CN103290407A

CN103290407A - 用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法

Info

Publication number: CN103290407A
Application number: CN2013102543614A
Authority: CN
Inventors: 高文焱; 林学春; 赵树森; 王奕博; 刘发兰; 周春阳
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: JIANGSU ZHONGKE DAGANG LASER TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103290407B

Abstract

本发明提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法，其中该用于轴类工件往复激光熔覆的设备，包括：一工作台；一数控转盘电机，其固定在工作台的上面；一数控转盘，其与数控转盘电机连接，其固定在工作台的上面，该数控转盘用于夹固轴类工件；一激光熔覆头，其位于工作台和轴类工件的上方，该激光熔覆头的位置可调；一控制系统，该控制系统与数控转盘电机连接。本发明可实现轴类工件可设定角度、正反向交替往复转动的功能，即实现数控转盘可设定角度、正反向交替往复转动；可在轴类工件可设定角度、正反向交替往复转动的同时，以已设定的激光熔覆工艺参数与控制方法进行熔覆工作。

Description

用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法

技术领域

本发明属于一种激光熔覆设备及方法，特别涉及一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法。

背景技术

激光熔覆作为一种先进的表面改性与修复技术越来越受到人们的重视，而随着激光熔覆技术的发展与完善，人们对激光熔覆工艺的自动化与高效性提出了更高的要求。

对于要求局部具有优良性能或者局部受到磨损、腐蚀需要进行修复的工件，采用激光熔覆进行处理时需要对工件待加工位置进行精确控制。为简化操作，往往采用整体熔覆的方式，即将轴类工件整个表面都进行激光熔覆。该种方法虽省去了熔覆中的繁杂操作，但增加了成本，浪费了贵重的熔覆材料，而且使得熔覆周期变长。因此，直接对轴类工件表面局部区域进行激光熔覆，无论在经济角度，还是效率角度都拥有巨大的优势，

本发明实现了数控转盘与机器人的联动，完善了轴类工件激光熔覆设备，进一步实现了轴类工件可设定角度、正反向交替往复转动的功能。结合激光熔覆工艺，采用“斜线式”与“平行式”两种激光熔覆控制方法，实现了直接对轴类工件表面局部区域的激光熔覆。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法。该设备实现轴类工件往复激光熔覆的功能包括两个内容：第一，实现轴类工件可设定角度、正反向交替往复转动的功能，即实现数控转盘可设定角度、正反向交替往复转动；第二，在轴类工件可设定角度、正反向交替往复转动的同时，以已设定的激光熔覆工艺参数与控制方法进行熔覆工作。

本发明提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备，包括：

一工作台；

一数控转盘电机，其固定在工作台的上面；

一数控转盘，其与数控转盘电机连接，其固定在工作台的上面，该数控转盘用于夹固轴类工件；

一激光熔覆头，其位于工作台和轴类工件的上方，该激光熔覆头的位置可调；

一控制系统，该控制系统与数控转盘电机连接。

本发明还提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其是采用如权利要求1所述的激光熔覆设备，包括如下步骤：

步骤1：将一待加工的轴类工件固定在数控转盘上，使其轴线与工作台的表面平行；

步骤2：确定轴类工件待加工区域；

步骤3：调节激光熔覆头的位置，使激光熔覆头垂直于工作台和轴类工件的轴线，且使激光熔覆头对准轴类工件待加工的区域；

步骤4：通过控制系统，调节数控转盘的转动角度、转速及转动方向，调节激光熔覆头的输出功率；

步骤5：开启数控转盘电机与激光熔覆头，同时开启激光熔覆头的送粉头向激光熔覆头的照射中心送粉，该激光熔覆头是在轴类工件的轴线方向移动；

步骤6：使轴类工件待加工区域内熔覆一层或多层合金粉末、陶瓷粉末或金属陶瓷复合粉末的涂层。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中控制系统5的电路原理图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是本发明采用“斜线式”方法获得的轴类工件表面局部区域的激光熔覆层；

图5是本发明采用“平行式”方法获得的轴类工件表面局部区域的激光熔覆层。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备，包括：

一工作台1；

一数控转盘电机2，其固定在工作台1的上面；

一数控转盘3，其与数控转盘电机2连接，其固定在工作台1的上面，该数控转盘3用于夹固轴类工件A；

一激光熔覆头4，其位于工作台1和轴类工件A的上方，且该激光熔覆头4的位置可调，所述激光熔覆头4还包括一个送粉头41，该送粉头41送出的是合金粉末、陶瓷粉末和金属陶瓷复合粉末；

