本實(shí)用新型涉及激光熔覆加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備。

背景技術(shù)：

作為20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進(jìn)國(guó)家的高度重視。激光加工是國(guó)內(nèi)外激光應(yīng)用中最大的項(xiàng)目，也是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的切割、焊接、熔覆、打孔、雕刻和熱處理等。其中激光熔覆加工是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉應(yīng)用技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及檢測(cè)技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)展的材料累加“再制造”方法。

激光熔覆是個(gè)極快速的動(dòng)態(tài)熔化和凝固過(guò)程，在室溫下裂紋率很高。對(duì)基體表面預(yù)熱緩冷，可以減少熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)大溫度梯度，從而減少或者避免裂紋的產(chǎn)生?；w預(yù)熱緩冷實(shí)際上就是通過(guò)預(yù)加溫降低了熔覆層由表及里的溫度梯度，也即減緩了覆層的冷卻速度，從而使覆層開裂幾率降低。未經(jīng)過(guò)預(yù)熱緩冷的基體，材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，而經(jīng)過(guò)表面預(yù)熱緩冷的基體，可以發(fā)生良好的結(jié)合強(qiáng)度。在其他條件相同的情況下，對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱緩冷處理，是減小開裂傾向的有效措施。

目前激光熔覆過(guò)程常用的預(yù)熱緩冷方法主要包括系統(tǒng)外部提供加熱和利用激光加熱。申請(qǐng)?zhí)枮椤瓹N200710159310.8’的高熱導(dǎo)率基體激光熔覆加工方法及所用系統(tǒng)；2009年魏青松等《大臺(tái)面選擇性激光燒結(jié)快速成形預(yù)熱優(yōu)化設(shè)計(jì)》的預(yù)熱系統(tǒng)；2012年高雪松等《高頻感應(yīng)輔助激光熔覆MCrAlY涂層的微觀組織及其抗氧化性能》都是采用外部加熱，獲得表面形貌較好的涂層，但是這些方法都存在能量利用率較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足。

申請(qǐng)?zhí)枮椤瓹N201110352257.X’的一種具有預(yù)熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無(wú)裂紋涂層的方法；申請(qǐng)?zhí)枮椤瓹N201410480190.1’的一種激光熔覆過(guò)程利用橢圓形均勻光束的預(yù)熱緩冷方法，均采用焦點(diǎn)基于工作面的橫向分布的排列方式，預(yù)熱加工和緩冷激光始終在一平面，熔覆路徑只能是直線。但實(shí)際加工過(guò)程中零件裂紋形狀復(fù)雜，而且長(zhǎng)度很短，激光束軌跡必須與裂紋形狀時(shí)刻相匹配，該種辦法存在著實(shí)用性不高的缺點(diǎn)。申請(qǐng)?zhí)枮椤瓹N201610144326.0’的一種帶有預(yù)熱和熱處理的復(fù)雜零件分段激光熔覆再制造的方法采用一路激光分段加工，分別進(jìn)行預(yù)熱加工和緩冷工藝，加工過(guò)程復(fù)雜，加工效率不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備。

本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備，所述設(shè)備包括：激光器1、反射鏡2、雙焦點(diǎn)透鏡3、送粉系統(tǒng)5、工作臺(tái)7；

其中，工件6放置于所述工作臺(tái)7上，并且位于所述雙焦點(diǎn)透鏡3的下方；

所述激光器1水平輸出激光，激光經(jīng)過(guò)所述反射鏡2反射后，垂直入射到所述雙焦點(diǎn)透鏡3上，所述雙焦點(diǎn)透鏡3產(chǎn)生兩個(gè)焦點(diǎn)并在工件6的表面上形成兩個(gè)同一光軸的光斑，分別用于熔覆加工以及預(yù)熱、緩冷；

