他工艺参数见表1。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处见表1。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处见表1。
对比例1
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：未对气氛保护罩进行惰性气体置换，其内的气氛与外界相同。
对比例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：采用波长1064nm的红外光纤激光器进行激光熔覆。
对比例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：控制输出光斑为与实施例1矩形光斑面积相等的圆形光斑。
实验例
观察各实施例和对比例形成的涂层的熔覆质量，以及测试各实施例和对比例形成的涂层的孔隙率，测试方法参考国家标准GB/T 17720-1999。将测试结果记录至表1。表中的涂层材料为元素摩尔配比为1:1:1:1的FeCrBSi。
表1各实施例和对比例及对应的测试结果
从上表可看出，本申请各实施例熔覆方法制得的涂层均具有较好的熔覆质量，涂层表面孔隙率低。将实施例1与对比例1对比，对比例1的熔覆效果较差，说明熔覆过程在低氧或无氧条件下进行基体表面氧化，可提高熔覆质量；将实施例1和对比例2对比，可看出对比例2的熔覆效果明显差于实施例1，可看出采用长波长的激光相较于短波长的激光进行激光熔覆，制得的涂层的缺陷明显较多；将实施例1与对比例3对比，实施例1的熔覆效率更高，说明采用矩形光斑的激光进行激光熔覆可提高熔覆效率。
综上，本申请实施例提供的短波长超高速激光熔覆装置与方法，采用短波长的激光器对高反射金属基体进行激光熔覆，高反射金属对短波长激光吸收率高，不易产生高能量的反射，进而不易损伤熔覆设备；考虑到短波长激光相对于长波长的激光能量提供较少可能存在成形效率低的问题，本申请选择使用矩形激光熔覆加工使是激光束的光斑为矩形光斑，矩形光斑相较于圆形的光斑可明显提高激光熔覆的成型效率。因此，本申请提供的激光熔覆装置对高反射金属基材进行激光熔覆镀涂层时，熔覆质量高，孔隙、裂纹和未熔合等缺陷少；由于采用短波长激光器，能量反射少，对熔覆设备损伤小。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高反射材料的短波长超高速激光熔覆方法，其特征在于，采用短波长激光器对高反射材料表面进行激光熔覆，所述短波长激光器为波长455nm的半导体蓝光激光器或波长515nm的碟片式绿光激光器；
所述短波长激光器发射出的激光的光斑为矩形光斑，熔覆过程中所使用的喷嘴为矩形送粉喷嘴，所述矩形送粉喷嘴具有矩形出粉口，所述矩形光斑的长边与所述矩形出粉口的长边平行；
所述短波长激光器发出的激光束和所述矩形送粉喷嘴喷出的颗粒束在达到基体材料之前相交。
2.根据权利要求1所述的短波长超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述高反射材料为铜、铝、金和银中至少一种元素组成的基体材料。
3.根据权利要求1所述的短波长超高速激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆过程在氧气含量小于1000ppm的环境下进行。
4.根据权利要求1所述的短波长超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述短波长激光器的输出功率为1000～3000W，扫描线速度为100～300m/min。
5.根据权利要求1所述的短波长超高速激光熔覆方法，其特征在于，所述矩形光斑的输出宽度为1～2mm，长度为5～30mm。
6.一种高反射材料的短波长超高速激光熔覆装置，其特征在于，包括短波长激光器、矩形激光熔覆加工头、送粉装置和矩形送粉喷嘴，所述短波长激光器为蓝光激光器或绿光激光器；
所述短波长激光器与所述矩形激光熔覆加工头连接，所述短波长激光器发出的激光由所述矩形激光熔覆加工头处理后发出的激光的光斑为矩形；
所述送粉装置与所述矩形送粉喷嘴连通，所述矩形送粉喷嘴具有矩形出粉口，所述矩形出粉口的长边与矩形光斑的长边平行，所述矩形出粉口的出粉方向与所述矩形激光熔覆加工头的激光投射方向相交；
所述蓝光激光器为波长455nm的半导体蓝光激光器；或者，所述绿光激光器为波长515nm的碟片式绿光激光器。
7.根据权利要求6所述的短波长超高速激光熔覆装置，其特征在于，所述激光熔覆装置还包括气氛保护罩和加工机床，所述矩形激光熔覆加工头和所述矩形送粉喷嘴以及所述加工机床位于所述气氛保护罩内，所述矩形激光熔覆加工头和所述矩形送粉喷嘴位于所述加工机床上方。
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