CN102912088B

CN102912088B - 中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置

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Publication number: CN102912088B
Application number: CN2012104562850A
Authority: CN
Inventors: 黄舒; 季杏露; 周建忠; 陈寒松; 孟宪凯; 谢小江; 盛杰; 王宏宇
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: CN102912088A

Abstract

一种中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置，其特征所述的方法是在90°圆锥反射体表面镀上反射膜，圆形激光束经圆锥反射体反射成环带状，待强化管内壁贴一层激光强化用的柔性贴膜。激光束中心线，管中心轴及90°圆锥反射体中心轴位于同一条直线，与导轨平行。经反射体反射后的环带状激光垂直作用在内壁柔性贴膜上，产生等离子冲击波作用在管内壁，在管内壁产生残余压应力层，提高了管内壁的硬度、耐腐蚀性、耐磨性、疲劳强度等性能。圆锥反射体从管一端直线运行到另一端，实现了整个管壁连续强化过程。本发明不仅能适用一定范围中小内径大小的管，且对于长度较长的管能实现连续的激光喷丸过程。

Description

中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其是一种管件内壁强化技术，具体地说是一咱中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置。

背景技术

在石油、化工、天然气、核能等行业，管件被广泛应用，但管件在长期使用过程中，由于受外部环境及其内部流体介质的腐蚀、杂质磨损、高压等影响，会不可避免地产生一定的损坏至破裂，对生产、安全造成严重后果。如柴油机的高压燃油管因承受高压脉冲负荷和高频振动而破裂或泄漏到涡轮增压器热表面而引起机器处发生火灾；发电站锅炉管道承受的蒸汽压力达几十兆帕，温度在600 ℃以上，易发生高温水蒸汽腐蚀。为了提高管件内壁的耐腐蚀性、耐磨性以及疲劳强度等性能，通常采用的防护措施主要有：在管内壁涂镀耐腐蚀、抗氧化涂层或内壁采用玻璃、陶瓷内衬，但这些处理措施均存在一定的缺陷，涂层不可避免的存在气孔、漏涂、微裂纹或局部涂层脱落，使得防护层不能抵抗腐蚀介质的渗透，使管道发生腐蚀破裂。此时就要对管道进行表面强化处理，使管件内壁得到一定厚度的硬化层，从而提高管内壁的耐腐蚀性、耐磨性及疲劳强度。

机械喷丸强化是目前管内壁表面强化的主要方法，用喷枪向管内壁喷砂（钢丸、石英砂、铁矿砂等），犹如微型棒槌敲打表面，从而产生一定的塑性变形，在管内壁形成一残余压应力硬化层，提高了管内壁的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性。但对于中小径（小于50 mm）管，由于喷嘴尺寸限制，机械喷丸强化自动化却不能实现。为了实现中小径管内壁喷丸强化的自动化，公开号CN201864755 U的中国专利，提出了一种改进的小径管内壁喷丸系统，喷枪置于管内，喷枪通过一喷枪支撑与管内壁滑动连接，钢砂通过一导管与喷枪连接，导管绕在一滚轮上，通过滚轮的转动实现导管的进给运动。但是该方法仍存在不足：①由于喷枪尺寸的限制，只能适用于直径大于25 mm的管；②喷枪支撑的尺寸必须与管的内径相匹配，当管的内径不同时，喷枪支撑也需要作出相应的更换；③当管件长度过长时，导管由于材质较软，进给运动受阻，导致喷丸不均。公开号CN102212665A的中国专利“一种内壁喷丸强化处理工艺及装置”通过电磁铁控制磁性钢球在非磁性管道中的碰撞作用，但是过程较难控制，且对钢球及管道材质都有限制。