一控制系统5，该控制系统5与数控转盘电机2连接，该控制系统5包括：

一机器人控制器51；

一功能电路52，其通过线路5201与机器人控制器51连接；

一数控转盘控制器53，其通过数控转盘控制器主控制线路5202和数控转盘控制器反馈线路5203与功能电路52连接。

其中图2是图1中控制系统5的电路原理图，其工作过程为：

数控转盘控制器53中存在两个重要的控制区，即数控转盘控制器主控制端531与数控转盘控制器反馈端534，数控转盘控制器主控制端531主要由数控转盘控制器主控制线路5202控制，数控转盘控制器反馈端534主要通过数控转盘控制器反馈线路5203给予及时的反馈。

数控转盘控制器主控制线路5202由两根电线组成，分别为数控转盘控制器主控制线路A端532与数控转盘控制器主控制线路B端533。在数控转盘电机2、数控转盘3、数控转盘控制器53正常工作情况下，数控转盘控制器主控制线路A端532与数控转盘控制器主控制线路B端533每接触一次，数控转盘3转动至当前预设角度后停止。注意：数控转盘控制器主控制线路A端532与数控转盘控制器主控制线路B端533接触触发数控转盘3转动的这一动作仅在数控转盘3完成上一预设角度并停止转动后才有效，数控转盘3在转动过程中，数控转盘控制器主控制线路A端532与数控转盘控制器主控制线路B端533接触对数控转盘3的转动无作用。将数控转盘控制器主控制线路A端532与功能电路52中的继电器“9”端口5205相连，数控转盘控制器主控制线路B端533与功能电路52中的继电器“5”端口5206相连。

数控转盘控制器反馈线路5203由两根电线组成，分别为数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536。在数控转盘电机2、数控转盘3、数控转盘控制器53正常工作情况下，每当数控转盘3转动并达到预设角度时，数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536间电阻由无穷大变为0Ω，并在0.5s延时后恢复电阻无穷大。将数控转盘控制器反馈线路E端535与保护电路D端5213相连，数控转盘控制器反馈线路F端536与机器人控制器输出端512相连，。

为实现数控转盘3可设定角度、正反向交替往复转动的功能，将继电器“13”端口5204与保护电路D端5213相连，继电器“4”端口5209与机器人控制器输入端511相连，继电器“12”端口5211与机器人控制器输出端512相连，继电器“14”端口5212与机器人控制器输出端512相连，机器人控制器0V端513与保护电路C端5214相连。

在初始状态，数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536两端电阻无穷大，即断路。机器人控制器51中机器人控制器输出端512输出24V电压，功能电路52中继电器5208工作，继电器“9”端口5205与继电器“5”端口5206相连，继电器“8”端口5210与继电器“12”端口5211相连。

继电器“9”端口5205与继电器“5”端口5206相连，即数控转盘控制器主控制线路A端532与数控转盘控制器主控制线路B端533相连，使得数控转盘电机2工作，数控转盘3转动直至达到当前预设角度。当数控转盘3转动至当前预设角度后，数控转盘3停止转动。此时，数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536两端电阻变为0Ω，即功能电路52中继电器5208被短路而停止工作，继电器“9”端口5205与继电器“5”端口5206断开，继电器“8”端口5210与继电器“12”端口5211断开。0.5s延时后数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536两端电阻恢复无穷大，功能电路52中继电器5208重新工作，继电器“9”端口5205与继电器“5”端口5206再一次接触，使得数控转盘电机2再一次工作，数控转盘3转动直至到达下一预设角度。将下一预设角度设为初始时的角度，数控转盘3则反向转回原位。以此方式，数控转盘3进行可设定角度的、正反向交替往复转动直至机器人控制器51中机器人控制器输出端512停止输入24V电压。

继电器“8”端口5210与继电器“12”端口5211相连，即机器人控制器51中机器人控制器输入端511与机器人控制器输出端512断开，机器人控制器51中机器人控制器输入端511无24V电压输入，机器人输入信号显示为“0”。当数控转盘3转动至当前预设角度时，数控转盘3停止转动。数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536两端电阻变为0Ω，即功能电路52中继电器5208被短路停止工作，继电器“9”端口5205与继电器“5”端口5206断开，继电器“8”端口5210与继电器“12”端口5211断开，即机器人控制器51中机器人控制器输入端511与机器人控制器输出端512相连，机器人控制器51中机器人控制器输入端511有24V电压输入，机器人输入信号变为“1”。0.5s延时后数控转盘控制器反馈线路E端535与数控转盘控制器反馈线路F端536两端电阻恢复无穷大，功能电路52中继电器5208再一次工作，继电器“8”端口5210与继电器“12”端口5211再一次接触，即机器人控制器51中机器人控制器输入端511与机器人控制器输出端512再一次断开，机器人控制器51中机器人控制器输入端511无24V电压输入，机器人输入信号为“0”。以此方式，每当数控转盘3完成一次转动并停止时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，在0.5s延时后变为“0”。通过机器人输入信号转变为“1”的次数对数控转盘3往复转动进行计数，当该次数达到预设数值后，停止机器人控制器51中机器人控制器输出端512的24V电压输出，进而停止数控转盘3的下一次转动。

