一种环形光斑光纤激光熔覆方法与系统

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种环形光斑光纤激光熔覆方法与 系统。


背景技术：

2.随着激光技术的不断成熟，在传统堆焊技术上，引入了激光表面加工技术， 从而形成了激光熔覆处理技术。激光熔覆技术是指利用高能激光束将合金粉末与 基体材料高温熔化，形成熔池，在激光束离开熔池以后快速冷却、凝固形成一种 高质量的功能涂层，利用涂层特性来改善基体材料的耐腐蚀性、耐磨、耐高温和 抗氧化性等的一种表面改性技术。随着大功率高质量光纤激光器的发展，近年来 成功研发了可调节环形光斑光纤激光器。研究发现，改变聚焦激光光斑在工件上 的强度分布，使之明显区别于传统的单峰高斯分布，即可实现高速且无飞溅的金 属加工。传统的送粉激光熔覆对粉末利用率较低，并且还会伴随粉末元素蒸发烧 损严重、稀释率较高、熔覆层易产生裂纹、熔覆层与基材的冶金结合较差以及熔 池稳定性差等一系列问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述案中的不足，本发明旨在提供一种环形光斑光纤激光熔覆方法 与系统，以解决激光熔覆中出现的粉末利用率低、熔覆层易产生裂纹、粉末元素 蒸发烧损严重以及熔池稳定性差等问题。
4.本发明提供一种环形光斑光纤激光熔覆方法，包括如下步骤：
5.步骤1：对激光熔覆基体进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，然后将 基体用夹具夹紧；
6.步骤2：提供激光熔覆系统，激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输 光纤、激光熔覆头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴；
7.步骤3：提供交变磁场系统，包括电磁线圈、电源、电缆；
8.步骤4：开启交变磁场系统，打开电源对电磁线圈进行通电，产生交变磁场；
9.步骤5：打开环形光斑光纤激光器，激光熔覆头输出聚焦环形光斑激光束， 开启送粉系统，静电送粉喷嘴向熔覆区吹送金属粉末，激光熔覆头沿预设轨迹运 动，实施激光熔覆；
10.步骤6：激光熔覆头到达预设轨迹末端点，关闭激光熔覆系统，关闭送粉系 统，关闭交变磁场系统，完成激光熔覆。
11.进一步地，步骤1中，基体形状为棒材。
12.进一步地，基体材料为铝合金和镁合金等。
13.进一步地，步骤2中，静电送粉喷嘴与激光熔覆头固连，静电送粉喷嘴末端 与水平面夹角α为30-60
°
，静电送粉喷嘴末端与基体表面熔覆区切平面的距离 h为1.5-5mm。
14.进一步地，步骤4中，电磁线圈的磁感应强度为30-90mt，交变磁场频率 为1-20hz。
15.本发明还提供一种环形光斑光纤激光熔覆系统，包括激光熔覆系统、交变磁 场系统等。所述激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光熔覆头、 送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴。所述交变磁场系统包括电磁线圈、电源、电缆。 其中电磁线圈与激光熔覆头固连，垂直于基体表面熔覆区切平面施加交变磁场； 静电送粉喷嘴与激光熔覆头固连，实现旁轴同步送粉激光熔覆。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明采用环形光斑光纤激光熔覆，配合静电送粉喷嘴和交变磁场系 统，在熔覆过程中，带电金属粉末从静电送粉喷嘴末端喷出时，在交变磁场的作 用下，受到洛伦兹力的影响，金属粉末呈环形分布，最终金属粉末填充在低能量 密度的环光束作用区域，从而避免了过多的金属粉末与高能量密度的中心光束相 互作用导致剧烈蒸发，提高了金属粉末材料利用率。
18.(2)本发明采用环形光斑光纤激光熔覆，低能量密度环光束前部加热金属 粉末和基体，环光束后部对激光熔覆区具有保温效果，减少了熔覆层因温度梯度 过大而产生的裂纹，有效提高了熔覆层质量。
附图说明
19.图1为环形光斑光纤激光熔覆的总体结构示意图。
20.图2为环形光斑光纤激光熔覆区横截面示意图。
21.图3为交变磁场方向向上时金属粉末流动示意图。
22.图4为交变磁场方向向下时金属粉末流动示意图。
23.图中，1-激光熔覆头，2-电磁线圈，3-环形光斑光纤激光束，4-母材，5-熔覆 层，6-金属粉末，7-静电送粉喷嘴，8-中心光束，9-环光束。
具体实施方案
24.以下将结合附图以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
25.如图1-4所示，本发明实施例中，一种环形光斑光纤激光熔覆方法具体包括 如下步骤。
26.步骤1：对基体的表面进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，然后将基 体用夹具夹紧，其中，基体形状为棒材，基体材料为铝合金和镁合金等；
27.步骤2：提供激光熔覆系统，激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输 光纤、激光熔覆头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴，其中静电送粉喷嘴与激光 熔覆头固连，静电送粉喷嘴末端与水平面夹角α为30-60
°
，静电送粉喷嘴末端 与基体表面熔覆区切平面的距离h为1.5-5mm。
28.步骤3：提供交变磁场系统，包括电磁线圈、电源、电缆；
29.步骤4：开启交变磁场系统，打开电源对电磁线圈进行通电，产生交变磁场， 其中电磁线圈的磁感应强度为30-90mt，交变磁场频率为1-20hz；
30.步骤5：打开环形光斑光纤激光器，激光熔覆头输出聚焦环形光斑激光束， 打开交变磁场系统，开启送粉系统，静电送粉喷嘴向熔覆区吹送金属粉末，激光 熔覆头沿预设轨迹运动，实施激光熔覆；
31.步骤6：激光熔覆头到达预设轨迹末端点，关闭激光熔覆系统，关闭送粉系 统，关闭交变磁场系统，完成激光熔覆。
32.本发明实施例还提供一种环形光斑光纤激光熔覆系统，包括激光熔覆系统、 交变磁场系统等。所述激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光 熔覆头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴。所述交变磁场系统包括电磁线圈、电 源、电缆。其中电磁线圈与激光熔覆头固连，垂直于基体表面熔覆区切平面施加 交变磁场；静电送粉喷嘴与激光熔覆头固连，实现旁轴同步送粉激光熔覆。
33.本实施例采用环形光斑光纤激光熔覆，配合静电送粉喷嘴和交变磁场系统， 在熔覆过程中，带电金属粉末从静电送粉喷嘴末端喷出时，在交变磁场的作用下， 受到洛伦兹力的影响，金属粉末呈环形分布，最终金属粉末填充在低能量密度的 环光束作用区域，从而避免了过多的金属粉末与高能量密度的中心光束相互作用 导致剧烈蒸发，提高了金属粉末材料利用率。同时，本实施例采用环形光斑光纤 激光熔覆，低能量密度环光束前部加热金属粉末和基体，环光束后部对激光熔覆 区具有保温效果，减少了熔覆层因温度梯度过大而产生的裂纹，有效提高了熔覆 层质量。
34.尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性 的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可 包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及 等效方案。