近年来，随着大功率激光器的出现及激光加工技术在工业上的应用日趋广泛，激光喷丸技术（LSP）已经广泛地用来提高材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性，大量文献表明LSP较机械喷丸强化效果更优异，能在材料表面产生比传统喷丸更大的残余压应力及更深的残余压应力层，且LSP工艺过程中激光参数更便于调控。公开号CN101787424A的中国专利“基于管道机器人技术的细长管内表面激光强化处理装置”，在管道内设置一类似小车的机器人装置，与管道通过滚轮连接，激光通过光纤传送到机器人装置，装置另一端设有全反镜，得到一垂直于管道内壁的激光束，通过管道的旋转和机器人装置的进给运动实现整个管道内壁的激光淬火强化。但是该装置仍然存在不足：①激光淬火强化后的表面硬化层不均匀，且表面质量不高；②机器人装置尺寸需要根据管内径大小进行调整；③机器人装置爬行过程中滚轮可能会被内壁卡住。公开号CN101024862A的发明专利“一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置”，提出了在已开孔的金属板件孔径内插入反射锥，在反射锥的锥面上涂上能量吸收层和约束层，充当能量吸收杆，激光束辐照在能量吸收杆上，产生等离子爆炸波同时作用在锥和孔壁上，对孔壁起到了激光冲击强化作用。上述方法虽然满足了小径孔的激光喷丸强化，但也存在一些不足：①对于长度很长的管件，反射锥上的吸收层和约束层由于消耗需要反复涂覆，不能实现连续喷丸；②能量吸收杆的尺寸需要根据孔的尺寸不同而改变；③由于在反射锥上消耗了大量的等离子爆炸波，降低了其对孔内壁的作用力及强化效果。综上所述，若实现对中小径长管内壁的激光喷丸强化将极大改善管件的使用性能，但已知的相关发明专利仍存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足（对作强化处理的管直径、长度有很大的限制，过程复杂，且难以实现自动化），提供一种中小径（ 5 mm~50 mm）长管（1m-5m）内壁激光喷丸强化的方法与装置。通过在管内壁引入一定深度的残余应力层，提高其耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度。该方法基于激光喷丸理论，环带状激光束辐照在管内壁一周，诱导产生等离子爆炸波作用于管内壁，从而达到强化管内壁的效果。

本发明的技术方案之一是：

一种中小径长管内壁激光喷丸强化的方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）在待强化的管件4的内壁贴上一层激光强化用的柔性贴膜；

2）将管件4用夹具固定在工作平台上，并使工作平台与导轨相连；

3）调整工作平台的位置，使管件4的中心线、激光束3、顶角为90°的圆锥反射体6的安装轴7在一条直线上；

4）根据管件的材料和处理状态，选择大功率激光器的功率密度（5~30 GW/cm²），通过聚焦系统2控制辐照在圆锥反射体6上的激光束光斑直径，使经90°圆锥反射体6反射后得到一环带状激光束的功率密度满足以下要求：

Figure 2012104562850100002DEST_PATH_IMAGE004

GW/cm²；

式中：I _环带为经圆锥体反射后的环带状激光束5的能量密度，d _激光束为激光束3的光斑直径，d _管为管4的内径，I _激光束为激光束3的能量密度；

5）调整工作平台水平位置，使管件4的前端面与圆锥反射体6的顶点重合；

6）根据环带状激光束的搭接率要求，设定工作平台的进给速度及行程；运行激光器及工作平台系统开始激光喷丸强化；

7）激光喷丸强化完成后，去除管件4内壁的残留柔性贴膜。

所述的柔性贴膜由能量吸收层和约束层组成，能量吸收层为黑漆层，厚度为70～90 μm，约束层为有机硅胶层，厚度为0.8～1.2 mm。

所述的环带状激光束的搭接率为25%-50%。

所述的中小径长管是指直径小于50 mm，长度不小于1 m的管件。

本发明的技术方案之二是：

一种中小径长管内壁激光喷丸强化装置，其特征在于它包括激光器1、光束聚焦系统2、管件4、顶角为90°的圆锥反射体6，圆锥反射体安装轴7、管件保护套8、固定支座9、管件夹具10、工作平台11、导轨12、运动控制卡13、计算机14和激光控制卡15，管件4通过管件夹具10固定在工作平台11上，工作平台11与导轨12连接；圆锥反射体6安装在圆锥反射体安装轴7伸入管件4中的一端上，圆锥反射体安装轴7的另一端固定安装在固定支座9上，管件保护套8安装在管件4靠近固定支座9的一端上；工作平台11在运动控制卡13的控制下在导轨12上运动，运动控制卡13和激光控制卡15均受控于计算机14，激光器1受控于激光控制卡15；聚焦系统2安装在激光器1与管件4的进口端之间，激光束3光斑经聚焦系统2变小后，再经顶角为90°的圆锥反射体6反射后变成环带状激光束5照射在管件4的内壁表面的柔性贴膜上。

