采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法
【專利摘要】一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，包括以下步驟：用丙酮或酒精對(duì)基材表面進(jìn)行除油和清洗處理；采用第一臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，使基材表面預(yù)熱；或者對(duì)基材不預(yù)熱直接轉(zhuǎn)為步驟3；采用第二或多臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，第二臺(tái)激光器發(fā)射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；采用送粉器將合金粉末送入基材上的熔池中；采用第三臺(tái)激光器發(fā)射的激光，使基材表面緩慢冷卻或不用激光器而自然冷卻；冷卻后使合金粉末在基材表面形成涂層，完成制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：激光熔覆效率高，降低加工成本；與基材結(jié)合良好；操作方便，自動(dòng)化程度高。
【專利說明】采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆技術(shù)作為一種新興的表面改性技術(shù)，由于其綠色無污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在礦山機(jī)械、鋼鐵冶金等零部件的強(qiáng)化和修復(fù)過程被廣泛采用。在具體實(shí)施過程中，激光熔覆工藝在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常遇到的兩個(gè)突出問題:一是激光熔覆效率偏低，導(dǎo)致加工成本過高；二是熔覆層易產(chǎn)生裂紋和氣孔，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。為了解決上述工程瓶頸，有研究人員公開了一種采用雙光束激光快速熔覆方法(專利申請(qǐng)?zhí)?CN201110352255.0)，該方法在同一激光器的基礎(chǔ)上通過激光分束鏡將激光分為一前一后兩束激光，這種方法限制了兩激光束的能量比例，通用性較差。因此，尋求一種加工效率高，同時(shí)可降低激光熔覆層開裂傾向的方法成為促進(jìn)激光熔覆工業(yè)化的必然需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，通過合理調(diào)整激光光束的空間分布，可實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、熔覆、緩冷同步進(jìn)行的激光熔覆方式、多光疊加提高熔覆功率的方式或多光平行搭接熔覆得到大面積熔覆涂層的方式,采用這些方式能大幅提高激
光熔覆效率，同時(shí)提高熔覆層的質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明提供一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，包括以下步驟:
[0005](I)用丙酮或酒`精對(duì)基材表面進(jìn)行除油和清洗處理；
[0006](2)采用第一臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，使基材表面預(yù)熱；或者對(duì)基材不預(yù)熱直接轉(zhuǎn)為步驟(3)；
[0007](3)采用第二或多臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，第二臺(tái)激光器發(fā)射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；
[0008](4)采用送粉器將合金粉末送入基材上的熔池中；
[0009](5)采用第三臺(tái)激光器發(fā)射的激光，使基材表面緩慢冷卻或不用激光器而自然冷卻；
[0010](6)冷卻后使合金粉末在基材表面形成涂層，完成制備。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:(I)無需體積龐大、加熱速度慢、裝卸不方便的用于預(yù)熱和緩冷的加熱爐，可以一次性實(shí)現(xiàn)大面積的激光熔覆涂層，激光熔覆效率與傳統(tǒng)的單激光器熔覆相比可提高幾十倍，大幅降低加工成本；(2)涂層組織致密，與基材結(jié)合良好，稀釋率低，厚度易于控制，無裂紋和氣孔；(3)操作方便，自動(dòng)化程度高，對(duì)基材的形狀尺寸沒有嚴(yán)格的要求，在航空航天、石油化工、礦山機(jī)械、鋼鐵冶金等工業(yè)領(lǐng)域零部件的表面強(qiáng)化和修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中:
[0013]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0014]圖2為本發(fā)明中使用三臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、熔覆、緩冷同步進(jìn)行的激光熔覆的裝置不意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明中使用三臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)多光疊加提高熔覆功率的激光熔覆方式的裝置示意圖。
[0016]圖4為本發(fā)明中使用三臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)多光平行搭接熔覆得到大面積熔覆涂層方式的裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]請(qǐng)參閱圖1-圖4，本發(fā)明提供一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，包括如下步驟:
[0018]步驟1:用丙酮或酒精對(duì)基材表面進(jìn)行除油和清洗處理；
[0019]步驟2:采用第一臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，使基材表面預(yù)熱；或者對(duì)基材不預(yù)熱直接轉(zhuǎn)為步驟(3)；
[0020]激光熔覆過程，由 于熔覆材料與基體材料熱物性差異，尤其是熔覆材料與基體材料在熱膨脹系數(shù)方面的差異，會(huì)導(dǎo)致激光熔覆層出現(xiàn)裂紋。另外，激光熔覆過程的快速冷卻也是激光熔覆層出現(xiàn)裂紋的重要原因，為了緩解激光熔覆層出現(xiàn)裂紋，需要對(duì)熔覆材料與基體材料進(jìn)行預(yù)熱，本發(fā)明采用第一臺(tái)激光器發(fā)射的激光束對(duì)基材材料表面進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)整激光功率，使基材材料表面預(yù)熱溫度為150-800°C。預(yù)熱可以降低基體材料的冷卻速率，降低激光熔覆層的開裂傾向。
[0021]本發(fā)明提供的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，所述基材為不銹鋼、碳鋼、合金鋼或鑄鐵。
[0022]對(duì)于裂紋傾向小的激光熔覆過程，未提高激光熔覆效率，降低激光熔覆工藝的復(fù)雜程度，對(duì)基材材料可以不進(jìn)行預(yù)熱處理，直接進(jìn)入步驟3，實(shí)施激光熔覆。
[0023]步驟3:采用第二或多臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，第二臺(tái)激光器發(fā)射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池；
[0024]第一臺(tái)激光器輸出的激光束對(duì)基體材料預(yù)熱后，第二臺(tái)激光器發(fā)射激光束對(duì)基體材料加熱，使基體材料熔化形成熔池。由于第一臺(tái)激光器輸出激光束的預(yù)熱作用，第二臺(tái)激光器輸出激光束對(duì)基體加熱的溫度升高量變小，由此導(dǎo)致熱變形變小，因此有效得降低了激光熔覆過程的熱應(yīng)力。
[0025]對(duì)于裂紋傾向很小的激光熔覆過程，可以不進(jìn)行預(yù)熱，采用多臺(tái)激光器同時(shí)發(fā)射激光束對(duì)基材材料表面進(jìn)行加熱，使基材材料熔化形成熔池。
[0026]多臺(tái)激光器輸出的激光束輻照在基材材料表面的光斑可以完全重疊在一起，激光功率線性疊加，可以提高激光熔覆的效率，詳細(xì)可參閱圖3所示。多臺(tái)激光器輸出的激光束輻照在基材材料的光斑可以部分重疊在一起，擴(kuò)大激光束掃描的寬度，提高激光熔覆的效率，詳細(xì)可參閱圖4所示。[0027]步驟4:采用送粉器將合金粉末送入基材上的熔池中；
[0028]所述送粉器的噴嘴配置在第二臺(tái)激光器的激光頭上。
[0029]采用多臺(tái)激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，第一臺(tái)激光器輸出的激光束對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱，第二臺(tái)激光器輸出的激光束加熱使基體材料使基體材料熔化形成熔池，同時(shí)將合金粉末通過安裝在第二臺(tái)激光器的激光頭上的同軸送粉噴嘴送入基材上的熔池中。
