使用激光掃描頭的激光熔覆的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明通常涉及機械部件熔覆，更具體地涉及用于機械部件表面的清潔、熔覆和熱管理的機械部件熔覆掃描循環。
【背景技術】
[0002]激光在現代工業中具有無數種不同的應用。激光是用來直接熔融材料和預加熱部件，以及在許多不同的診斷和過程控制應用中使用。其中，在焊接領域中，對熱能的空間和時間傳遞激光提供了精確控制的優點。一種專門化類型的激光焊接被稱為激光熔覆，其中光束用來將與待熔覆的部件接觸的原料熔融或用來在接觸待熔覆的部件之前將原料熔融。在一些實例中，以噴霧或預置粉末等形式供應原料，且在其它實例中以絲形式供應。
[0003]長期以來一直被認為熔覆某些部件是改進部件的所有區域或某些區域的性能和/或使用壽命的策略，在許多實例中激光熔覆技術可提供很高的過程效率。Gnanamuthu的第3，952，180號美國專利涉及通過將熔覆材料的間隔棒或絲放置在基板表面，用連續運行的光束掃描熔覆金屬而使其熔覆到金屬基板上的金屬層，所述光束的部分直接撞擊在熔覆金屬上以將其熔融以及所述光束的部分撞擊在基板的相鄰表面區域上以改進其上熔融金屬的流動。可以與激光掃描同步將熔覆材料供應給基板表面。所述過程在基板上產生熔覆金屬的熔覆層，所述熔覆層的特征在于熔覆層內的精細和均質結構。可以通過在熔覆過程期間局部振蕩光束和/或通過多次經過來使熔覆表面平滑化。
[0004]本發明涉及克服由發明人發現或本領域中眾所周知的一個或多個問題。
【發明內容】
[0005]一方面，本發明公開了一種使用具有激光掃描光學器件的激光掃描頭將材料激光熔覆到機械部件的表面上的方法。所述方法通過在對機械部件的珠掃描期間用激光掃描光學器件引導光束進行珠掃描模式的珠掃描，在機械部件的表面形成熔覆材料的熔珠。所述方法還包括在對機械部件的二次掃描期間用激光掃描光學器件引導光束，所述二次掃描在機械部件上與珠掃描偏離預定距離。
[0006]另一方面，本發明公開了一種用于將材料熔覆到機械部件的表面的激光熔覆系統。激光熔覆系統包括激光掃描頭和激光控制系統。激光掃描頭包括產生光束的激光源和接收并引導光束的激光掃描光學器件。激光控制系統包括處理器、珠形成模塊和預清潔模塊。珠形成模塊配置為在對機械部件的表面的珠掃描期間用激光掃描光學器件控制激光掃描頭引導光束形成熔覆材料的熔珠。預清潔模塊配置為在預清潔掃描過程中用激光掃描光學器件控制激光掃描頭以引導光束在珠掃描之前從表面去除雜質。
【附圖說明】
[0007]圖1是激光熔覆系統的功能方框圖。
[0008]圖2是珠掃描的示意圖。
[0009]圖3是珠掃描和預清潔掃描的示意圖。
[0010]圖4是珠掃描和預加熱掃描的示意圖。
[0011]圖5是珠掃描和后加熱掃描的示意圖。
[0012]圖6是包括圖2的珠掃描210、圖3的預清潔掃描220、圖4的預加熱掃描230和圖5的后加熱掃描240的珠掃描模式600的示意圖。
[0013]圖7是在用于將一個或多個材料層施加到機械部件的激光熔覆過程中所使用的激光熔覆循環的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]本文公開的系統和方法包括激光熔覆系統，所述激光熔覆系統包括在激光熔覆過程中用于清潔、熔覆和熱管理的激光掃描頭。在實施方案中，激光掃描頭在包括一個或多個珠掃描模式的激光熔覆循環中引導單個光束。每一個珠掃描模式可以包括將多個處理步驟組合到單個硬件中的珠掃描、預清潔掃描、預加熱掃描和后加熱掃描。預清潔掃描、預加熱掃描和后加熱掃描可以去除雜質和熔渣，并且可以緩解、防止或減少開裂或其他微觀結構問題的形成。
[0015]圖1是激光熔覆系統100的功能方框圖。激光熔覆系統100包括激光掃描頭160和激光控制系統101。激光掃描頭160配置為沿用于激光熔覆過程的機械部件50的表面51引導和掃描激光能量或光束165的聚焦光斑。激光能量可以是極相干光或更一般地電磁輻射。本文公開的激光熔覆系統100和激光熔覆方法可以用來制造、修復或改造機械部件50。
[0016]激光熔覆方法可包括多個激光熔覆循環，其中每個激光熔覆循環在表面51上形成熔覆材料層。每個激光熔覆循環包括至少一個珠掃描模式。每次可以形成材料的一個珠，該珠完成珠掃描模式。激光控制系統101可在一個或多個珠掃描圖案期間控制或指示激光掃描頭160來引導光束165。激光掃描頭160包括激光器或激光源161和掃描光學器件162。激光器161產生光束165。沿著珠掃描圖案并在每個激光熔覆循環期間，掃描光學器件接收并引導光束165。掃描光學器件可以包括配置為機械地控制鏡子移動或使光束165改變方向的多個往復擺動反射鏡和步進電機。壓電致動器、伺服電機或氣動裝置也可以用于機械地控制或移動鏡子。
[0017]激光控制系統101可以在電腦、服務器或諸如計算機數控(CNC)機器的制造用機器上實現，包括用于執行計算機指令的處理器和用于存儲可由處理器執行的可執行軟件模塊的內存。內存包括用于存儲信息或由處理器執行的軟件模塊的永久計算機可讀介質。激光控制系統101可以包括珠形成模塊110、預清潔模塊120、預加熱模塊130、后加熱模塊140和數據存儲器150 ο每個模塊可以控制光束165在每個珠掃描圖案的一部分上。激光控制系統101可以控制步進電機和往復擺動反射鏡移動以控制包括光束165的焦斑和路徑的光束165。
[0018]珠形成模塊110可以在珠掃描過程中控制或指示激光掃描頭160以引導光束165并可以在每個珠掃描過程中控制原料供應。圖2是珠掃描210的示意圖。頁面表面模擬機器部件50的表面51。珠形成模塊110控制或指示激光掃描頭160以引導光束165跨過珠掃描長度211。每次引導光束165跨過珠掃描長度211均可以被視為通路。珠掃描210可以包括一個或多個通路。在圖2所示的實施方案中，珠掃描210包括多個通路。在圖2中，每個通路顯示為圓弧，為了便于說明，通路略有偏移。通常珠掃描210的每個通路為線性或在一條直線上。所述直線可以垂直于熔覆方向205。還可以使用其他曲線和回路。通常，珠掃描210的每一個通路在先前一個或多個通路正上方。
[0019]光束165使基板或機器部件50的表面熔化并將原料熔覆到機器部件50上，以形成跨過珠掃描長度211的熔珠。完成珠掃描210后，珠形成模塊110可以控制或指示激光掃描頭160以引導光束165沿熔覆方向205移動，并進行后續珠掃描以形成下一個熔珠，其可以鄰近先前的熔珠。可以繼續引導光束165在熔覆方向205上沿著表面51向前，以進行激光熔覆循環中的每一次珠掃描。
[0020]在珠掃描210過程中，原料供應可以與光束165的運動相一致。原料可以以粉末狀材料、絲等進行供應。原料或熔覆材料在組成上可以與基板相似或可為表面硬化工具鋼材料諸如4140、4340或其他類似材料，但是本發明不局限于此。
[0021]預清