CN105297006B - 一种管内激光熔覆强化设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光熔覆设备的技术领域，特别是涉及一种管内激光熔覆强化设备，一种管内激光熔覆强化设备，包括工作台，机床床头、机床卡盘和电控装置，工作台上依次设置一组管材托辊、固定支架和一组滑道立座，一组滑道立座与电动伸缩臂相连接，此电动伸缩臂与管内滑车相连接，此管内滑车与管内激光熔覆器相连接，电动伸缩臂由直臂驱动电机，伸缩直臂，固定直轨道和拖链组合组成，管内激光熔覆器包括熔覆封闭外壳，熔覆头，齿轮传动装置、直线驱动装置、光学传感器，激光发射装置、保护气体管组、冷却循环管组和粉料输送管，本发明可实现小直径管和细长管的内壁熔覆强化加工工作，增加管内表面处理方式，提高多种管材的性能和适用范围。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆设备的技术领域，特别是涉及一种管内激光熔覆强化设备。
背景技术
管材被广泛应用于各行各业中，对于许多行业，对管材材质有诸如防腐、耐磨、耐酸碱、抗冲击等各种要求，为达到所要求的性能，目前所采用的方法一是使用特殊材质制造专用管材，如不锈钢、耐酸钢、铜合金等等，另一种方式就是利用表面技术在普通管材内壁进行处理，如喷涂、电镀、衬层、热处理等等，激光熔覆及强化技术，是近几年来发展很快的表面强化技术之一，利用激光可以很方便的在其他材料表面熔覆一层高性能材料，以实现用较低成本获取高性能的产品，也可以通过激光热处理、激光合金化处理等手段改变原始材料的性能，以实现更佳的工作性能，目前激光加工技术已被许多行业所采用，但是目前对能被处理的材料形状限制多多，比如管材内表面，尤其是小口径管或细长管内壁的激光处理还无法实现，因此，激光熔覆设备有待继续创新及完善。
发明内容
本发明的目的是提供一种管内激光熔覆强化设备，解决长期以来小口径管或细长管内壁的激光处理无法实现的问题，增加管内表面处理方式，提高多种管材的性能和适用范围。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
本发明的一种管内激光熔覆强化设备，包括工作台，设在此工作台上的机床床头、机床卡盘和与机床床头相连接的电控装置，所述的工作台上自左向右依次设置一组管材托辊、固定支架和一组滑道立座，所述的一组滑道立座与电动伸缩臂相连接，此电动伸缩臂与管内滑车相连接，此管内滑车与管内激光熔覆器相连接，所述的电动伸缩臂和管内激光熔覆器均与所述的电控装置相连接，所述的电动伸缩臂由固定在所述的固定支架上的直臂驱动电机，与此直臂驱动电机相连接的伸缩直臂，与此伸缩直臂滑动连接的固定直轨道和设在此伸缩直臂上的拖链组合所组成，所述的拖链组合的一端穿过所述的管内滑车与所述的管内激光熔覆器相连接，所述拖链组合的另一端固定在所述的固定支架上，所述的伸缩直臂与所述的管内滑车相连接。
所述的管内激光熔覆器包括熔覆封闭外壳，与此熔覆封闭外壳相连接的熔覆头，设在此熔覆封闭外壳上的齿轮传动装置、直线驱动装置、光学传感器，设在此熔覆封闭外壳内的激光发射装置、保护气体管组、冷却循环管组和粉料输送管，此粉料输送管穿过此熔覆封闭外壳内腔后弯曲靠接在所述熔覆头外部，所述的熔覆头上设有与所述的保护气体管组相相连通的一组保护气体通孔和与 所述激光发射装置相连接的发射中心孔，所述的齿轮传动装置、直线驱动装置、激光发射装置和光学传感器均与所述的电控装置相连接。
