CN105458508B - 小口径管内壁激光堆焊方法 - Google Patents

小口径管内壁激光堆焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种小口径管内壁激光堆焊方法，包括以下步骤：1)焊前准备，将周向反射聚焦装置置于小口径管内，调整光束整形装置、小口径管和所述周向反射聚焦装置使三者同轴；2)堆焊时，激光经所述光束整形装置形成平行直线传输的空心柱状光束，然后空心柱状光束再射在周向反射聚焦装置的锥形弧面反射聚焦镜上，经锥形弧面反射聚焦镜周向偏转反射聚焦在所述小口径管的内壁上，并且形成圆环形高能量密度的焦斑，同时根据需要通过直线驱动机构驱动周向反射聚焦装置作直线运动。本发明能够对小口径金属管、非金属管、复合管进行自动化堆焊，不但可用于现场维修，还可以用于复合管材的工厂生产，用途非常广泛，且堆焊质量好、成本低。

Description

小口径管内壁激光堆焊方法
本申请是名称为“小口径管内壁激光堆焊设备”、国内申请日为2013年11月7日、国家申请号为2013105494681的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种小口径管内壁激光堆焊设备。
背景技术
在小口径管内壁实施堆焊作业是焊接技术领域的难题，目前，仍未有一种焊接方法可以很好地解决该问题，其原因主要是由于设备执行终端单元(焊枪、焊炬)的固有构造限制了其可缩小的尺寸下限，从而难以进入诸如压水堆核电站蒸汽发生器的传热管、热交换器的传热管以及化工冷凝管等小口径管道内部实施堆焊或补焊作业，所以目前这类小口径管道维修主要采用堵管、衬管以及切割更换等方式，而这些维修方式均存在使传热效率降低、可靠性差、维修成本高以及维修工期长等缺点。另外，在工业领域，由于工况的要求，经常需要管材内壁具备耐蚀、耐磨等特性，这类管材的生产大多采用电弧堆焊技术，而当口径小到传统的电弧堆焊技术无法进行生产时，为了保证特殊的服役性能，口径小的管材往往采用不锈钢、镍基合金以及一些稀有金属等价格昂贵的单一材料，从而造成具有特殊性能的小口径管材加工难度大、制造成本高以及资源浪费严重等问题。目前市场上具有内衬堆焊层、相对廉价的小口径复合金属管材很少。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种能够在小口径管内壁进行自动化堆焊、使小口径管内壁形成内衬堆焊层、保证小口径管道维修质量和成本、缩短小口径管道维修工期的小口径管内壁激光堆焊设备，以克服现有技术的上述缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种小口径管内壁激光堆焊设备，包括激光发射装置和周向反射聚焦装置，所述激光发射装置的发射端设有一个保护气体导通管，所述保护气体导通管与所述小口径管的一端相连接，所述周向反射聚焦装置可从所述小口径管的另一端插入所述小口径管的内腔中，所述周向反射聚焦装置的后端与一直线驱动机构相连接，所述周向反射聚焦装置的前端设有与所述激光发射装置的发射端相对的锥形弧面反射聚焦镜，所述保护气体导通管的侧壁上设有进气口与保护气体管路相连接。
优选地，所述激光发射装置包括依次相连接的激光器、光束传导器件和光束整形装置。
优选地，所述光束整形装置包括筒形壳体、凸透镜、凹透镜、镜片压紧筒和端盖，所述端盖设于所述筒形壳体的后端并与所述光束传导器件相连接，所述保护气体导通管连接于所述筒形壳体的前端，所述凸透镜、凹透镜沿激光的出射方向依次布置，由所述镜片压紧筒压紧在所述筒形壳体的内部，所述筒形壳体的内壁与镜片压紧筒的外壁之间形成环形密封舱，所述筒形壳体的侧壁上设有与所述环形密封舱相通的进水口和出水口；所述进水口和出水口通过循环水管路与冷却器相连接。
优选地，所述筒形壳体内还设有一个折射扩束镜，所述折射扩束镜、凸透镜和凹透镜沿激光的出射方向依次布置，所述折射扩束镜也由镜片压紧筒压紧在所述筒形壳体的内部，所述折射扩束镜为带有浅锥形凹坑的光学透镜。
优选地，所述保护气体导通管的前端设有用于与所述小口径管相连接的对中调整机构。
优选地，所述周向反射聚焦装置的后端设有水冷块，所述锥形弧面反射聚焦镜与水冷块之间设有水冷腔，所述水冷腔通过循环水管路与冷却器相连接。
优选地，本发明还包括一刚性底座，所述直线驱动机构安装在所述刚性底座上，所述刚性底座上还设有用于夹持小口径管的夹持机构。
