CN101402156A - 基于激光复合延寿技术的激光器镜片防护方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工与激光器技术领域，特指耐热件激光复合延寿激光器镜片防护方法与装置，在激光器镜片和试样间设置一与伺服电机、机架、控制系统、防护罩和防护玻璃清洁装置依次相连的防护盘，保护镜片；在激光冲击脉冲间隔，伺服电机带动防护盘转过一定角度，在激光熔覆、淬火的连续激光作用时，伺服电机带动防护盘连续转动，从而防护盘的被污染部位离开激光工作部位，经防护玻璃清洁装置快速清洁后的防护盘部位移到激光工作部位，为持续激光工作做准备；同时，防护玻璃清洁装置进行防护盘的受污染部位的清洁和干燥。其具有结构简单、成本低、简化镜片清洁过程、防护玻璃无划痕、便于实现多点连续冲击、长时间激光熔覆淬火的优点。

Description

基于激光复合延寿技术的激光器镜片防护方法与装置

技术领域

本发明涉及激光特种加工与激光器技术领域，特指耐热件激光复合延寿激光器镜片防护方法与装置。

背景技术

自20世纪60年代激光器问世以来，激光技术得到了迅速的发展与运用，激光冲击波技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光熔覆技术、激光检测技术等激光应用技术目前广泛应用于机械工程、航空航天、微电子、军事等各行各业中。

链篦机-回转窑-环冷机是重要的钢铁冶炼炉料生产工艺之一，其工作温度从常温到1200℃，链篦机篦床与传输机构零部件在常温到1050℃的交变温度场中循环往复运行，对相关零部件材料热疲劳性能要求极高，高温区零部件在高温中长期工作，对相关零部件材料的高温耐磨性能和抗氧化性能要求苛刻。另一方面，同时大型化球团、金属球团和红矿球团等先进节能环保球团工艺的发展，工作环境温度更高，对耐热件寿命要求更加苛刻。目前，通常采用稀土耐热钢制造相关零件，但其高温耐磨性和热疲劳性仍然是影响零件热寿命的关键因素，不得不作为易损件定期更换，无法满足链篦机-回转窑-环冷机生产新工艺对其关键零部件材料性能的要求。

激光冲击波的产生是高功率密度的强激光与物质进行相互作用，在极短的时间内(通常30～40ns)使物质表面加热并突然气化而形成高压等离子体，从而形成冲击波。利用激光冲击波现象进行各种工程应用的技术即为激光冲击波技术，例如激光冲击强化、激光冲击层裂技术、激光冲击成型技术等等。

中国发明专利(200710023404.2)和中国发明专利(200710025288)提出利用激光复合处理技术，将激光冲击强化技术和“QPQ”盐浴复合处理、激光淬火技术、激光熔覆技术结合起来，根据零件的工况要求，对零件采用激光熔覆+QPQ”盐熔复合处理+激光冲击强化处理，使其表面组织致密，形成高的硬度和高幅残余压应力，这样耐热件材料同时具有良好的耐磨性、抗应力腐蚀性能和抗热疲劳性能，同时具有良好的减磨性能。

在上述技术中，激光淬火、激光熔覆过程中的金属材料飞溅，通常会粘结在激光器镜片上，导致污染镜片，非常难以去除，甚至损坏镜片，从而使激光加工过程中断。

另一方面，激光冲击强化过程中，材料约束层对激光冲击波现象具有增效作用，是产生较明显激光冲击波效应的重要手段。可见，约束层技术是激光冲击波技术得以工程应用的关键和前提条件。目前所采用的约束层通常有水玻璃、K9玻璃、流水以及柔性贴膜等，但冲击波在作用于靶材的同时，对约束层也产生同样的冲击效应，这往往使约束层破坏。当冲击波的能量足够大时，使强度相对较弱的固体约束层飞溅破损，也会使流水约束层产生水花飞溅，飞溅产物粘附在约束层前方的聚焦镜上，污染镜片，必须经过较为繁琐的镜片清洁后才能再次冲击，这样就无法实现多点连续冲击。另外，在约束层飞溅于镜片表面和使用受污染镜片进行激光聚焦冲击过程中，通常容易造成镜片损坏而无法继续使用，使激光冲击过程中断。

日本专利JP347692A公开了传统的激光加工设备中的聚焦镜防护技术，其防护的对象是激光作用工件材料产生的干燥的金属或非金属材料固态飞溅物，防护板上的毛刷可以使飞溅物脱离，实现清洁，一方面粉尘污染无法清除、毛刷损伤防护片使得透光效果变差，另一方面，无法用于粘稠态、液态约束层污染物的清除。

本发明提出的是基于激光冲击复合延寿技术的聚焦镜防护方法与装置，其防护的对象是激光冲击过程工件上的能量吸收层和约束层材料的飞溅物，例如水玻璃、K9玻璃、流水、柔性贴膜、漆状能量吸收层材料，这些飞溅物为固态、液态和粘性物质。其飞溅到防护板上后，无法通过毛刷清洁，液态和粘性飞溅物在防护玻璃上的残留会使防护玻璃透光率降低，影响后续激光冲击效果，并可能损伤防护玻璃。