所述送粉系統(tǒng)5用于所述裝置在熔覆加工時(shí)向工件6表面的熔池內(nèi)添加合金粉末。

進(jìn)一步地，所述雙焦點(diǎn)透鏡3由兩個(gè)不同曲面的聚焦鏡構(gòu)成，中間曲面部分的焦距較長(zhǎng)，外圍曲面部分的焦距較短。

進(jìn)一步地，所述雙焦點(diǎn)透鏡3產(chǎn)生2個(gè)焦點(diǎn)并在工件的表面上形成2個(gè)同一光軸的光斑，經(jīng)過(guò)中間曲面部分的激光束為第一光束，其焦點(diǎn)位于工件6的表面，經(jīng)過(guò)外圍曲面部分的激光束為第二光束，其焦點(diǎn)位于工件6的表面上方。

進(jìn)一步地，所述第一光束用于熔覆加工，所述第二光束用于熔覆預(yù)熱和緩冷。

進(jìn)一步地，所述激光器1為增益介質(zhì)為Nd:YAG半導(dǎo)體泵浦固體激光器，波長(zhǎng)為1064nm，光斑直徑為2mm，最大輸出功率為10KW，用于提供激光熔覆光源。

進(jìn)一步地，所述雙焦點(diǎn)透鏡3的兩面鍍有1064nm增透膜。

進(jìn)一步地，所述送粉系統(tǒng)5包括側(cè)向送粉頭4，所述送粉系統(tǒng)5通過(guò)所述側(cè)向送粉頭4將合金粉末吹入工件6表面的熔池內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述反射鏡2與所述激光器1水平輸出的激光呈45度設(shè)置。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1)本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用雙焦點(diǎn)透鏡作為熔覆聚焦鏡，在光軸上的兩個(gè)不同位置得到兩個(gè)焦點(diǎn)，用一個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)一束激光束變?yōu)閮墒す?。代替常用的兩臺(tái)激光產(chǎn)生兩束激光的方法，或者一臺(tái)激光器加上復(fù)雜的分光系統(tǒng)生產(chǎn)兩束激光的方法，減少了設(shè)備的成本和外形，降低設(shè)備的復(fù)雜性。

2)本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用透鏡中心區(qū)域長(zhǎng)焦距焦點(diǎn)位于工件表面，短焦距焦點(diǎn)位于工件表面以上，照射到基材上形成以光軸為中心的光斑。這樣中間的功率密度高用于熔化基材表面形成熔池，周圍的功率密度低，適合預(yù)熱和加工后處理。這樣的布局形成了合理的預(yù)熱、熔覆、熱處理的工序，加工時(shí)候只要激光以光斑邊緣開始作用于工件，就可以實(shí)現(xiàn)具有預(yù)熱和緩冷處理的激光熔覆。

3)本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備用于熔覆的激光位于中心區(qū)域，而用于預(yù)熱和緩冷的裝置位于外圍部分，兩者構(gòu)成一個(gè)以光軸為中心的光斑，不再是三者處于同一直線位置的獨(dú)立光束，具有單束激光加工的靈活性，不在要求熔覆路徑只能是直線。之前采用單束激光的加工過(guò)程中，預(yù)熱、熔覆、熱處理三個(gè)處理過(guò)程分別加工，多次往返，該設(shè)備減少加工環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化加工工序，提高了加工效率和加工質(zhì)量。

4)本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用基材預(yù)熱與涂層緩冷相結(jié)合的方法，可以大幅度提高激光能量的利用率，降低熔覆過(guò)程中的溫度梯度，以及減小涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力。降低涂層的稀釋率，保證涂層與基材呈冶金結(jié)合，減小基材的熱影響區(qū)，從而高效的獲得無(wú)變形、無(wú)裂紋的高性能涂層。獲得的熔覆層組織致密，晶粒細(xì)化，明顯提高了工件的使用壽命和耐磨，耐腐蝕、抗開裂與抗熱震性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)圖；

其中，1---激光器，2---反射鏡，3---雙焦點(diǎn)透鏡，4---側(cè)向送粉頭，5---送粉系統(tǒng)，6---工件，7---工作臺(tái)。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

如圖1所示，本實(shí)施例公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備包括：激光器1、反射鏡2、雙焦點(diǎn)透鏡3、側(cè)向送粉頭4、送粉系統(tǒng)5、工件6、工作臺(tái)7。