优选地，所述直线驱动机构包括固定于所述刚性底座的直线导轨副、丝杠副以及驱动所述丝杠副的电机，所述直线导轨副的滑块和所述丝杠副的螺母均与一滑台的底部固定，所述滑台上固定有一驱动杆，所述驱动杆连接所述周向反射聚焦装置的后端。
优选地，所述夹持机构包括通过高度调节装置与刚性底座相连接的V型定位块和位于V型定位块上面的压紧块，所述V型定位块和压紧块通过紧固件连接。
优选地，本发明还包括用于控制所述直线驱动机构和激光发射装置的控制台。
如上所述，本发明的小口径管内壁激光堆焊设备，具有以下有益效果：
1、能够对内径25mm以下的小口径管进行内壁堆焊作业，便于小口径管的修补，维修质量高，维修成本低，维修工期短；本发明不但能够进行金属材料的管内壁堆焊作业，还可以堆焊电弧堆焊技术无法加工的材料，如：无机非金属、聚合物等不导电材料，用途广泛。
2、本发明将光束聚焦成环形光斑，环形光斑运动轨迹为圆柱面，使管壁堆焊层一次成形，无螺纹形焊道搭接边，成形质量好，堆焊效率高、热输入低，变形量小。
3、本发明可用于预置衬管工艺的堆焊，也可用于预置粉末工艺的堆焊；不但可进行管内壁衬管固定焊接，还可进行管内壁表面合金化以及管内壁热处理等工作，从而实现了一机多用。
4、本发明的锥形弧面反射聚焦镜只作与待堆焊管同轴的直线运动，无需内置旋转电机驱动，结构简单，空间干涉小，可靠耐用；堆焊的管长度不受限制，无作业死角，可连续工作；不但可用于现场维修，还可以用于复合管材的工厂生产。
附图说明
图1显示为本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的结构示意图。
图2显示为本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的工作原理及冷却回路和保护气路的连接示意图。
图3显示为本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的光束整形装置以及周向反射聚焦装置的局部结构示意图。
图4显示为本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的夹持机构、直线驱动机构的局部结构示意图。
元件标号说明
1 控制台 2 激光器
31 第一冷水管 32 第一热水管
33 水冷块的冷流道 34 水冷块的热流道
35 水冷腔 36 环形密封舱
37 第二冷水管 38 第二热水管
39 冷却器 4 光束传导器件
51 小口径管 53 保护气体管路
54 流量控制阀 55 减压阀
56 气瓶 6 光束整形装置
61 对中调整机构 62 保护气体导通管
63 筒形壳体 64 端盖
65 折射扩束镜 66 凸透镜
67 镜片压紧筒 68 凹透镜
71 水冷块 72 锥形弧面反射聚焦镜
8 夹持机构 81 支撑板
82 压紧块 83 锁紧螺栓
84 锁紧螺母 85 固定块
86 V型定位块 87 刚性底座
9 直线驱动机构 91 电机
92 直线导轨副 93 丝杠副
94 滑台 95 驱动杆固定座
96 驱动杆 10 衬管
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
鉴于目前在小口径管道内壁实施堆焊或补焊作业存在的技术难题，这类管件的在役维修主要采用堵管、衬管以及切割更换等方式，而这些维修方式均存在使传热效率降低、可靠性差、维修成本高以及维修工期长等缺点。另外，在工业领域，由于工况的要求，经常需要管材内壁具备耐蚀、耐磨等特性，这类管材的生产大多采用电弧堆焊技术，而当口径小到传统的电弧堆焊技术无法进行生产时，为了保证特殊的服役性能，口径小的管材往往采用不锈钢、镍基合金以及一些稀有金属等价格昂贵的单一材料，从而造成具有特殊性能的小口径管材加工难度大、制造成本高以及资源浪费严重等问题。本发明的发明人设计出小口径管内壁激光堆焊设备，采用激光堆焊技术进行自动化堆焊，从而能够在小口径管内壁形成内壁堆焊层，保证小口径管道的维修质量和和维修成本，缩短小口径管道维修工期；不但可进行管内壁衬管固定焊接，还可进行管内壁表面合金化以及管内壁热处理等工作；不但可用于现场维修，还可以用于复合管材的工厂生产。
以下将通过具体实施例来对本发明的小口径管内壁激光堆焊设备进行详细说明。