发明内容

本发明针对上述激光淬火、熔覆过程中的金属材料飞溅污染镜片和约束层技术使用过程中的非金属、粘稠态、液态约束层材料污染镜片的问题，提出一种基于激光冲击复合延寿技术的激光器镜片防护方法与装置，实现对约束层激光器镜片的实时防护、快速清洁和干燥，保证激光冲击复合延寿工艺正常进行。

本发明所采用的防护、清洁、干燥方案为负压吸除+高压吹除+高压水冲洗+压缩空气吹干+烘干。

本发明方法，是在激光器镜片和试样工件间设置一与伺服电机和防护玻璃清洁装置依次相连的防护盘；在激光加工(淬火、熔覆、冲击)时，激光透过防护盘上的防护玻璃作用试样，从而保护镜片；在连续激光作用的同时，伺服电机带动防护盘连续转动，在两次激光脉冲冲击间隔时段，伺服电机带动防护盘转过一定角度，使被约束层污染部位离开激光作用部位，而让经防护玻璃清洁装置快速清洁后的防护盘部位转移到激光作用部位，保证激光复合强化工艺过程连续顺利进行；在激光作用的同时，防护玻璃清洁装置进行防护盘上的受污染部位的清洁和干燥。

实现上述方法的激光器镜片防护装置，包括支架、防护罩、防护盘、电位盘防护罩、伺服电机、防护玻璃清洁装置、控制系统等组成。防护盘、伺服电机、防护罩、防护玻璃清洁装置、控制系统与支架依次连接。

防护盘由定位盘、盘体、防护玻璃、防护玻璃压紧装置依次相连组成。防护玻璃清洁装置由包含负压吸除和高压吹除的粗清洁装置、高压水冲洗装置、高压吹干装置和烘干装置依次连接组成。

防护玻璃通过压紧装置与盘体相连。防护盘体通过联结螺钉与安装在支架上的伺服电机端部的定位盘相连。支架与防护玻璃清洁装置和安装在支架上的防护罩依次相连，防护玻璃清洁装置安装在防护盘的非激光工作区域。控制系统由工控机、控制器组成并与激光器、伺服电机和防护玻璃清洁装置依次相连，其功能是控制激光器、伺服电机和防护玻璃清洁装置的动作。

设置在盘体上的防护玻璃，可以是独立的多块，也可以是环盘体的整块。

防护玻璃压紧装置是压紧螺母或由压紧螺钉及压板组成。

防护玻璃两面镀有对相关激光波长具有增透作用的增透膜，增透膜厚度为2～4μm，从而减少通过玻璃时激光能量的损失。

其具有结构简单、成本低、简化镜片清洁过程、防护玻璃无划痕、便于实现多点连续冲击、长时间激光熔覆淬火的优点，可以高效清除干燥金属和非金属飞溅物、粘稠态镜片污染物、液态镜片污染物。

附图说明

图1为本发明装置示意图

图2为实施例1的防护盘部件的结构组成示意图

图3为图2的右侧视图

图4为实施例2的防护盘部件的结构组成示意图

图5为图4的侧视图

图6为防护玻璃清洁装置工位布置图

1激光器，2工作镜片，3约束层，4能量吸收层，5工作台，6夹具，7试件，8联结螺钉，9防护罩，10防护玻璃清洁装置，11防护盘，12控制器，13伺服电机，14定位盘，15支架，16压紧螺母，17防护玻璃，18盘体，19压紧螺钉，20压板，21负压吸除装置，22粗清洁工位，23高压吹除装置，24激光工作工位，25烘干工位，26高压吹干工位，27冲洗工位，28工控机。

实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明装置包括防护盘11、伺服电机13、防护玻璃清洁装置10、支架15、防护罩9、控制系统。

图2、图3为防护结构示意图，防护盘11由盘体18、防护玻璃17、定位盘14、防护玻璃压紧装置依次相连组成。四块防护玻璃17通过压紧装置(压紧螺母16)对称固定在盘体18上预留的孔部位，当防护玻璃损坏或污染十分严重时，拆除压紧螺母16，更换新的防护玻璃，重新进行激光加工。

防护盘11通过联结螺钉8与安装在支架15上的伺服电机13端部的定位盘14相连。

防护玻璃17两面镀有对相关激光波长具有增透作用的增透膜，增透膜厚度为2～4μm，从而减少通过玻璃时激光能量的损失。

支架15与防护玻璃清洁装置10和防护罩9依次相连，防护玻璃清洁装置10安装在防护盘11的非激光冲击区域，安装在支架15上的防护罩9对防护玻璃清洁装置10和防护盘11的非激光加工区域进行保护，使其免受溅射出的约束层的污染。

控制系统由工控机28、控制器12组成并与激光器1、伺服电机13、防护玻璃清洁装置10依次相连。其功能是控制激光器、伺服电机和防护玻璃清洁装置的动作。

如图6，防护玻璃清洁装置由激光工作工位24、包含负压吸除装置21和高压吹除装置23的粗清洁工位23、冲洗工位27、烘干工位25、高压吹干工位26五个依次排列的工位组成。