[0030]采用多臺(tái)激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，多臺(tái)激光器輸出的激光束在基材材料表面的光斑完全重疊，對(duì)基材材料加熱使基材材料熔化形成熔池，同時(shí)將合金粉末通過安裝在第二臺(tái)激光器的激光頭上的同軸送粉噴嘴送入基材上的熔池中。
[0031]其中所述送粉器的噴嘴為單獨(dú)配置，位于多臺(tái)激光器的激光頭的一側(cè)，詳細(xì)參閱圖4所示。
[0032]采用多臺(tái)激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，多臺(tái)激光器輸出的激光束在基體材料表面的光斑部分重疊，擴(kuò)大了激光束單次掃描的寬度。合金粉末由單獨(dú)配置的側(cè)向送粉噴嘴4送入基材的熔池中。
[0033]步驟5:采用第三臺(tái)激光器發(fā)射的激光，使基材表面緩慢冷卻或不用激光器而自然冷卻；
[0034]第二臺(tái)激光器輸出激光束，同時(shí)將合金粉末通過安裝在第二臺(tái)激光器的激光頭上的同軸送粉噴嘴送入基體材料的熔池中。接著由第三臺(tái)激光器發(fā)射激光束，對(duì)基體材料進(jìn)行加熱，使基體材料表面緩慢冷卻。緩慢冷卻可以有效降低激光熔覆層的開裂傾向，提高激光熔覆層的表面質(zhì)量。
[0035]對(duì)于不易開裂的`激光熔覆材料，為提高工作效率可以不用激光器輸出激光緩冷，而使激光熔覆層自然冷卻。
[0036]所述多臺(tái)激光器為光纖激光器、固體激光器或半導(dǎo)體激光器；該多臺(tái)激光器為連續(xù)激光器或是脈沖激光器；該多臺(tái)激光器的功率范圍為30010000W。多臺(tái)激光器聚焦后的光束沿激光掃描方向依次輸出，每?jī)蓚€(gè)光束焦點(diǎn)之間的距離為0-50mm。當(dāng)每個(gè)光束焦點(diǎn)之間距離為O時(shí)，多束激光束光斑完全重疊，激光功率線性疊加，可以顯著提高激光熔覆的效率。當(dāng)每個(gè)光束焦點(diǎn)之間距離大于O時(shí)，可以通過調(diào)整多臺(tái)激光器的激光頭位置，使多臺(tái)激光器輸出的激光束在基材表面的光斑部分重疊或不重疊。所屬激光器的激光束的掃描速度為3mm/S-20mm/S。激光束的掃描速度增大時(shí)，冷卻速率增大，激光熔覆層的開裂傾向增大；激光束的掃描速度減小時(shí)，冷卻速率減小，激光熔覆層的開裂傾向減小，但是會(huì)降低激光熔覆的效率。本發(fā)明提出激光束的掃描速度范圍為3mm/S-20mm/S，這是優(yōu)化的掃描速度范圍，可以最大程度降低激光熔覆層的開裂傾向，又能保證激光熔覆的效率。
[0037]步驟6:冷卻后使合金粉末在基材表面形成涂層，完成制備。
[0038]實(shí)施例1
[0039]本實(shí)施例的實(shí)施過程如圖2所示.[0040](I)用丙酮將Q235基材A表面的油潰擦拭干凈；
[0041 ] (2)第一臺(tái)激光器輸出的激光束通過激光頭I聚焦與Q235基材A表面，進(jìn)行預(yù)熱，提高Q235基材A對(duì)第二臺(tái)激光器的激光束的吸收率，降低激光熔覆過程的熱應(yīng)力，第一臺(tái)激光器的激光功率600W，使基材的預(yù)熱溫度為400-500°C ；
[0042](3)第二臺(tái)激光器輸出的激光束通過激光頭2輻照Q235基材A表面，使Q235基材(A)表面熔化，形成熔池；第二臺(tái)激光器的激光功率為1.2kff ；
[0043](4)第二臺(tái)激光器的激光頭2配置同步送粉噴嘴，采用送粉器與同步送粉噴嘴將合金粉末送入Q235基材A的熔池中；
[0044](5)第三束激光器輸出的激光束通過激光頭3輻照Q235基材A表面對(duì)已形成的涂層進(jìn)行緩冷，降低涂層的開裂傾向，第三臺(tái)激光器的激光功率為800W，三臺(tái)激光器的激光束聚焦后在Q235基材A表面的光斑直徑為4mm，每?jī)蓚€(gè)光束焦點(diǎn)之間的距離為5mm。激光束掃描速度為8mm/s ；
[0045](6)冷卻后使合金粉末在Q235基材A表面形成涂層，涂層厚度為1.5mm，無裂紋和氣孔，涂層與基材結(jié)合良好，完成制備。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本實(shí)施例的實(shí)施過程如圖3所示。
[0048](I)用丙酮將27SiMn液壓支柱A表面的油潰擦拭干凈；
[0049](2)激光熔覆過程無預(yù)熱，使用3臺(tái)IKW光纖激光器直接進(jìn)行激光熔覆；