所述的熔覆封闭外壳由固定尾部外壳，与此固定尾部外壳转动连接的中部转动外壳和与此中部转动外壳滑动连接的头部移动外壳所组成，所述的固定尾部外壳由方桶形外壳，与此方桶形外壳相连接的圆筒形外壳和固定在此圆筒形外壳内表面上的凸台圈所组成，所述的中部转动外壳为一端带有凹槽沟圈的直圆筒，所述的移动外壳圆筒段与所述的中部转动外壳的另一端部滑动连接，所述的凸台圈与所述的凹槽沟圈转动连接，所述的头部移动外壳为移动外壳圆筒段和移动外壳方箱段的组合壳体，所述移动外壳方箱段与所述熔覆头相连接，所述的光学传感器设在所述移动外壳方箱段的下表面。
所述的齿轮传动装置由固定在所述圆筒形外壳上的齿轮驱动电机，通过联轴器与此齿轮驱动电机相连接的驱动齿轮和与此驱动齿轮啮合连接的外齿圈所组成，所述的外齿圈固定在所述的中部转动外壳上，所述的直线驱动装置由固定在所述头部移动外壳上的直线电机，与此直线电机的输出端相连接的随行齿条和与此随行齿条相互扣接的固定齿条所组成，所述的固定齿条固定在所述的中部转动外壳上。
所述的拖链组合包括拖链本体和通过固定夹固定在此拖链本体上的电缆线组、保护气体软管组、冷却循环软管组和粉料输送软管，所述的电缆线组一端分别与所述的直线电机和齿轮驱动电机相连接、另一端与所述的电控装置相连接，所述的保护气体软管组与所述的保护气体管组相连通，所述的冷却循环软管组与所述的冷却循环管组相连通，所述的粉料输送软管与所述的粉料输送管相连通。
所述的管内滑车由筒形车体，设在此筒形车体外表面上的管内滚轮组和固定在此筒形车体内的方框架所组成，所述的方桶形外壳与所述的方框架一侧固定连接，所述方框架的另一侧与所述的伸缩直臂固定连接。
所述的管内滚轮组由固定在所述筒形车体的两端外表面上的两个外圈固定轮架和分别与此两个外圈固定轮架转动连接且均匀分布在外圆周方向的三套摆动对轮所组成，所述的摆动对轮由分别与所述的两个外圈固定轮架转动连接的两个U形摆动轮架，分别设在此两个U形摆动轮架上的两个固定横轴，分别与此两个固定横轴转动连接的两个弹簧座，分别与此两个弹簧座相连接的压缩弹簧和分别通过两个转轴与所述的两个U形摆动轮架转动连接的两个滚轮所组成，所述的固定横轴与所述的转轴相互平行。
所述的伸缩直臂的横截面为带有凹槽的凵形结构，所述的拖链组合设在所述伸缩直臂的凹槽内。
所述的激光发射装置包括设在所述熔覆封闭外壳内的激光光纤接口，与此激光光纤接口相连接的激光水平输出管，与此激光水平输出管相连通的激光垂直输出管，设在所述激光水平输出管内的激光整束镜组，设在所述激光水平输出管端部的光束反射镜，设在所述激光垂直输出管内的保护镜片和与所述激光水平输出管相连接的定位激光发射管所组成，所述的激光垂直输出管设在所述的熔覆头上，所述的定位激光发射管的端头穿过所述移动外壳方箱段的内腔固定在下表面壁板上。
所述的管材托辊由固定在工作平台上的托辊座和设在此托辊座上的一对托辊所组成，所述的一对托辊为相对所述机床卡盘的中心垂直面对称的两个水平回转轮。
本发明的优点是：
1）本发明与现有技术相比，可有效实现小直径管和细长管的内壁激光熔覆强化加工工作，具有对各种管路内壁的强化、修补功能；
2）本发明通过更换不同直径的机床卡盘，可适应各种直径管材，通过改变光纤和伸缩直臂的长度，可以对各种长度的管材进行强化处理；
3）本发明可实现现场管道修复或强化作业，并可对直线管路的不拆卸进行处理，对于石油、化工、电力、食品等工业管路的处理具有重大意义。且整套设备结构简单、重量轻；
4）在本发明中采用了水平引入激光的设计，可有效降低熔覆头的径向尺寸，以适应小直径管材内壁的激光处理工作；
5）本发明具有螺旋形连续扫描、轴向单段扫描和径向单段扫描三种工作方式功能，可根据管材的形状、尺寸、现场环境等具体条件灵活选用最佳的加工方式。
附图说明
