技术领域
[0001] 本
发明涉及激光
熔覆技术领域，具体涉及一种单光束双光斑复合能场激光熔覆头。
背景技术
[0002] 激光熔覆(Laser Cladding)技术是一种新兴的
快速成型技术，通过送粉器快速送粉的方式在被熔覆基体表面上喷射粉末材料同时经激光辐照使之和基体表面一薄层同时
熔化，并快速
凝固后形成稀释度极低、并与基体成
冶金结合的表面涂层，显著改善
基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗
氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。该技术具有熔覆层组织致密、成形快、生产周期短、实现材料梯度功能、柔性化程度高可控性好等优点，因此应用前景十分广阔。
[0003] 然而，现有的激光熔覆加工头在单光斑激光熔覆中往往存在气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题，这些问题严重阻碍了激光熔覆技术的发展。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提供一种单光束双光斑复合能场激光熔覆头，通过锥台半透光反光镜上将激光
光源一分为二，形成用于熔池搅拌的搅拌光斑光路以及用于激光熔覆的环形光斑，通过环形光斑进行激光熔覆，搅拌光斑进行熔池搅拌和双能场
重熔，有效解决了激光熔覆中往往存在气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明使用的技术方案如下：
[0006] 一种单光束双光斑复合能场激光熔覆头，包括：
[0007]
支撑架，构造成具有第一部分和第二部分，其中第一部分位于第二部分的上部，并定义了供激光光束射入的通道；
[0008] 设置在支撑架的第二部分的中央
位置的正棱台半透反射镜，具有允许激光光束透过的底面以及反射激光光束的侧面；
[0009] 围绕所述正棱台半透反射镜的外侧设置的环形反光镜，其中环形反光镜的反光面与正棱台半透反射镜的侧面平行；
[0010] 位于支撑架的第二部分、并支撑所述环形反光镜的第一垫板；
[0011] 位于支撑架的第二部分、并支撑所述正棱台半透反射镜的
固定板，卡在所述第一垫板形成的空腔内；
[0012] 设置在固定板的下方的套筒托架，所述套筒托架的底面中央位置设置有与所述正棱台半透反射镜相对的锥形反射镜；以及
[0013] 设置在所述套筒托架的侧面、并可受驱动而旋转的反光镜，所述反光镜的反射面朝向锥形反射镜的侧面。
[0014] 进一步地，通过支撑架第一部分的通道所射入的激光光束形成的的光斑的内光斑透过正棱台半透反射镜的底面垂直向下照射到锥形反射镜，经过锥形反射镜反射到旋转的反光镜,投射到
工件表面形成激光搅拌光斑；
[0015] 外光斑通过正棱台半透反射镜的侧面反射到环形反光镜上，通过环形反光镜再反射到工件表面，形成用于激光熔覆的环形光斑。
[0016] 进一步地，所述正棱台半透反射镜内圆透光直径为D，锥形反光镜的外圆最大直径为d，其中D＝d。
[0017] 进一步地，所述支撑架的第二部分形成一空腔，用于容纳所述的正棱台半透反射镜、环形反光镜以及第一垫板。
[0018] 进一步地，所述空腔的直径大于所述通道的直径。
[0019] 进一步地，所述空腔的顶部还设置有一圆环形
垫片，所述环形反光镜压紧在圆环形垫片与第一垫片之间。
[0020] 进一步地，所述圆环形垫片为缓冲垫片。
[0021] 进一步地，所述圆环形垫片的内圆直径与支撑架的第一部分的通道的直径相同。
[0022] 进一步地，所述设置在套筒托架的侧面的反光镜的旋转
角度大于等于环形光斑的光斑半径。
[0023] 进一步地，所述支撑架的第二部分底部边缘还设置有环形挡
块，压紧第一垫板。
[0024] 根据本发明还提出一种用于单光束双光斑复合能场激光熔覆头的光学组件，包括：
[0025] 位于入射通路的正棱台半透反射镜，其具有允许激光光束透过的底面以及反射激光光束的侧面；
[0026] 围绕正棱台半透反射镜的外侧设置的环形反光镜，其中环形反光镜的反光面与正棱台半透反射镜的侧面平行；
[0027] 位于正棱台半透反射镜的下方的锥形反射镜，接收透过正棱台半透反射镜的底面的光束，并进行反射；
[0028] 位于锥形反射镜的反射光路上，并且反射面与所述锥形反射镜的侧面相对的可旋转的反射镜；
[0029] 其中，所述入射的激光光束的形成的的光斑的内光斑透过正棱台半透反射镜的底面，垂直向下照射到锥形反射镜，经过锥形反射镜反射到旋转的反光镜,投射到工件表面形成激光搅拌光斑，构成激光搅拌光路；
[0030] 所述入射的激光光束的形成的的光斑的外光斑经由正棱台半透反射镜的侧面反射到环形反光镜上，通过环形反光镜再反射到工件表面，形成用于激光熔覆的环形光斑，构成激光熔覆光路。