所述的顶角为90°的圆锥反射体6的锥面镀有金属反射膜。圆锥体的底圆直径略大于激光束光斑的直径，本发明中取4 mm。

本发明的有益效果是：

（1）激光束经90°圆锥反射体反射为环带状光斑，管内壁一周同时被作用，效率高且作用均匀。

（2）通过改变圆锥反射体的进给速度，可以调整环带状光斑与光斑的之间的搭接率，实现对管内壁连续强化。

（3）激光束产生的等离子爆炸波全部作用于管内壁，产生的强化效果更好。

附图说明

图1 中小径长管激光喷丸强化示意图

图2 圆锥体反射原理示意图

图3 环带状激光束喷丸强化区域示意图

图中：1. 激光器、2. 光束聚焦系统、3. 激光束、4. 管件、5. 环带状激光束、6. 90°圆锥反射体、7. 圆锥反射体安装轴、8. 管件保护套、9. 固定支座、10. 管件夹具、11. 工作平台、12. 导轨、13. 控制卡、14.计算机、15. 激光控制卡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-3所示。

一种中小径长管内壁激光喷丸强化的方法，其具体步骤在于：

1）根据待强化的管件4内径和长度选择一铜管，首先在铜管外表面涂上一层薄薄的透明机油（10μm），然后裹上一层激光强化用的柔性贴膜，使裹上贴膜的铜管直径略小于管件内壁直径，将裹上贴膜的铜管插入管件4内壁，对铜管加热，受热膨胀使柔性贴膜贴在管件4内壁上，冷却后铜管跟贴膜分离，抽出铜管，这种柔性贴膜可采用公开号为CN1404954A的专利发明所公开的柔性贴膜，由能量吸收层和约束层组成，能量吸收层为86-1型黑漆，厚度为70～90 μm(最佳为 80 μm)，约束层为GN-521有机硅胶厚度为0.8～1.2 mm （最佳为1 mm）；

2）将管件4用夹具固定在工作平台11上，工作平台11与导轨12相连；如图1所示；

3）调整工作平台11的位置，使管件4的中心线、激光束3、90°圆锥反射体安装轴7在一条直线上；

4）调整工作平台11水平位置，使管件4的前端面与圆锥反射体6的顶点重合；

5）根据管件的材料和处理状态，选择功率密度为5~30 GW/cm²的大功率激光器，通过聚焦系统2控制辐照在90°圆锥反射体6上的激光束光斑直径，使经圆锥反射体6反射得到的环带状激光束5（如图3）的功率密度满足：

Figure 2012104562850100002DEST_PATH_IMAGE006

GW/cm²；

6）根据环带状激光束搭接率25%-50%的要求，设定工作平台的进给速度及行程。运行激光器及工作平台系统完成喷丸强化；

7）激光喷丸强化完成后，去除管件4内壁的残留柔性贴膜。

图1中钢管4的内径为10 mm，长度1 m。喷丸强化过程为：首先根据钢管4内径、长度和贴膜厚度选择长度1.1m,外径8.8mm的铜管，先在铜管外径涂上一层薄薄的机油（10um），再裹上一层柔性贴膜，将裹上贴膜的铜管插入钢管4，先对铜管加热，受热膨胀，使贴膜贴在钢管4内壁，冷却后铜管跟贴膜分离，抽出铜管，也就在钢管4内壁贴上了一层柔性贴膜，然后将钢管4用钢管夹具10固定在工作平台11上，通过控制卡13调节钢管4的上下位置，使90°圆锥反射体6、钢管4的中心轴与激光束3中心在同一轴线上。再通过控制卡13调整管件的纵向位置，使圆锥反射体的顶点与管的前端面重合。通过计算机14控制激光参数：激光能量密度20 GW/cm²，光斑直径4 mm，频率2 Hz，由环带状激光束功率密度公式计算得到环带状激光束（图2、3）的能量密度为4 GW/cm²，为使照射到管壁的环带状激光束沿着管轴方向正好相切，设定圆锥反射体进给速度4 mm/s，工作平台11的行程为钢管4的长度1 m。开启激光器1和工作平台11向左进给运动。当工作平台运动至钢管后端面与圆锥体重合时，有管件保护套8保护，以防环带状激光束辐照到操作人员构成伤害。结束后关闭激光器，去除残留柔性贴膜，整个管内壁完全被激光喷丸强化。管内壁的激光喷丸示意图如图2 ，过程高效简单，得到的残余压应力均匀。