图1为本发明的结构立体示意图。
图2为本发明图1中管内激光熔覆器结构示意图。
图3为本发明图2的左视图。
图4为本发明图2的仰视图。
图5为本发明图1中管内滑车的结构示意图。
图6为本发明图5的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明一种管内激光熔覆强化设备，包括工作台11，设在此工作台11上的机床床头9、机床卡盘8和与机床床头9相连接的电控装置14，所述的工作台9上自左向右依次设置一组管材托辊、固定支架3和一组滑道立座13，管材托辊的数量可依据管材长度设定，可设置2-4个，相互距离均等，固定支架3数量同样可依据管材长度设定，可设为等距离的5-8个，机床卡盘8为自动对心且可更换的三爪卡盘。
所述的一组滑道立座13与电动伸缩臂相连接，此电动伸缩臂与管内滑车5相连接，此管内滑车5与管内激光熔覆器6相连接，所述的电动伸缩臂和管内激光熔覆器均与所述的电控装置相连接，所述的电动伸缩臂由固定在所述的固定支架上的直臂驱动电机12，与此直臂驱动电机12相连接的伸缩直臂4，与此伸缩直臂4滑动连接的固定直轨道1和设在此伸缩直臂4上的拖链组合2所组成，所述的拖链组合的一端穿过所述的管内滑车与所述的管内激光熔覆器6相连接，所述拖链组合的另一端固定在所述的固定支架上，所述的伸缩直臂与所述的管内滑车相连接。所述的伸缩直臂4与管内滑车5固定连接，直臂驱动电机12带动伸缩直臂4、管内滑车5及管内激光熔覆器6往复移动，工作时伸缩直臂4将管内滑车5及管内激光熔覆器6送至待加工的管材孔内并可在管材内直线移动，管材转动靠机床床头9驱动旋转。
如图2、3、4所示，所述的管内激光熔覆器6包括熔覆封闭外壳，与此熔覆封闭外壳相连接的熔覆头6-20，设在此熔覆封闭外壳上的齿轮传动装置、直线驱动装置、光学传感器6-24，设在此熔覆封闭外壳内的激光发射装置、保护气体管组6-16、冷却循环管组6-11和粉料输送管6-22，此粉料输送管穿过此熔覆封闭外壳内腔后弯曲靠接在所述熔覆头外部，所述的熔覆头6-20上设有与所述的保护气体管组相相连通的一组保护气体通孔6-17和与所述激光发射装置相连接的发射中心孔6-19，所述的齿轮传动装置、直线驱动装置、激光发射装置和光学传感器均与所述的电控装置相连接。进入管材内孔后的管内激光熔覆器6可在圆周方向通过齿轮传动装置微调熔覆头6-20，也可通过直线驱动装置微调熔覆头6-20的纵向母线方向移动。
如图2、3、4所示，所述的熔覆封闭外壳由固定尾部外壳，与此固定尾部外壳转动连接的中部转动外壳6-4和与此中部转动外壳滑动连接的头部移动外壳6-1所组成，所述的固定尾部外壳由方桶形外壳6-10，与此方桶形外壳6-10相连接的圆筒形外壳6-9和固定在此圆筒形外壳6-9内表面上的凸台圈6-8所组成，所述的中部转动外壳6-4为一端带有凹槽沟圈的直圆筒，所述的移动外壳圆筒段与所述的中部转动外壳的另一端部滑动连接，所述的凸台圈6-8与所述的凹槽沟圈转动连接，所述的头部移动外壳6-1为移动外壳圆筒段和移动外壳方箱段的组合壳体，所述移动外壳方箱段与所述熔覆头相连接，所述的光学传感器设在所述移动外壳方箱段的下表面。
如图2所示，所述的齿轮传动装置由固定在所述圆筒形外壳6-9上的齿轮驱动电机6-7，通过联轴器与此齿轮驱动电机6-7相连接的驱动齿轮6-6和与此驱动齿轮6-6啮合连接的外齿圈6-14所组成，所述的外齿圈6-14固定在所述的中部转动外壳6-4上，所述的直线驱动装置由固定在所述头部移动外壳6-1上的直线电机6-2，与此直线电机6-2的输出端相连接的随行齿条6-3和与此随行齿条6-3相互扣接的固定齿条6-5所组成，所述的固定齿条6-5固定在所述的中部转动外壳6-4上。所述随行齿条6-3的齿形位于下表面，固定齿条6-5的齿形位于上表面，两个齿条连接时上、下错开，即随行齿条6-3齿峰对应固定齿条6-5的齿沟对扣，该连接的好处，长短调整、拆卸方便，直线距离检测反馈数值准确。