如图1、图3、图4所示，本发明提供一种小口径管内壁激光堆焊设备，包括激光发射装置和周向反射聚焦装置，所述激光发射装置的发射端设有一个保护气体导通管62，所述保护气体导通管62与所述小口径管51的一端相连接，所述周向反射聚焦装置可从所述小口径管51的另一端插入所述小口径管51的内腔中，所述周向反射聚焦装置的后端与一直线驱动机构9相连接，所述周向反射聚焦装置的前端设有与所述激光发射装置的发射端相对的锥形弧面反射聚焦镜72，所述直线驱动机构9带动所述周向反射聚焦装置，使所述锥形弧面反射聚焦镜72在所述小口径管51的内腔相对所述激光发射装置的发射端作轴向运动，所述保护气体导通管62的侧壁上设有进气口与保护气体管路53相连接。
其中，所述激光发射装置包括依次相连接的激光器2、光束传导器件4和光束整形装置6。
如图2所示，所述保护气体管路53连接气源，所述气源可以采用储存有保护气体的气瓶56，则在所述气瓶56到所述进气口之间的保护气体连接管路53上依次设有减压阀55和流量调节阀54。
如图2、图3所示，所述周向反射聚焦装置的后端设有水冷块71，所述锥形弧面反射聚焦镜72与水冷块71通过螺纹连接，且连接部位设有耐高温密封圈，使所述锥形弧面反射聚焦镜72与水冷块71之间形成一个密闭的水冷腔35，所述水冷块71设有与所述水冷腔35相通的冷流道33和热流道34；所述冷流道33通过第一冷水管31连接冷却器39的出水口，所述热流道34通过第一热水管32连接冷却器39的入水口，使所述水冷腔35与冷却器39之间形成一条冷却所述周向反射聚焦装置的循环水管路。
如图3所示，所述光束整形装置6包括筒形壳体63、凸透镜66、凹透镜68、镜片压紧筒67和端盖64，所述端盖64设于所述筒形壳体63的后端并与所述光束传导器件4相连接，所述保护气体导通管62连接于所述筒形壳体63的前端，所述凸透镜66、凹透镜68沿激光的出射方向依次布置，由所述镜片压紧筒67压紧在所述筒形壳体63的内部，所述筒形壳体63的内壁与镜片压紧筒67的外壁之间形成环形密封舱36，所述筒形壳体63的侧壁上设有与所述环形密封舱36相通的进水口和出水口；与所述环形密封舱36相通的进水口通过第二冷水管37连接所述冷却器39的出水口，与所述环形密封舱36相通的出水口通过第二热水管38连接所述冷却器39的入水口，使所述环形密封舱36与冷却器39之间形成一条冷却所述光束整形装置6的循环水管路。为了使所述光束整形装置6的冷却效果好，所述筒形壳体63侧壁上的进水口和出水口分别设于所述筒形壳体63两端，在所述筒形壳体63的侧壁一上一下呈180°排布。
所述筒形壳体63内还可以设有一个折射扩束镜65，则所述折射扩束镜65、凸透镜66和凹透镜68沿激光的出射方向依次布置，所述折射扩束镜65也由镜片压紧筒67压紧在所述筒形壳体63的内部，所述折射扩束镜65为带有浅锥形凹坑的光学透镜。包含有折射扩束镜65的光束整形装置6，能够将由所述光束传导器件4输出的、激光器2产生的激光束整形成准直传播、截面小于锥形弧面反射聚焦镜横向投影面、中空的光柱。在此基础上，改变所述凸透镜66、所述凹透镜68的镜片曲率，或者调整所述凸透镜66、所述凹透镜68的数量，就可以将激光器2产生的激光束整形成不同直径，从而可以适应不同内径的小口径管51的堆焊要求。而在堆焊所需的激光能量较小或堆焊时间较短的情况下，所述锥形弧面反射聚焦镜72中心的尖端部位没有被熔化的风险，此时可以简化光路设计，仅需将所述光束传导器件4输出的激光束整形成实心准直光柱，从而所述光束整形装置6可以取消所述折射扩束镜65，所述锥形弧面反射聚焦镜72同样可以将没有折射扩束镜65的光束整形装置6整形出来的实心准直光柱聚焦，在所述小口径管51的内壁聚焦成能量密度极高的圆环形焦斑。为了较好地实现锥形弧面反射聚焦镜72如上所述的聚焦功能，所述锥形弧面反射聚焦镜72的聚焦面优选为具有积分曲率的凹形圆锥面。
为了使所述锥形弧面反射聚焦镜72将所述光束整形装置6整形出来的准直光柱在所述小口径管51的内壁聚焦成能量密度极高的圆环形焦斑，所述小口径管51应与所述锥形弧面反射聚焦镜72、所述光束整形装置6保持同轴，从而所述保护气体导通管62的前端设有用于与所述小口径管51相连接、并使所述小口径管51与所述光束整形装置6同轴的对中调整机构61。
本发明的小口径管内壁激光堆焊设备还可以包括一刚性底座87，则所述直线驱动机构9安装在所述刚性底座87上，所述刚性底座87上还设有用于夹持小口径管51的夹持机构8。