综上，实现数控转盘3可设定角度、正反向交替往复转动的功能，并通过机器人输入信号变为“1”的次数对数控转盘3往复转动进行计数，当该次数达到预设数值后，停止机器人控制器51中机器人控制器输出端512的24V电压输出，进而停止数控转盘3的下一次转动。

请参阅图3，并结合参阅图1及图2所示，本发明还提供一种用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其是采用如权利要求1所述的激光熔覆设备，包括如下步骤：

步骤1：将一待加工的轴类工件A固定在数控转盘3上，使其轴线与工作台1平行；

步骤2：确定轴类工件A待加工区域；

步骤3：调节激光熔覆头4的位置，使激光熔覆头4垂直于工作台1和轴类工件A的轴线，同时，使激光熔覆头4对准轴类工件A待加工的区域，且使激光熔覆头4与轴类工件A待加工区域的垂直距离满足激光熔覆时对离焦量的要求，离焦量即激光光束焦平面与工件待加工表面的垂直距离；

步骤4：通过控制系统5，调节激光熔覆头4的输出功率、移动方式及移动速度，调节数控转盘3的转动角度、转速及转动方向，同时调节其他激光熔覆工艺参数，所述数控转盘3的转动方向为正反向交替往复式转动；

步骤5：开启数控转盘电机2与激光熔覆头4，同时开启激光熔覆头4的送粉头41向激光熔覆头4的照射中心送粉，所述激光熔覆头4是在轴类工件A的轴线方向移动，且该激光熔覆头4在轴类工件A轴线方向的移动为连续式移动或间断式移动，该激光熔覆头4既可以是连续输出激光也可以是在轴类工件A上单向开启输出激光。

步骤6：使轴类工件A待加工区域内熔覆一层或多层合金粉末、陶瓷粉末或金属陶瓷复合粉末的涂层。

使用本发明进行轴类工件往复激光熔覆具体包含两种激光熔覆控制方法：

1、“斜线式”激光熔覆控制方法。开启激光熔覆头4与送粉头41进行激光熔覆的同时，机器人控制器51中机器人控制器输出端512输出24V 电压，实现数控转盘3可设定角度、正反向交替往复转动。在激光熔覆过程中激光熔覆头4在轴类工件A轴线方向的移动为连续式移动，且该激光熔覆头4既可以是连续输出激光也可以是在轴类工件A上单向开启输出激光。以此方式在轴类工件表面获得了“斜线型”激光熔覆覆层。通过设定激光熔覆头4的移动速度、数控转盘3的转动角度以及机器人输入信号变为“1”的次数上限来控制轴类工件表面的局部激光熔覆。

2、“平行式”激光熔覆控制方法。该控制方法中激光熔覆头4在轴类工件A轴线方向的移动为间断式移动，且激光熔覆头4既可以是连续输出激光也可以是在轴类工件A上单向开启输出激光。

第一，激光熔覆头4连续输出激光。开启激光熔覆头4与送粉头41进行激光熔覆的同时，使激光熔覆头4保持当前位置不动，机器人控制器51中机器人控制器输出端512输出24V电压，实现数控转盘3可设定角度、正反向交替往复转动。当数控转盘3转到当前预设角度并停止时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，该输入信号使机器人控制激光熔覆头4沿轴类工件A的轴线方向迅速移动一个搭接距离(搭接距离即激光熔覆覆层前一道与后一道的平移距离)。此时，数控转盘反向转动，0.5s延时后机器人输入信号变为“0”。当数控转盘3转到下一预设角度(即数控转盘3的初始位置)并停止转动时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，该输入信号使机器人控制激光熔覆头4沿轴类工件A的轴线方向迅速移动一个搭接距离，以此方式，往复工作。