如图1、2、3所示，所述的拖链组合2包括拖链本体和通过固定夹固定在此拖链本体上的电缆线组、保护气体软管组、冷却循环软管组和粉料输送软管，所述的电缆线组一端分别与所述的直线电机和齿轮驱动电机相连接、另一端与所述的电控装置相连接，所述的保护气体软管组与所述的保护气体管组相连通，所述的冷却循环软管组与所述的冷却循环管组相连通，所述的粉料输送软管与所述的粉料输送管相连通。
冷却循环软管组与冷却器相连接，粉料输送软管与气载送粉器相连接，保护气体软管组与保护气体发生器相连接。
如图4、5所示，所述的管内滑车5由筒形车体5-2，设在此筒形车体5-2外表面上的管内滚轮组和固定在此筒形车体内的方框架5-1所组成，所述的方桶形外壳6-10与所述的方框架5-1一侧固定连接，所述方框架5-1的另一侧与所述的伸缩直臂4固定连接。
如图4、5所示，所述的管内滚轮组由固定在所述筒形车体的两端外表面上的两个外圈固定轮架5-3和分别与此两个外圈固定轮架5-3转动连接且均匀分布在外圆周方向的三套摆动对轮所组成，所述的摆动对轮由分别与所述的两个外圈固定轮架转动连接的两个U形摆动轮架5-4，分别设在此两个U形摆动轮架5-4上的两个固定横轴5-7，分别与此两个固定横轴5-7转动连接的两个弹簧座5-8，分别与此两个弹簧座5-8相连接的压缩弹簧5-9和分别通过两个转轴5-6与所述两个U形摆动轮架转动连接的两个滚轮5-5所组成，所述的固定横轴与所述的转轴相互平行。每个外圈固定轮架5-3上均设有三个双耳板，两个外圈固定轮架5-3上三个双耳板在纵向母线方向相对应，使安装后的两个U形摆动轮架5-4能同时纵向摆动，这样当管内滚轮组进入待加工管材内后，滚轮5-5可靠压缩弹簧5-9的预紧力始终保持与管材内孔表面接触的状态。从而保证熔覆头与管体同心，并且当管体本身存在椭圆、壁厚偏差导致内径变化时可自动调整，确保轴向运动不受卡滞。
如图1所示，所述的伸缩直臂4的横截面为带有凹槽的凵形结构，所述的拖链组合设在所述伸缩直臂的凹槽内。拖链组合是铰接弯曲件，平放时其底表面与伸缩直臂的凹槽内底表面靠接，弯曲时离开伸缩直臂的凹槽位于其上方，所述固定直轨道的横截面也可为带有凹槽的凵形结构，所述的伸缩直臂的外表面与所述固定直轨道的凹槽内表面滑动连接，该结构比较紧凑，占据上下空间小。伸缩直臂4的底表面也可设置滑轨与固定直轨道配合滑动连接，总之伸缩直臂4固定直轨道的滑动连接可多种形式。
如图2、3、4所示，所述的激光发射装置包括设在所述熔覆封闭外壳内的激光光纤接口6-12，与此激光光纤接口6-12相连接的激光水平输出管6-15，与此激光水平输出管相连通的激光垂直输出管6-19，设在所述激光水平输出管内的激光整束镜组6-13，设在所述激光水平输出管端部的光束反射镜6-21，设在所述激光垂直输出管内的保护镜片6-18和与所述激光水平输出管相连接的定位激光发射管6-23所组成，所述的激光垂直输出管6-19设在所述的熔覆头6-20上，所述的定位激光发射管6-23的端头穿过所述移动外壳方箱段的内腔固定在下表面壁板上。所述的冷却循环管组6-11在所述的光束反射镜6-21附近设有冷却腔，以便快速吸收、散发光束反射镜6-21产生的热量。工作时，激光束经激光光纤接口导入后，经激光整束镜组整形为所需的光束形状和尺寸，通过光束反射镜把水平光束折转90度，反射后的激光束通过激光垂直输出管垂直照射到管内的工作面上。