如图4所示，所述直线驱动机构9包括固定于所述刚性底座87的直线导轨副92、丝杠副93以及驱动所述丝杠副的电机91，所述直线导轨副92的滑块和所述丝杠副93的螺母均与一滑台94的底部固定，所述滑台94上通过一驱动杆固定座95固定有一驱动杆96；如图3所示，所述驱动杆96连接所述周向反射聚焦装置的后端，即连接所述水冷块71。从结构的可靠性及经济性考虑，所述丝杠副93为一套，所述直线导轨副92为两套，所述丝杠副93设于两套所述直线导轨副92之间并与所述直线导轨副92平行。因滚珠丝杠螺母副具有传动效率高(达85％—98％)、灵敏度高(无颤动、无爬行，同步性好)、定位精度高(可以实现无间隙传动，刚度强，温升小)、使用寿命长(是普通滑动丝杠的4倍以上，磨损小，精度保持期长)的优点，且使用、润滑和维修方便、可靠；可逆向传动，不自锁。虽然相对于梯形丝杠价位偏高，但是性价比还是很好的，因此，所述丝杠副93可优选地采用滚珠丝杠螺母副。
如图4所示，所述夹持机构8包括与刚性底座87相连接的V型定位块86和位于V型定位块86上面的压紧块82，所述V型定位块86和压紧块82通过锁紧螺栓83、锁紧螺母84连接在一起。所述刚性底座87与所述V型定位块86之间还可以设置高度调节装置，所述高度调节装置包括与刚性底座87固定的固定块85以及设于所述固定块85上方、能够相对于所述固定块85上下移动的支撑板81。所述V型定位块86与所述支撑板81固定，则本发明可以通过高度调节装置来保证被夹持机构8夹持的不同直径小口径管51与连接所述驱动杆96的周向反射聚焦装置同轴。当然所述高度调节装置也可以设于所述驱动杆96和所述滑台94之间，比如可以将驱动杆固定座95设计成可进行高度调节的高度调节装置，则小口径管51的直径发生变化时，其轴线发生上下移动，相应地调节驱动杆固定座95的高度，使连接驱动杆96的周向反射聚焦装置能够保持与小口径管51同轴即可。
为了避免小口径管51在夹持过程中外表面被划伤，所述夹持机构8的V型定位块86和压紧块82与小口径管51外表面接触处应设置软质材料的垫片来保护小口径管51。本发明的小口径管内壁激光堆焊设备不但可用于工厂生产作业，还可用于现场堆焊作业，若应用于管材的在役维修，则小口径管51已在相应的位置固定不动，则本发明的小口径管内壁激光堆焊设备可以不设置夹持机构8，并且，本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的直线驱动机构9还可以由比如核电站蒸汽发生器的传热管、热交换器的传热管的涡流检查装置提供，即可以与其它具有直线驱动机构的设备共用直线驱动机构9。
另外，当本发明用于现场堆焊作业时，所述激光器2应采用高功率光纤激光器或Nd：YAG激光器，则所述光束传导器件4应采用可柔性导光的光纤。当用于工厂生产作业时，除高功率光纤激光器和Nd：YAG激光器外，还可以采用高功率CO2气体激光器，与所述高功率CO2气体激光器配套的，所述光束传导器件4应为多级反射镜构成的硬光路。
如图1所示，本发明的小口径管内壁激光堆焊设备还包括用于控制所述直线驱动机构9和激光发射装置的控制台1。
本发明的所述驱动杆96为高刚度的空心杆体，以便于所述冷却器39的出水口与所述水冷块71的冷流道33之间的第一冷水管31、所述冷却器39的入水口与所述水冷块71的热流道34之间的第一热水管32的排布；若小口径管51长度较长，所述空心杆体的刚度难以保证时，所述驱动杆96还可以由柔性缆线来代替，此时，所述周向反射聚焦装置的侧壁上应安装有至少两组滚动对中组件，以保证所述周向反射聚焦装置能够居中地在小口径管51内壁顺畅运动，使所述锥形弧面反射聚焦镜72在运动过程中与小口径管51保持同轴。
另外，本发明为了使所述光束整形装置6、所述周向反射聚焦装置及时散热，冷却效果好，所述筒形壳体63由导热性好的金属材料制成，所述锥形弧面反射聚焦镜72、水冷块71均由导热性好、对激光反射率高的金属材料制成。
如图1至图4所示，本发明的小口径管内壁激光堆焊设备的使用方法如下：
堆焊前，清理小口径管51(包括母管和衬管10)的母管的内表面，去除其内表面的氧化膜、污渍、油脂等；然后将母管固定于所述夹持机构8(若是对管件进行在役维修，则管件已处于刚性固定状态，不必再用夹持机构8夹紧)。
将衬管10推入小口径管51的母管中，然后用胀管机使衬管10与母管内壁紧密贴合。
将与光束整形装置6固定在一起的对中调整机构61夹紧在小口径管51的母管的一端，使光束整形装置6与小口径管51同轴，同时让保护气体导通管62压紧小口径管51的端面。