如图1，将本发明所述镜片防护装置的防护盘10置于激光器工作镜片2和试件7之间，激光器1发出的激光经工作镜片2，透过防护盘11的防护玻璃17，作用于安装在工作台5上的夹具6中的试件7上。在激光作用于试件7时，防护玻璃片17挡住飞溅出来的试件材料或约束层与能量吸收层物质污染工作镜片2，保护激光器工作镜片。

激光冲击时，在激光冲击脉冲间隔之间，工控机28、控制器12在控制激光器脉冲能量的停止与输出的同时，控制伺服电机13转过一定角度，从而使与被联结螺钉8固定在定位盘14上的防护盘11转过移相应角度，使被约束层的污染的防护盘的部位离开激光工作工位，而让经快速清洁干燥后的防护玻璃随防护盘转到激光冲击部位，为下次冲击做好准备；在下次激光冲击的同时，控制系统控制防护玻璃清洁装置9工作，进行受污染部位的防护盘的清洁和干燥。

激光熔覆和激光淬火时，在连续激光作用的同时，伺服电机13带动防护盘11连续转动，使被约束层的被污染部位离开激光作用部位，而让经防护玻璃清洁装置10快速清洁后的防护盘转移到激光作用部位，保证激光复合强化工艺过程连续顺利进行；在激光作用的同时，防护玻璃清洁装置10进行防护盘的受污染部位的清洁和干燥。

本实施例中，压紧装置为压紧螺母16，防护玻璃片更换方便，防护玻璃损耗较少，但在批量工程生产中，可能因防护玻璃无法再用而必须更换，影响冲击进程。因此，本实施例适用于工作时间较短的试验研究阶段。

实施例2：

与实施例1基本相同，不同之处在于，如图4、图5所示，防护玻璃压紧装置由压紧螺钉19及压板20组成。环形的防护玻璃17通过压紧螺钉19及压板20固定在盘体18的外围。

当防护玻璃损坏或污染十分严重时，拆除压紧螺钉19和压板20，更换新的防护玻璃板，重新进行激光冲击。

本实施例中，防护玻璃片更换方便，生产效率高，防护玻璃较大，价格较高，便于实现多点连续工作，适用于工作时间较长的激光冲击复合延寿工程应用中。

本发明不限于这些公开的实施方案，本发明将覆盖在专利书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变型和等效变化。

Claims (6)

1.基于激光复合延寿技术的激光器镜片防护方法，其特征是：在激光器工作镜片和试样间设置与伺服电机和防护玻璃清洁装置依次相连的防护盘；在激光器工作时，激光透过防护盘上的防护玻璃作用试样；在激光冲击的两次激光脉冲冲击间隔时段，伺服电机带动防护盘转过一定角度，使被约束层污染部位离开激光冲击部位，而让经防护玻璃清洁装置快速清洁后的防护盘部位移到激光冲击部位；激光熔覆和激光淬火时，在连续激光作用的同时，伺服电机带动防护盘连续转动，使被约束层的被污染部位离开激光作用部位，而让经防护玻璃清洁装置快速清洁后的防护盘转移到激光作用部位，保证激光复合强化工艺过程连续顺利进行；在激光冲击的同时，防护玻璃清洁装置进行防护盘受污染部位的清洁和干燥。

2.实现权利要求1所述的激光复合延寿技术的激光器镜片防护装置，其特征在于：包括防护盘(11)、伺服电机(13)、防护玻璃清洁装置(10)、支架(15)、控制系统；防护盘(11)由盘体(18)、防护玻璃(17)、定位盘(14)、防护玻璃压紧装置依次相连组成，防护玻璃(17)通过压紧装置与盘体(18)相连，盘体(18)通过联结螺钉(8)与安装在支架(15)上的伺服电机(13)端部的定位盘(14)相连；支架(15)与防护玻璃清洁装置(10)和防护罩(9)依次相连；防护玻璃清洁装置(10)安装在防护盘(11)的非激光冲击区域，安装在支架(15)上的防护罩(9)对防护玻璃清洁装置(10)和防护盘(11)的非激光加工区域进行保护；控制系统由工控机(28)、控制器(12)组成并与激光器(1)、伺服电机(13)、防护玻璃清洁装置(10)之依次相连，其控制激光器、伺服电机和防护玻璃清洁装置的动作。

3.据权利要求2所述的激光器镜片防护装置，其特征在于：防护玻璃清洁装置由激光工作工位(24)、包含负压吸除装置(21)和高压吹除装置(23)的粗清洁工位(23)、冲洗工位(27)、烘干工位(25)、高压吹干工位(26)五个依次排列的工位组成。

4.根据权利要求2所述的激光器镜片防护装置，其特征在于：防护玻璃两面镀有对相关激光波长具有增透作用的增透膜，增透膜厚度为2～4μm。

5、根据权利要求2所述的激光器镜片防护装置，其特征在于：所说的防护玻璃为一块以上，通过压紧螺母固定在盘体上。

6、根据权利要求2所述的激光器镜片防护装置，其特征在于：所说的防护玻璃为整块，通过压紧螺钉及压板固定在盘体外围。

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