如图1所示，所述的管材托辊由固定在工作平台11上的托辊座10和设在此托辊座上的一对托辊7所组成，所述的一对托辊为相对所述机床卡盘的中心垂直面对称的两个水平回转轮。两个水平回转轮可设为上下高度可调整的水平回转轮。
本设备系统可使用各种形式和功率的光纤输出激光发生器作为光源，冷却机组、气载送粉器、保护气体机等均可采用目前的标准工业设备。
本系统具有螺旋形连续扫描、轴向单段扫描和径向单段扫描三种工作方式功能：
1）螺旋形连续扫描方式
在此工作方式下，待处理管材在机床卡盘带动下做径向旋转，送粉管调整至径向旋转方向前方，同时进入的管材内熔覆头在电动伸缩臂的牵引下沿轴向作直线运动，激光束在管材内形成连续或非连续的螺旋扫描轨迹。
工作时送粉器将粉末经粉料输送管连续送至激光照射区前方，并随管材旋转进入激光作用区域后在激光照射下熔化形成激光熔覆层，同时熔覆头不停沿轴向运动在管内形成连续的螺旋形熔覆面，定位激光发射管连续发出定位光束，此时电控装置根据进入管材内的光学传感器信号发出调整指令，可通过齿轮驱动电机和直线电机的动作，使熔覆头在径向和轴向两个方向上即时调整激光作用区域与已完成熔覆的相对位置，以弥补因管材内尺寸偏差、壁厚不均、管身椭圆等固有缺陷造成的熔覆偏差。
2）轴向单段扫描方式
在此工作方式下，粉料输送管调整至管材轴向移动方向前方，熔覆头在驱动臂的牵引下沿轴向作直线运动，完成管材内全长处理后，关闭激光，待处理管材在卡盘带动下做径向旋转至下一个所需位置后，开启激光进行下一次处理，重复以上过程，直至完成全部工作面处理过程。
3）径向单段扫描
在此工作方式下，待处理管材在卡盘带动下做径向旋转，粉料输送管调整至径向旋转方向前方，每完成一圈处理后，关闭激光，熔覆头在电动伸缩臂的牵引下沿轴向作直线移动至所需位置后，开启激光进行下一次处理，重复以上过程，直至完成全部工作面处理过程。
Claims (8)
1.一种管内激光熔覆强化设备，包括工作台，设在此工作台上的机床床头、机床卡盘和与机床床头相连接的电控装置，其特征在于：所述的工作台上自左向右依次设置一组管材托辊、固定支架和一组滑道立座，所述的一组滑道立座与电动伸缩臂相连接，此电动伸缩臂与管内滑车相连接，此管内滑车与管内激光熔覆器相连接，所述的电动伸缩臂和管内激光熔覆器均与所述的电控装置相连接，所述的电动伸缩臂由固定在所述的固定支架上的直臂驱动电机，与此直臂驱动电机相连接的伸缩直臂，与此伸缩直臂滑动连接的固定直轨道和设在此伸缩直臂上的拖链组合所组成，所述的拖链组合的一端穿过所述的管内滑车与所述的管内激光熔覆器相连接，所述拖链组合的另一端固定在所述的固定支架上，所述的伸缩直臂与所述的管内滑车相连接；
所述的管内激光熔覆器包括熔覆封闭外壳，与此熔覆封闭外壳相连接的熔覆头，设在此熔覆封闭外壳上的齿轮传动装置、直线驱动装置、光学传感器，设在此熔覆封闭外壳内的激光发射装置、保护气体管组、冷却循环管组和粉料输送管，此粉料输送管穿过此熔覆封闭外壳内腔后弯曲靠接在所述熔覆头外部，所述的熔覆头上设有与所述的保护气体管组相相连通的一组保护气体通孔和与 所述激光发射装置相连接的发射中心孔，所述的齿轮传动装置、直线驱动装置、激光发射装置和光学传感器均与所述的电控装置相连接；
所述的管材托辊由固定在工作平台上的托辊座和设在此托辊座上的一对托辊所组成，所述的一对托辊为相对所述机床卡盘的中心垂直面对称的两个水平回转轮。