第二，激光熔覆头4在轴类工件A上单向开启输出激光。开启激光熔覆头4与送粉头41进行激光熔覆，同时，使激光熔覆头4保持当前位置不动，机器人控制器51中机器人控制器输出端512输出24V电压，实现数控转盘3可设定角度、正反向交替往复转动。当数控转盘3转到当前预设角度并停止时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，该输入信号使机器人完成关闭激光输出的动作，并使激光熔覆头4沿轴类工件A的轴线方向迅速移动一个搭接距离。此时，数控转盘反向转动，激光熔覆工作停止，0.5s延时后机器人输入信号变为“0”。当数控转盘3转到下一预设角度(即数控转盘3的初始位置)并停止转动时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，该输入信号使机器人完成打开激光输出的动作，继续进行激光熔覆工作。当数控转盘3再次达到预设角度并停止转动时，机器人输入信号在0.5s延时内变为“1”，该输入信号又使机器人完成关闭激光输出的动作，并使激光熔覆头4沿轴类工件A的轴线方向迅速移动一个搭接距离，以此方式，往复工作。

最终，在轴类工件表面获得了“平行型”激光熔覆覆层。通过设定激光熔覆头4每次移动的搭接距离、数控转盘3的转动角度以及机器人输入信号变为“1”的次数上限来控制轴类工件表面的局部激光熔覆。

本发明提供了一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备及方法，使用该设备实现了对轴类工件表面局部区域的激光熔覆。

本发明适合于所有轴类工件的激光熔覆，不仅适用于同步送粉方式的激光熔覆，还适用于预置粉末方式的激光熔覆，所述同步送粉方式的激光熔覆既可以是同轴同步送粉方式也可以是侧向同步送粉方式。

实施例1

采用“斜线式”激光熔覆控制方法。

使用Nd：YAG全固态激光器，输出功率为900W，离焦量为15mm，光斑直径为5mm，激光熔覆头沿工件轴线方向移动，且移动速度为0.35mm/s。激光熔覆粉末为铁基粉末，成分见表1，送粉率为8.5g/min。数控转盘转速为0.15rad/s，以30度为设定角度正反向交替往复转动。轴类工件为Q235，直径60mm。整个覆层最小搭接率为30％，无未搭接区域，经后期处理可以得到表面平整，满足要求的覆层，覆层硬度为750800HV_0.2，激光熔覆层如图4。

表1铁基粉末成分

元素	Cr	B	Si	Mo	Fe
						质量百分比	13	1.6	12	0.8	bal

实施例2

采用“平行式”激光熔覆控制方法。

使用Nd：YAG全固态激光器，输出功率为1200W，离焦量为15mm，光斑直径为5mm，激光熔覆头每次移动的搭接距离为2.22mm。激光熔覆粉末为掺有Cr₃C₂的铁基复合粉末，成分见表2，送粉率为8.5g/min。数控转盘转速为0.15rad/s，以40度为设定角度正反向交替往复转动。轴类工件为Q235，直径60mm。整个覆层道与道平行且搭接率为50％，覆层表面平整，覆层硬度为900-1000HV_0.2，激光熔覆层如图5。

表2铁基复合粉末成分

元素

Cr

B

Si

Mo

C

Fe

质量百分比

12.4

1.52

11.4

0.76

0.007

bal

使用本发明对轴类工件进行往复激光熔覆，实现了轴类工件表面局部区域的激光熔覆。使用本发明进行轴类工件往复激光熔覆，操作简单，节约了成本，提高了熔覆效率，在轴类工件的激光熔覆上拥有巨大的优势。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案所做基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种用于轴类工件往复激光熔覆的设备，包括：

一工作台；

一数控转盘电机，其固定在工作台的上面；

一控制系统，该控制系统与数控转盘电机连接。

2.根据权利要求1所述的用于轴类工件往复激光熔覆的设备，其中控制系统包括：

一机器人控制器；

一功能电路，其通过线路与机器人控制器连接；

一数控转盘控制器，其通过数控转盘控制器主控制线路和数控转盘控制器反馈线路与功能电路连接。

3.根据权利要求1所述的用于轴类工件往复激光熔覆的设备，其中激光熔覆头还包括一个送粉头。

4.根据权利要求3所述的用于轴类工件往复激光熔覆的设备，其中该送粉头送出的是合金粉末、陶瓷粉末和金属陶瓷复合粉末。

5.一种用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其是采用如权利要求1所述的激光熔覆设备，包括如下步骤：

步骤2：确定轴类工件待加工区域；

6.根据权利要求5所述的用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其中所述数控转盘的转动方向为正反向交替往复式转动。

7.根据权利要求5所述的用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其中该激光熔覆头在轴类工件的轴线方向移动为连续式移动或间断式移动。

8.根据权利要求7所述的用于轴类工件往复激光熔覆的方法，其中该激光熔覆头是连续输出激光或是在轴类工件上单向开启输出激光。