技术特征：
1.一种环形光斑光纤激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：进行焊前处理，对激光熔覆基体进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，然后将基体用夹具夹紧；步骤2：提供激光熔覆系统，激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光熔覆头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴；步骤3：提供交变磁场系统，包括电磁线圈、电源、电缆；步骤4：开启交变磁场系统，打开电源对电磁线圈进行通电，产生交变磁场；步骤5：打开环形光斑光纤激光器，激光熔覆头输出聚焦环形光斑激光束，开启送粉系统，静电送粉喷嘴向熔覆区吹送金属粉末，激光熔覆头沿预设轨迹运动，实施激光熔覆；步骤6：激光熔覆头到达预设轨迹末端点，关闭激光熔覆系统，关闭送粉系统，关闭交变磁场系统，完成激光熔覆。2.根据权利要求1所述的一种环形光斑光纤激光熔覆方法，其特征在于，基体材料为铝合金和镁合金等。3.根据权利要求1所述的一种环形光斑光纤激光熔覆方法，其特征在于，静电送粉喷嘴与激光熔覆头固连，静电送粉喷嘴末端与水平面夹角α为30-60
°
，静电送粉喷嘴末端与基体表面熔覆区切平面的距离h为1.5-5mm。4.根据权利要求1所述的一种环形光斑光纤激光熔覆方法，其特征在于，电磁线圈的磁感应强度为30-90mt，交变磁场频率为1-20hz。5.本发明还提供一种环形光斑光纤激光熔覆系统，包括激光熔覆系统、交变磁场系统等；所述激光熔覆系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光熔覆头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴。所述交变磁场系统包括电磁线圈、电源、电缆；其中电磁线圈与激光熔覆头固连，垂直于基体施加交变磁场；静电送粉喷嘴与激光熔覆头固连，实现旁轴同步送粉激光熔覆。

技术总结
本发明提供一种环形光斑光纤激光熔覆方法与系统。包括如下步骤：对激光熔覆基体进行熔覆前处理；提供激光熔覆系统；提供交变磁场系统；开启交变磁场系统、激光熔覆系统，实施激光熔覆；本发明采用交变磁场控制金属粉末流动辅助进行环形光斑光纤激光熔覆，解决激光熔覆中出现的粉末利用率低、熔覆层易产生裂纹、粉末元素蒸发烧损严重以及熔池稳定性差等问题，有效提高了激光熔覆质量和效率。有效提高了激光熔覆质量和效率。有效提高了激光熔覆质量和效率。


技术研发人员：肖国军 胡永乐 张明军
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2022.07.28
技术公布日：2022/12/16