2.根据权利要求1所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的熔覆封闭外壳由固定尾部外壳，与此固定尾部外壳转动连接的中部转动外壳和与此中部转动外壳滑动连接的头部移动外壳所组成，所述的固定尾部外壳由方桶形外壳，与此方桶形外壳相连接的圆筒形外壳和固定在此圆筒形外壳内表面上的凸台圈所组成，所述的中部转动外壳为一端带有凹槽沟圈的直圆筒，所述的移动外壳圆筒段与所述的中部转动外壳的另一端部滑动连接，所述的凸台圈与所述的凹槽沟圈转动连接，所述的头部移动外壳为移动外壳圆筒段和移动外壳方箱段的组合壳体，所述移动外壳方箱段与所述熔覆头相连接，所述的光学传感器设在所述移动外壳方箱段的下表面。
3.根据权利要求2所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的齿轮传动装置由固定在所述圆筒形外壳上的齿轮驱动电机，通过联轴器与此齿轮驱动电机相连接的驱动齿轮和与此驱动齿轮啮合连接的外齿圈所组成，所述的外齿圈固定在所述的中部转动外壳上，所述的直线驱动装置由固定在所述头部移动外壳上的直线电机，与此直线电机的输出端相连接的随行齿条和与此随行齿条相互扣接的固定齿条所组成，所述的固定齿条固定在所述的中部转动外壳上。
4.根据权利要求3所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的拖链组合包括拖链本体和通过固定夹固定在此拖链本体上的电缆线组、保护气体软管组、冷却循环软管组和粉料输送软管，所述的电缆线组一端分别与所述的直线电机和齿轮驱动电机相连接、另一端与所述的电控装置相连接，所述的保护气体软管组与所述的保护气体管组相连通，所述的冷却循环软管组与所述的冷却循环管组相连通，所述的粉料输送软管与所述的粉料输送管相连通。
5.根据权利要求2所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的管内滑车由筒形车体，设在此筒形车体外表面上的管内滚轮组和固定在此筒形车体内的方框架所组成，所述的方桶形外壳与所述的方框架一侧固定连接，所述方框架的另一侧与所述的伸缩直臂固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的管内滚轮组由固定在所述筒形车体的两端外表面上的两个外圈固定轮架和分别与此两个外圈固定轮架转动连接且均匀分布在外圆周方向的三套摆动对轮所组成，所述的摆动对轮由分别与所述的两个外圈固定轮架转动连接的两个U形摆动轮架，分别设在此两个U形摆动轮架上的两个固定横轴，分别与此两个固定横轴转动连接的两个弹簧座，分别与此两个弹簧座相连接的压缩弹簧和分别通过两个转轴与所述的两个U形摆动轮架转动连接的两个滚轮所组成，所述的固定横轴与所述的转轴相互平行。
7.根据权利要求1所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的伸缩直臂的横截面为带有凹槽的凵形结构，所述的拖链组合设在所述伸缩直臂的凹槽内。
8.根据权利要求2所述的一种管内激光熔覆强化设备，其特征在于：所述的激光发射装置包括设在所述熔覆封闭外壳内的激光光纤接口，与此激光光纤接口相连接的激光水平输出管，与此激光水平输出管相连通的激光垂直输出管，设在所述激光水平输出管内的激光整束镜组，设在所述激光水平输出管端部的光束反射镜，设在所述激光垂直输出管内的保护镜片和与所述激光水平输出管相连接的定位激光发射管所组成，所述的激光垂直输出管设在所述的熔覆头上，所述的定位激光发射管的端头穿过所述移动外壳方箱段的内腔固定在下表面壁板上。
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