本實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世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。激光加工是國內(nèi)外激光應(yīng)用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要實現(xiàn)對各種材料的切割、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發(fā)展起來的多學(xué)科交叉應(yīng)用技術(shù)，是在計算機技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及檢測技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)展的材料累加“再制造”方法。

激光熔覆是個極快速的動態(tài)熔化和凝固過程，在室溫下裂紋率很高。對基體表面預(yù)熱緩冷，可以減少熔覆過程中產(chǎn)生的過大溫度梯度，從而減少或者避免裂紋的產(chǎn)生?；w預(yù)熱緩冷實際上就是通過預(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)過預(yù)熱緩冷的基體，材料與基體的結(jié)合強度低，而經(jīng)過表面預(yù)熱緩冷的基體，可以發(fā)生良好的結(jié)合強度。在其他條件相同的情況下，對基材進行預(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?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《大臺面選擇性激光燒結(jié)快速成形預(yù)熱優(yōu)化設(shè)計》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?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裂紋涂層的方法；申請?zhí)枮椤瓹N201410480190.1’的一種激光熔覆過程利用橢圓形均勻光束的預(yù)熱緩冷方法，均采用焦點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。但實際加工過程中零件裂紋形狀復(fù)雜，而且長度很短，激光束軌跡必須與裂紋形狀時刻相匹配，該種辦法存在著實用性不高的缺點。申請?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，分別進行預(yù)熱加工和緩冷工藝，加工過程復(fù)雜，加工效率不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實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透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備。

本實用新型的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種基于雙焦點透鏡產(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、雙焦點透鏡3、送粉系統(tǒng)5、工作臺7；

其中，工件6放置于所述工作臺7上，并且位于所述雙焦點透鏡3的下方；

所述激光器1水平輸出激光，激光經(jīng)過所述反射鏡2反射后，垂直入射到所述雙焦點透鏡3上，所述雙焦點透鏡3產(chǎn)生兩個焦點并在工件6的表面上形成兩個同一光軸的光斑，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向工件6表面的熔池內(nèi)添加合金粉末。

進一步地，所述雙焦點透鏡3由兩個不同曲面的聚焦鏡構(gòu)成，中間曲面部分的焦距較長，外圍曲面部分的焦距較短。

進一步地，所述雙焦點透鏡3產(chǎn)生2個焦點并在工件的表面上形成2個同一光軸的光斑，經(jīng)過中間曲面部分的激光束為第一光束，其焦點位于工件6的表面，經(jīng)過外圍曲面部分的激光束為第二光束，其焦點位于工件6的表面上方。

進一步地，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。

進一步地，所述雙焦點透鏡3的兩面鍍有1064nm增透膜。

進一步地，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。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1)本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用雙焦點透鏡作為熔覆聚焦鏡，在光軸上的兩個不同位置得到兩個焦點，用一個透鏡實現(xiàn)一束激光束變?yōu)閮墒す狻４娉Ｓ玫膬膳_激光產(chǎn)生兩束激光的方法，或者一臺激光器加上復(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)本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(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)域長焦距焦點位于工件表面，短焦距焦點位于工件表面以上，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，加工時候只要激光以光斑邊緣開始作用于工件，就可以實現(xiàn)具有預(yù)熱和緩冷處理的激光熔覆。

3)本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(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)成一個以光軸為中心的光斑，不再是三者處于同一直線位置的獨立光束，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程中，預(yù)熱、熔覆、熱處理三個處理過程分別加工，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，簡化加工工序，提高了加工效率和加工質(zhì)量。

4)本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(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)，從而高效的獲得無變形、無裂紋的高性能涂層。獲得的熔覆層組織致密，晶粒細化，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。

附圖說明

圖1是本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(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---雙焦點透鏡，4---側(cè)向送粉頭，5---送粉系統(tǒng)，6---工件，7---工作臺。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

實施例

如圖1所示，本實施例公開的一種基于雙焦點透鏡產(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、雙焦點透鏡3、側(cè)向送粉頭4、送粉系統(tǒng)5、工件6、工作臺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，垂直入射到雙焦點透鏡3上。

雙焦點透鏡3是由兩個不同曲面組成，中間曲面部分的焦距較長，其焦點位于工件的表面，外圍曲面部分焦距較短，其焦點位于工件的表面上方，這樣就實現(xiàn)單一的入射光束，在傳播方向上不同距離上得到兩個不同的焦點。通過改變中間曲面部分的直徑，可改變兩焦點距離進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以光軸為中心的光斑。因為聚焦點不在熔覆基面上，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，用于提高基材對熔覆用的激光束的吸收率以及降低熔覆過程中的溫度梯度。

長焦距的中間曲面部分的第一光束聚焦于工件的表面，使用的時候激光熔覆的焦點貼近基材表面，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)激光束運動移開后，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，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。對形成的熔覆涂層進行緩冷處理，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，本實用新型公開的一種基于雙焦點透鏡產(chǎn)生預(yù)熱和緩冷光的激光熔覆設(shè)備采用雙焦點透鏡作為熔覆聚焦鏡，該透鏡半徑中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長聚焦，透鏡外圍部分實現(xiàn)短聚焦，在光路上形成兩個焦點。激光熔覆設(shè)備采用長焦距焦點位于工件的工件表面，短焦距焦點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，又有多激光可同時預(yù)熱、熔覆、緩冷的優(yōu)勢，并且節(jié)省了用于預(yù)熱或緩冷功能的激光器，或為獲得預(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。

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