[0050](3)三臺(tái)激光器產(chǎn)生的激光束通過加工頭1、2、3聚焦作用于27SiMn液壓支柱A表面同一位置，使27SiMn液壓支柱A表面熔化形成熔池，三臺(tái)激光器的三束激光束光斑直徑均為3mm，在基材表面光斑中心完全重疊，每臺(tái)激光器的功率為800W，相當(dāng)于一臺(tái)2400W的激光器進(jìn)行激光熔覆加工:
[0051](4)第二臺(tái)激光器`的激光頭2配置同步送粉噴嘴。采用送粉器與同步送粉噴嘴將Fe基合金粉末送入27SiMn液壓支柱A表面的熔池中；激光束掃描速度為10mm/S ；
[0052](5)激光熔覆過程無緩冷過程，激光熔覆層自然冷卻；
[0053](6)冷卻后得到厚度為2mm的激光熔覆涂層，涂層與基材結(jié)合良好，無裂紋和氣孔，完成制備。
[0054]實(shí)施例3
[0055]本實(shí)施例的實(shí)施過程如圖4所示。
[0056](I)用丙酮將304不銹鋼A表面的油潰擦拭干凈；
[0057](2)激光熔覆過程無預(yù)熱，使用3臺(tái)2KW固體激光器直接進(jìn)行激光熔覆；
[0058](3)三臺(tái)激光器產(chǎn)生的激光束通過加工頭1、2、3聚焦于304不銹鋼A表面，三個(gè)激光束在304不銹鋼A表面的光斑直徑為4mm，三個(gè)光斑部分重疊，第二臺(tái)激光器的激光頭2輸出的激光功率為1200W，第一臺(tái)激光器的激光頭I與第三臺(tái)激光器的激光頭3輸出的激光功率均為1600W。
[0059](4)采用送粉器與單獨(dú)配置的側(cè)向送粉噴嘴4將Ni基合金粉末送入基材的熔池中；
[0060](5)不用激光器發(fā)射激光束而自然冷卻；
[0061](6)冷卻后使合金粉末在304不銹鋼A表面形成厚度為1.8_涂層，涂層與基材結(jié)合良好，無裂紋和氣孔，完成制備。
[0062]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，包括以下步驟: (1)用丙酮或酒精對(duì)基材表面進(jìn)行除油和清洗處理； (2)采用第一臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，使基材表面預(yù)熱；或者對(duì)基材不預(yù)熱直接轉(zhuǎn)為步驟(3)； (3)采用第二或多臺(tái)激光器發(fā)射的激光束輻照在基材指定位置的表面，第二臺(tái)激光器發(fā)射的激光束使基材表面熔化，使基材表面形成熔池； (4)采用送粉器將合金粉末送入基材上的熔池中； (5)采用第三臺(tái)激光器發(fā)射的激光，使基材表面緩慢冷卻或不用激光器而自然冷卻； (6)冷卻后使合金粉末在基材表面形成涂層,完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述基材為不銹鋼、碳鋼、合金鋼或鑄鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述多臺(tái)激光器為光纖激光器、固體激光器或半導(dǎo)體激光器；該多臺(tái)激光器為連續(xù)激光器或是脈沖激光器；該多臺(tái)激光器的功率范圍為300-10000W。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述的激光熔覆方式是多臺(tái)激光器 聚焦后的光束沿激光掃描方向依次輸出，每?jī)蓚€(gè)光束焦點(diǎn)之間的距離為0-50mmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述的預(yù)熱溫度為150-800。。。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述送粉器的噴嘴配置在第二臺(tái)激光器的激光頭上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中所述送粉器的噴嘴為單獨(dú)配置，位于多臺(tái)激光器的激光頭的一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多激光器進(jìn)行激光熔覆的方法，其中激光器的激光束的掃描速度為3mm/s-20mm/s。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103774137SQ201410022544
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】林學(xué)春, 趙樹森, 劉發(fā)蘭, 王奕博, 周春陽(yáng), 高文焱 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所