[0031] 进一步地，所述正棱台半透反射镜内圆透光直径为D，锥形反光镜的外圆最大直径为d，其中D＝d。
[0032] 进一步地，所述反光镜的旋转角度大于等于环形光斑的光斑半径。
[0033] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0034] 结合
附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、
实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0035] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0036] 图1是本发明实施例的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的结构示例；
[0037] 图2是本发明实施例的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的旋转的反光镜部分的局部示意图；
[0038] 图3是本发明实施例的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的光路分路示例；
[0039] 图4是本发明实施例的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的激光搅拌与激光熔覆的示例；
[0040] 图5a-5b、5c-5d分别是通过本发明实施例的单光束双光斑复合能场激光熔覆头制备进行加工的制品与传统熔覆头熔覆后的制品的表面宏观形貌和微观组织对比图。
具体实施方式
[0041] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0042] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0043] 结合图1-4所示的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的结构示例，根据本发明示例性实施例的激光熔覆头具有激光搅拌光路和激光熔覆光路，分别形成搅拌光斑和熔覆光斑(环形光斑)，通过环形光斑进行激光熔覆，搅拌光斑进行熔池搅拌和双能场重熔，有效解决传统激光熔覆中往往存在气孔率较多、晶粒粗大，粉末熔化不均匀以及熔覆层表面不平整的问题，可以进行性能更加优良的表面激光熔覆。
[0044] 如图1-4所示的单光束双光斑复合能场激光熔覆头包括支撑架1、正棱台半透反射镜2、环形反光镜3、第一垫板4、圆环形垫板5、固定板6、套筒托架7、锥形反射镜8以及反光镜9。
[0045] 支撑架1，构造成具有第一部分11和第二部分12，其中第一部分11位于第二部分12的上部，并由第一部分定义了供激光光束射入的通道。
[0046] 图1中，标号100表示用于形成熔覆层的工件表面。
[0047] 结合图1所示，支撑架1具有整体呈上细下粗的结构，其内部分别形成第一圆柱形空腔和第二圆柱形空腔，第一圆柱形空腔呈细长状，其直径小于第二圆柱形空腔的直径。
[0048] 结合图1、3以及图4所示，第一圆柱形空腔构成供外部的激光光束射入的通道。应当理解，外部的
激光器发射的
激光束优选地经过
准直透镜后通过射入支撑架1内部的通道。
[0049] 正棱台半透反射镜2，设置在支撑架的第二部分的中央位置，具有允许激光光束透过的底面以及反射激光光束的侧面。
[0050] 其中，如图1所示，正棱台半透反射镜2呈圆台状，上底面和下底面平行设置，并且从前述通道射入的激光光束形成的光斑的内光斑经过上底面和下底面，并透射出去。正棱台半透反射镜2的侧面，构成为反射面，前述形成的光斑的外光斑经过反射面反射出去。
[0051] 环形反光镜3，围绕正棱台半透反射镜2的外侧设置，其中环形反光镜的反光面与正棱台半透反射镜2的侧面平行。
[0052] 结合图1，第一垫板4设置在环形反光镜的下方，位于支撑架的第二部分。通过第一垫板4支撑环形反光镜3。
[0053] 优选地，支撑架的第二部分的空腔内的顶部还设置有一圆环形垫片5，构成缓冲垫片，环形反光镜3压紧在圆环形垫片5与第一垫片4之间。
[0054] 优选地，圆环形垫片5为缓冲垫片，采用具有缓冲效果的材质，例如
橡胶垫片。
[0055] 结合图1、4，圆环形垫片5的内圆直径与支撑架1的第一部分的通道的直径相同，使得外部射入的激光光束不被阻挡。
[0056] 如图1，支撑架的第二部分的空腔内还设置有支撑正棱台半透反射镜2的固定板6，卡在第一垫板形成的空腔内。