实施例二。

如图1所示。

一种中小径长管内壁激光喷丸强化装置，它包括激光器1、光束聚焦系统2、管件4、顶角为90°的圆锥反射体6，圆锥反射体安装轴7、管件保护套8、固定支座9、管件夹具10、工作平台11、导轨12、运动控制卡13、计算机14和激光控制卡15，管件4通过管件夹具10固定在工作平台11上，工作平台11与导轨12连接；圆锥反射体6的锥面镀有金属反射膜，它安装在圆锥反射体安装轴7伸入管件4中的一端上，圆锥反射体安装轴7的另一端固定安装在固定支座9上，管件保护套8安装在管件4靠近固定支座9的一端上；工作平台11在运动控制卡13的控制下在导轨12上运动，运动控制卡13和激光控制卡15均受控于计算机14，激光器1受控于激光控制卡15数；聚焦系统2安装在激光器1与管件4的进口端之间，激光束3光斑经聚焦系统2变小后，再经顶角为90°的圆锥反射体6反射后变成环带状激光束5照射在管件4的内壁表面的柔性贴膜上。如图1所示。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种中小径长管内壁激光喷丸强化的方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）在待强化的管件（4）的内壁贴上一层激光强化用的柔性贴膜；

2）将管件（4）用夹具固定在工作平台上，并使工作平台与导轨相连；

3）调整工作平台的位置，使管件（4）的中心线、激光束（3）、顶角为90°的圆锥反射体（6）的安装轴（7）在一条直线上；

4）根据管件的材料和处理状态，选择功率密度为5~30 GW/cm²的大功率激光器，通过聚焦系统（2）控制辐照在圆锥反射体（6）上的激光束光斑直径，使经90°圆锥反射体（6）反射后得到一环带状激光束的功率密度满足以下要求：

GW/cm²；

式中：I _环带为经圆锥体反射后的环带状激光束(5)的能量密度，d _激光束为激光束(3)的光斑直径，d _管件为管件(4)的内径，I _激光束为激光束(3)的能量密度；

5）调整工作平台水平位置，使管件（4）的前端面与圆锥反射体（6）的顶点重合；

7）激光喷丸强化完成后，去除管件（4）内壁的残留柔性贴膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的柔性贴膜由能量吸收层和约束层组成，能量吸收层为黑漆层，厚度为70～90 μm，约束层为有机硅胶层，厚度为0.8～1.2 mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的环带状激光束的搭接率为25%-50%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的中小径长管是指直径小于50 mm,长度不小于1 m的管件。

5.一种中小径长管内壁激光喷丸强化装置，其特征在于它包括激光器（1）、光束聚焦系统（2）、管件（4）、顶角为90°的圆锥反射体（6），圆锥反射体安装轴（7）、管件保护套（8）、固定支座（9）、管件夹具（10）、工作平台（11）、导轨（12）、运动控制卡（13）、计算机（14）和激光控制卡（15），管件（4）通过管件夹具（10）固定在工作平台（11）上，工作平台（11）与导轨（12）连接；圆锥反射体（6）安装在圆锥反射体安装轴（7）伸入管件（4）中的一端上，圆锥反射体安装轴（7）的另一端固定安装在固定支座（9）上，管件保护套（8）安装在管件（4）靠近固定支座（9）的一端上；工作平台（11）在运动控制卡（13）的控制下在导轨（12）上运动，运动控制卡（13）和激光控制卡（15）均受控于计算机（14），激光器（1）受控于激光控制卡（15）；聚焦系统（2）安装在激光器（1）与管件（4）的进口端之间，激光束（3）光斑经聚焦系统（2）变小后，再经顶角为90°的圆锥反射体（6）反射后变成环带状激光束（5）照射在管件（4）的内壁表面的柔性贴膜上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的顶角为90°的圆锥反射体（6）的锥面镀有金属反射膜。