调整周向反射聚焦装置，使所述周向反射聚焦装置的锥形弧面反射聚焦镜72与小口径管51、光束整形装置6同轴，即使锥形弧面反射聚焦镜72与光束整形装置6射出的激光束相对，然后通过直线驱动机构9的驱动杆96将所述周向反射聚焦装置由小口径管51的另一端推至小口径管51靠近光束整形装置6的管口处。
开启保护气体的气路，使保护气体由气源比如气瓶56流出，经减压阀55、流量控制阀54、保护气体管路53进入保护气体导通管62；由于保护气体导通管62的一端被光束整形装置6的镜片完全阻断，所以保护气体只能从保护气体导通管62的另一端流入小口径管51的内部，在小口径管51内部的所述周向反射聚焦装置的阻挡下，保护气体从所述周向反射聚焦装置与小口径管51内壁之间的间隙缓缓流出，从而使所述周向反射聚焦装置与所述光束整形装置6之间的小口径管51内部完全被保护气体所覆盖，即堆焊管件内部的堆焊层和熔池区完全被保护气体所覆盖，并能够带走管内堆焊时所产生的高温气体。
开启冷却器39，一路冷却水由冷却器39流出，经第一冷水管31、水冷块的冷流道33，进入所述周向反射聚焦装置的水冷腔35对所述周向反射聚焦装置进行冷却，温度升高的冷却水流入水冷块的热流道34、经第一热水管32回到冷却器39，从而形成所述周向反射聚焦装置的循环冷却；另一路冷却水经第二冷水管37进入筒形壳体63与镜片压紧筒67之间的环形密封舱36，经第二热水管38回到冷却器39，从而实现对光束整形装置6的各镜片边缘的循环冷却。
开启激光器2，激光由光束传导器件4传导至光束整形装置6，首先经折射扩束镜65折射并扩束，形成截面中空的光柱(中空的目的是避免激光束直接照射锥形弧面反射聚焦镜72的尖端而使其熔化，导致堆焊层夹杂，若堆焊所需的激光能量较小或堆焊时间较短，则折射扩束镜65省略，直接输出柱状实心光束)。然后，中空的光束被凸透镜66收束成截面小于反射锥形弧面反射聚焦镜72横截面的光束；再经凹透镜68转换成平行直线传输的空心柱状光束。光束进入小口径管51的内部，并照射到具有积分曲率凹形圆锥面的锥形弧面反射聚焦镜72上，经周向偏转反射聚焦，在小口径管51的内表面聚焦成能量密度极高的圆环形焦斑。焦斑直接照射的环形区域中的衬管10和母管内表面浅层的温度迅速升高，并熔化形成环形熔池。此时，由控制台1控制直线驱动机构9的电机91转动，通过丝杠副93驱动滑台94，驱动滑台94又带动驱动杆96，进而带动所述周向反射聚焦装置作远离所述光束整形装置6的直线运动，能量密度极高的圆环形焦斑也随之在母管和衬管10的管壁处作同向运动。焦斑离开后，熔池冷却凝固，使衬管10和母管的内表面完全凝固结合形成堆焊层，而直线运动中的焦斑所在处的衬管10和母管内表面浅层又形成熔池。随着焦斑的移动，衬管10和母管的内表面不断形成熔池并凝固结合，直至衬管10完全形成堆焊层。
关闭激光器2；待所述周向反射聚焦装置和所述光束整形装置6冷却至室温，关闭冷却器39；待堆焊层冷却至室温，关闭保护气路；则小口径管内壁激光堆焊完成。
综上所述，本发明的小口径管内壁激光堆焊设备能够对内径25mm以下的小口径管进行内壁堆焊作业，便于小口径管的修补，维修质量高，维修成本低，维修工期短；本发明不但能够进行金属材料的管内壁堆焊作业，还可以堆焊电弧堆焊技术无法加工的材料；本发明将激光束聚焦成环形光斑，环形光斑运动轨迹为圆柱面，使管壁堆焊层一次整体成形，无螺纹形焊道搭接边，成形质量好，堆焊效率高、焊接热输入低，变形量小；锥形弧面反射聚焦镜只作与待堆焊管同轴的直线运动，无需内置旋转电机驱动，结构简单，空间干涉小，可靠耐用，堆焊的管长度不受限制，无作业死角，可连续工作。本发明不但可用于现场维修，还可以用于复合管材的工厂生产；不但可用于预置衬管工艺的堆焊，也可用于预置粉末工艺的堆焊；不但可进行管内壁衬管固定焊接，还可进行管内壁表面合金化以及管内壁热处理等工作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种小口径管内壁激光堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)焊前准备，将周向反射聚焦装置置于小口径管(51)内，调整光束整形装置(6)、小口径管(51)和所述周向反射聚焦装置使三者同轴；同轴调整过程为：将与光束整形装置(6)固定在一起的对中调整机构(61)夹紧在小口径管(51)的母管的一端，通过调节对中调整机构(61)使光束整形装置(6)与小口径管(51)同轴；再调整周向反射聚焦装置，使所述周向反射聚焦装置的锥形弧面反射聚焦镜(72)与小口径管(51)、光束整形装置(6)同轴；