[0057] 固定板6的下方还固定有一套筒托架7，套筒托架7的底面中央位置设置有与正棱台半透反射镜2相对的锥形反射镜8。
[0058] 在套筒托架7的侧面还设置有可受驱动而旋转的反光镜9，所述反光镜9的反射面朝向锥形反射镜的侧面。
[0059] 结合图2所示，反光镜9由与其连接的
电机驱动机构15驱动，例如包括电机以及与电机的
输出轴连接的旋转驱动机构，可采用现有的旋转驱动机构，优选地采用高
精度的旋转驱动机构以能够驱动反光镜9旋转即可。
[0060] 固定板6可选地采用高透光玻璃作为固定
挡板，使得经过环形反射镜反射的激光光束可直接透过而投射到工件表面，形成环形的熔覆光斑。
[0061] 如此，结合图2、3所示，通过支撑架第一部分的通道所射入的激光光束形成的的光斑的内光斑透过正棱台半透反射镜的底面垂直向下照射到锥形反射镜，经过锥形反射镜反射到旋转的反光镜,投射到工件表面形成激光搅拌光斑；
[0062] 外光斑通过正棱台半透反射镜的侧面反射到环形反光镜上，通过环形反光镜再反射到工件表面，形成用于激光熔覆的环形光斑。
[0063] 由此，入射的激光光束的形成的的光斑的内光斑透过正棱台半透反射镜的底面，垂直向下照射到锥形反射镜，经过锥形反射镜反射到旋转的反光镜,投射到工件表面形成激光搅拌光斑，构成激光搅拌光路；
[0064] 同时，入射的激光光束的形成的的光斑的外光斑经由正棱台半透反射镜的侧面反射到环形反光镜上，通过环形反光镜再反射到工件表面，形成用于激光熔覆的环形光斑，构成激光熔覆光路。
[0065] 通过本发明实现的单光束双光斑复合能场，在进行激光熔覆
增材制造的工艺中，能够实现在大的熔覆光斑进行激光熔覆的同时，通过反射镜(作为振镜)偏转产生的搅拌光斑对尚未凝固的熔池进行激光搅拌，有效避免熔覆过程中气孔的产生，同时由于双重激光能场的复合作用，使熔池更加均匀，晶粒重熔细化，熔覆层表面成型形貌更加平整。
[0066] 优选地，结合图1、2所示，正棱台半透反射镜内圆透光直径为D，锥形反光镜的外圆最大直径为d，其中D＝d，如此保证内光斑的有效透射和反射，在工件表面形成激光搅拌光斑。
[0067] 优选地，正棱台半透反射镜、环形反光镜、反光镜和锥形反光镜均由对激光
波长反射率高的材料制成，其中旋转反光镜的旋转角度α大于等于环形光斑的光斑半径h，如图3所示。
[0068] 结合图2、3所示，锥形反射镜8优选为具有4个反射面的三角椎型反射镜，对应地设置相同数量的反光镜9，即4个反射镜，对通过锥形反射镜8的反射面分出的光进行汇聚形成小光斑。4个反射镜的安装位置在周向成均匀分布。4个反射镜的光斑调节通过反射镜的旋转进行调节。可选地，反射镜9的旋转方向为上下以及左右旋转。图示中，从侧视方向示例性地绘示了2个反射镜9。
[0069] 在另外的实施例中，锥形反射镜8还可以设置成具有更多的反射面，对应地设置相同数量并分别均匀分布的反射镜9即可，同样地，通过反射镜9的旋转在工件表面形成搅拌光斑。
[0070] 如此，通过搅拌光斑的形成，使得小光斑对熔覆加工过程中的熔池进行搅动，排出加工过程中产生的气孔，使打印出的零件更加致密；通过小光斑的熔池搅动使打印面更加平整，减少大光斑之间的搭接痕迹。同时，通过小光斑的熔池搅动可以使粉末熔化更加充分，避免了打印件中的球形未熔粉末的存在，提高表面加工
质量。
[0071] 如图1所示，支撑架1的第二部分底部边缘还设置有环形挡块10，压紧第一垫板4，实现对整个熔覆头的封装。
[0072] 下面结合具体的示例对本发明的单光束双光斑复合能场激光熔覆头的使用进行更加具体的说明。
[0073] 利用本发明上述实施例的熔覆头，在316L不锈
钢基板表面进行70％In7125+30％WC混合粉末激光熔覆，尺寸为30mm*70mm*2mm，粉末粒径范围选用53～150um。
[0074] 激光熔覆工艺参数为：激光功率1200W，扫描速度0.01m/s，送粉量为1rad/min，光斑搭接率为50％，熔覆两层。
[0075] 同时，以同样工艺参数使用传统的单激光光斑熔覆头熔覆加工工艺重复上述实验，并对结果进行对比分析。
[0076] 结合图5a和5b，其中5a-5b分别为普通激光熔覆头以及本发明的单光束双光斑熔覆头熔覆2mm厚熔覆层的表面形貌对比，可见图5b的表面形貌显然比图5a激光搅拌熔覆2mm厚熔覆层表面形貌优良；图5c-5d分别为普通激光熔覆头以及本发明的单光束双光斑熔覆头熔覆2mm厚熔覆层的微观组织形貌对比，图5d通过激光搅拌熔覆加工得到的2mm厚熔覆层的微观组织形貌显然比图5c的2mm厚熔覆层的微观组织形貌效果更佳，图5c中存在非常明显的
缺陷和由气孔导致的孔洞，而图5d的2mm厚熔覆层组织则更加均匀、细化。
[0077] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视
权利要求书所界定者为准。
