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激光熔覆光头的研究进展
发布时间:2023-04-28
作者:编辑
来源:网络
浏览数:779

        激光熔覆由于根据工件的技术要求,在工件表面进行精准熔覆所需的高性能材料,其熔覆层具有稀释率小、组织致密,与基体结合良好的特点,且工作环境无污染等优点,使激光熔覆应用正迅速扩大。随着激光熔覆应用的扩大,激光熔覆设备也在不断改进,其中激光熔覆光头的改进最引人瞩目。激光熔覆头主要由光学部件、送粉部件等构成。通过激光熔覆头将激光设备发出的光和送粉器输出的粉末形成交汇,使高能激光束将粉末全部有效熔覆到工件表面。

       早期激光功率较低,多数用透射聚焦镜和旁轴送粉进行激光熔覆。随着激光功率的不断增加,现在多数用反射聚焦镜和旁轴或同轴送粉进行激光熔覆。不同规格反射聚焦镜与不同送粉方式进行配置使得激光熔覆能高效应用于不同场合。


应   用   形   式
01

  

 圆形光斑+旁轴送粉

                

       与早期透射聚焦镜和旁轴送粉不同是现在光纤激光可以输出高斯分布或平顶的激光束。平顶的激光束的应用不但提高了激光束的能量利用率,还因为平顶的激光束使受照射粉末都能吸收相近的能量,极大地改善熔覆层质量。旁轴送粉具有机构简单、灵活的特点,使得圆形光斑+旁轴送粉能适应各种激光熔覆应用。

高斯光束与平顶光束对熔覆的影响对比


02

 

矩形光斑+旁轴送粉


       将“圆形光斑+单束送粉”方式发展为“矩形光斑+宽带送粉”方式极大提升了熔覆效率,极大改善了熔覆时中间与两侧的能量密度不均匀情况,改善了熔覆层质量。圆形光斑+单束送粉的单道熔覆层宽度只有3-4mm。充分利用现在激光功率大的优势,矩形光斑+宽带送粉的单道熔覆层可以到达30mm宽。随着激光设备的功率不断加大,价格不断降低,利用激光“矩形光斑+宽带送粉”光斑熔覆在许多场合不但比传统堆焊的质量更好,而且成本更低。这不但扩大激光熔覆的应用,也提高了产品的质量,“矩形光斑+宽带送粉”由于变化扫描方向时,光粉耦合会出现明显的方向性,影响熔覆层的性能,通常用于形状简单零件的大面积表面激光熔覆。

 

03

 

圆形光斑+同轴送粉



       同轴熔覆头在工作时,激光束、合金粉末、保护气体是同轴输出。同轴送粉熔覆光头由于粉束和激光束同轴输出,使得激光束和保护气体与粉末流各向同性,克服了旁轴送粉方向性的限制,可保证任意熔覆路径下熔覆状态、熔覆层的性能一致性。使得熔覆时,熔池可以获得很好的气体保护,使得熔覆层质量更好,熔覆材料种类更多。由于同轴送粉熔覆喷头无方向性问题,还可应用于激光金属增材制造(3D打印),通过逐层沉积可近净成形大型结构件、复杂结构件等。

激光熔覆光头1_副本.png

       同轴熔覆优良的质量,极大促进应用领域,同时更进一步促进该技术发展。根据激光束和粉束的相对位置,现在同轴送粉熔覆喷头可分为光外同轴送粉喷头和光内同轴送粉喷头。光外同轴送粉喷头是采用“粉包光”的光粉耦合模式,激光束从中心出射,光束周围为倾斜布置的多个粉嘴送粉或环状送粉,工作时激光束和粉束汇聚在工作表面并形成熔池。光内同轴送粉喷头是采用“光包粉”的光粉耦合模式,圆形实心光束转换为圆环锥形光束或多光束,中空无光区域垂直放置送粉管,实现光束中空,粉管居中,光内送粉。粉末垂直加工面喷射,由于粉末喷射方向与包围粉束的准直气流方向、外围聚焦环锥形光束轴线方向均相同,故三相流互不干涉,粉末发散小,集束性好,因此在一定的长度范围内能够保证光束、保护气都包围粉束,进一步提高了粉末利用率和熔覆层质量,减少熔覆层的表面粘粉和熔覆过程中的飞溅。

发   展   趋   势

       随着激光器的功率不断加大,宽带同轴送粉熔覆现在也获得越来越多的应用。宽带同轴送粉熔覆主要由送粉道、保护气道和激光束通道组成。光外同轴送粉宽带光头的中心为矩形光斑,光束外两侧为与激光光斑相适应的矩形粉末流道。光外同轴送粉宽带光头的中心是矩形送粉装置,外层为双光束,熔覆层最大宽度到达40mm。

       随着激光熔覆应用的不断扩大,加工技术不断提高,激光熔覆头技术发展在不断提高。特别是宽带同轴送粉熔覆技术,激光束、粉末、保护气体的不同交汇方式必将促进激光熔覆技术的提高,必将促进激光熔覆应用领域的扩展,必将带产业技术升级。


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