2)堆焊时，激光经所述光束整形装置(6)形成平行直线传输的空心柱状光束，且空心柱状光束的外径小于小口径管内径，然后空心柱状光束再射在周向反射聚焦装置的锥形弧面反射聚焦镜(72)上，经锥形弧面反射聚焦镜(72)周向偏转反射聚焦在所述小口径管(51)的内壁上，并且形成圆环形高能量密度的焦斑，焦斑对管内壁进行加热或熔化，形成环形熔池，同时根据需要通过直线驱动机构(9)驱动周向反射聚焦装置作直线运动，使焦斑沿小口径管(51)的管内壁作同向运动，随着焦斑的移动，衬管和母管的内表面不断形成熔池并凝固结合，从而在小口径管(51)的管内壁形成堆焊层。
2.根据权利要求1所述的小口径管内壁激光堆焊方法，其特征在于：在所述步骤2)进行前，还需开启保护气体的气路，向所述小口径管(51)内通入保护气体，并且持续整个堆焊过程。
3.根据权利要求2所述的小口径管内壁激光堆焊方法，其特征在于：所述保护气体由气源流出，经减压阀(55)、流量控制阀(54)、保护气体管路(53)进入保护气体导通管(62)，所述保护气体导通管(62)与所述小口径管(51)的一端相连通，所述保护气体经所述保护气体导通管(62)进入所述小口径管(51)内。
4.根据权利要求1所述的小口径管内壁激光堆焊方法，其特征在于：在所述步骤2)进行前，还需开启冷却器(39)，分别对所述周向反射聚焦装置和所述光束整形装置(6)进行冷却，并且持续整个堆焊过程。
5.根据权利要求1所述的小口径管内壁激光堆焊方法，其特征在于：所述步骤2)中的激光经所述光束整形装置的具体整形过程为：激光首先经折射扩束镜(65)折射并且扩束，形成截面中空的光柱；中空的光柱再被凸透镜(66)收束成截面小于反射锥形弧面反射聚焦镜(72)横截面的光束；再经凹透镜(68)转换成平行直线传输的空心柱状光束。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104162744A (zh) * 2014-08-26 2014-11-26 江苏大学 一种环形激光带除锈装置
EP3332884A4 (en) * 2015-08-06 2018-07-25 Sanoh Industrial Co., Ltd. Wound multi-ply tube, method of manufacturing wound multi-ply tube, and device for manufacturing wound multi-ply tube
CN106466759B (zh) * 2015-08-11 2019-01-22 上海交通大学 利用激光堆焊对孔内壁表面改性的表面改性的方法及装置
CN105297006B (zh) * 2015-11-13 2017-11-07 辽宁思达思克控股有限公司 一种管内激光熔覆强化设备
CN106513994A (zh) * 2015-12-04 2017-03-22 重庆江陆激光科技有限公司 内孔激光堆焊设备
CN106091991A (zh) * 2016-08-04 2016-11-09 辽宁精智测控科技有限公司 导管扩口锥度及型面自动非接触检测设备和检测方法
CN108500491A (zh) * 2017-02-24 2018-09-07 苏州柘电智能科技有限公司 激光-冷金属过渡电弧同轴复合增材制造装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6293094A (ja) * 1985-10-18 1987-04-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 細管用レ−ザ溶着装置
JPH1085964A (ja) * 1996-09-11 1998-04-07 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 配管内面のレーザ照射方法及び装置
CN2397126Y (zh) * 1999-06-02 2000-09-20 中国科学院力学研究所 用于细小狭长管状工件内表面激光强化加工的装置