其中激光器1為增益介質(zhì)為Nd:YAG半導(dǎo)體泵浦固體激光器，波長(zhǎng)為1064nm，光斑直徑為2mm，最大輸出功率為10KW，用于提供激光熔覆光源。

從激光器1水平輸出的激光，經(jīng)過(guò)與水平激光光路呈45度設(shè)置的反射鏡2反射后，垂直入射到雙焦點(diǎn)透鏡3上。

雙焦點(diǎn)透鏡3是由兩個(gè)不同曲面組成，中間曲面部分的焦距較長(zhǎng)，其焦點(diǎn)位于工件的表面，外圍曲面部分焦距較短，其焦點(diǎn)位于工件的表面上方，這樣就實(shí)現(xiàn)單一的入射光束，在傳播方向上不同距離上得到兩個(gè)不同的焦點(diǎn)。通過(guò)改變中間曲面部分的直徑，可改變兩焦點(diǎn)距離進(jìn)而改變激光能量在工件上的能量分布，從而改變?nèi)鄹布す夂皖A(yù)熱緩冷激光之間的激光功率比例，保證加工效果。雙焦點(diǎn)透鏡3的兩面鍍有1064nm增透膜。

短焦距的外圍曲面部分的第二光束由于焦點(diǎn)短，聚焦于工件的表面上方，并隨著光束傳輸，最終在工作面上形成一個(gè)以光軸為中心的光斑。因?yàn)榫劢裹c(diǎn)不在熔覆基面上，所以單位面積的功率就低于中間部分，低于基材表面熔化閾值，光斑的前半部分用于預(yù)熱，產(chǎn)生約300℃左右的預(yù)熱溫度，用于提高基材對(duì)熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆過(guò)程中的溫度梯度。

長(zhǎng)焦距的中間曲面部分的第一光束聚焦于工件的表面，使用的時(shí)候激光熔覆的焦點(diǎn)貼近基材表面，形成高功率密度的熔覆激光，作用在基材表面形成的熔池，送粉系統(tǒng)5中側(cè)向送粉頭4將合金粉末吹入熔池內(nèi)，熔化的合金粉末在基材表面鋪開，當(dāng)激光束運(yùn)動(dòng)移開后，熔覆層快速凝固并結(jié)晶形成涂層。掃描速度為180-800mm/min，熔覆厚度1-2mm，送粉率30-260g/min。

激光熔覆加工完成后，隨著激光束的移動(dòng)，短焦距的外圍曲面部分的第二光束的后半部分照射到涂層上，使熔覆加工后的涂層溫度控制在300℃左右。對(duì)形成的熔覆涂層進(jìn)行緩冷處理，從而降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，消除熔覆層內(nèi)的裂紋。

綜上所述，本實(shí)用新型公開的一種基于雙焦點(diǎn)透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用雙焦點(diǎn)透鏡作為熔覆聚焦鏡，該透鏡半徑中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)聚焦，透鏡外圍部分實(shí)現(xiàn)短聚焦，在光路上形成兩個(gè)焦點(diǎn)。激光熔覆設(shè)備采用長(zhǎng)焦距焦點(diǎn)位于工件的工件表面，短焦距焦點(diǎn)位于工件的工件表面以上，這樣外圍激光作用面積大，作用于基體產(chǎn)生的溫度低，適合預(yù)熱和加工后的緩冷處理。中間激光加工區(qū)域小，功率密度高，高功率密度激光局部熔化基材表面形成熔池。用單一的入射光，實(shí)現(xiàn)了既能激光熔覆加工，又能預(yù)熱和緩冷處理，減小溫度梯度和熱應(yīng)力。而且用于加工的激光和用于預(yù)熱、緩冷激光不是相互排列成直線，而是以光軸為中心的圓分布，具有單激光加工的靈活性，又有多激光可同時(shí)預(yù)熱、熔覆、緩冷的優(yōu)勢(shì)，并且節(jié)省了用于預(yù)熱或緩冷功能的激光器，或?yàn)楂@得預(yù)熱和緩冷激光束的復(fù)雜分光系統(tǒng)，減小設(shè)備成本和體積，提高加工速度和質(zhì)量。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。