CN1647885A (zh) * 2004-01-30 2005-08-03 武汉天宇激光数控技术有限责任公司 激光环切打孔方法及其装置
CN102912088A (zh) * 2012-11-14 2013-02-06 江苏大学 中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5196671A (en) * 1990-08-17 1993-03-23 Siemens Aktiengesellschaft Device and process for the laser welding of a tube
US5182429A (en) * 1991-05-23 1993-01-26 Westinghouse Electric Corp. System and method for laser welding the inner surface of a tube
JPH06344142A (ja) * 1993-06-10 1994-12-20 Mitsubishi Nagasaki Mach Co Ltd 管内周面肉盛溶接装置及び溶接トーチ
CN2698806Y (zh) * 2004-04-19 2005-05-11 华中科技大学 一种用于管状工件内壁激光处理的加工装置
CN201053030Y (zh) * 2007-06-13 2008-04-30 华中科技大学 一种激光感应复合熔覆制备材料涂层的装置
JP5358216B2 (ja) * 2009-02-23 2013-12-04 小池酸素工業株式会社 レーザ切断装置
CN101817119B (zh) * 2010-05-20 2012-04-25 什邡市明日宇航工业股份有限公司 铼合金薄板激光焊接方法
CN202180298U (zh) * 2011-07-19 2012-04-04 济南森峰科技有限公司 一种丝杠传动的激光雕刻切割机
CN203178573U (zh) * 2013-04-17 2013-09-04 苏州柯莱得激光科技有限公司 一种激光聚焦装置
CN203610843U (zh) * 2013-11-07 2014-05-28 国核电站运行服务技术有限公司 小口径管内壁激光堆焊设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6293094A (ja) * 1985-10-18 1987-04-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 細管用レ−ザ溶着装置
JPH1085964A (ja) * 1996-09-11 1998-04-07 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 配管内面のレーザ照射方法及び装置
CN2397126Y (zh) * 1999-06-02 2000-09-20 中国科学院力学研究所 用于细小狭长管状工件内表面激光强化加工的装置
CN1647885A (zh) * 2004-01-30 2005-08-03 武汉天宇激光数控技术有限责任公司 激光环切打孔方法及其装置
CN102912088A (zh) * 2012-11-14 2013-02-06 江苏大学 中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置

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Denomination of invention: Laser surfacing method for inner wall of small diameter pipe

Effective date of registration: 20220726

Granted publication date: 20170825

Pledgee: China Construction Bank Corporation Shanghai Xuhui sub branch

Pledgor: STATE NUCLEAR POWER PLANT SERVICE Co.

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