CN106466759A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面改性的方法，用于工件的孔的内壁的表面，包括使用激光束在该表面融覆堆焊材料，还包括：使该孔的开口保持为朝上；使激光束通过该开口照射在该表面上，使激光束在表面上的光斑相对于该孔的移动包括沿孔的轴向的第一移动和环绕该轴向的第二移动，使光斑遍历地扫描该表面。本发明相应地提供了一种表面改性的装置，对安放在其上的工件应用本发明的表面改性的方法，实现在工件的孔的内壁的表面生长堆焊层。相对于现有技术，本发明操作简易、制备方便，且具有更高效的生产效率，尤其能对小孔径的深孔的内壁的表面进行激光堆焊。

Description

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

技术领域

本发明涉及材料的表面改性技术，尤其涉及一种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。

背景技术

堆焊是在金属材料或零件表面熔焊耐磨、耐蚀等特殊性能金属层的一种工艺方法，它不仅能够修复外形尺寸不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件，更可通过合理选用堆焊材料使金属零部件的表面性能进一步提高。

在诸如电弧粉末堆焊、等离子弧堆焊等的各种堆焊技术中，激光堆焊利用高能量密度的激光束作为热源，将堆焊材料粉末熔焊在金属材料或零件表面，其具有优点：1、可准确控制热输入量，激光扫描速度快，工件加热速度、冷却速度快，热畸变小，厚度、成分和稀释率可控性好，可获得组织致密、性能优越的堆焊层；2、节省贵重金属材料，可实现在普通材料上覆盖高性能(耐磨、耐高温、耐蚀等)的堆焊层；3、激光加工为无接触加工，无加工惯性；4、堆焊工艺参数一经确定，堆焊质量易于保证，堆焊可靠性高，易于实现自动化。

但是，对于零件内部的孔、间隙等结构的内壁使用堆焊技术进行表面改性一直是难点。目前主要采用的方法有手工电弧堆焊、熔化极气体保护焊和非熔化极保护焊明弧堆焊以及激光堆焊。从检索的文献和资料来看，采用将焊接热源伸入零件的孔隙内部，在其内壁实施送丝堆焊是主要采用的工艺方法。如中国专利申请：201320819062.6《双水冷超小口径管内壁TIG堆焊焊枪》中公开了一种可循环导水管的双层夹套TIG堆焊焊枪，将枪头伸入待堆焊深孔内部进行堆焊，由于枪头尺寸受限，其能对最小直径为φ38mm的孔的内壁实现堆焊。中国专利申请：201320701175.6《小口径管内壁激光堆焊设备》中公开了将激光束聚焦成环形光斑，环形光斑沿深孔轴线做同轴的直线运动的堆焊方法，其激光运行轨迹为圆柱面。但是该激光焊接方法只能用于预置衬管或合金粉末的内壁堆焊，需要特制的聚焦镜系统才能实施。另外，当需要多层、大厚度堆焊层时，该激光堆焊方法无法实施连续成型，需要多次预置衬管或合金粉末。中国专利申请：201420510894.4《一种小口径管件内壁耐蚀堆焊焊接装置》中公开了一种可抽焊接烟尘的焊接装置，其可在孔内进行旋转焊接，堆焊过程中焊枪需伸入孔内。

因此可见，尽管对孔隙内壁的堆焊有一些技术改进，但由于其技术或工艺本身的原因还存在局限性，如上面提到的将焊枪伸入孔内堆焊时，适用的孔的内径必然受限于焊枪尺寸大小，内径较小的孔的内壁是不能通过这种方式被堆焊的。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种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，使得对较小内径的孔的内壁的激光堆焊也成为可能。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种表面改性的方法，用于工件的孔的内壁的表面，包括使用激光束在所述表面融覆堆焊材料，其特征在于，还包括：

使所述孔的开口保持为朝上；

使所述激光束通过所述开口照射在所述表面上，使所述激光束在所述表面上的光斑相对于所述孔的移动包括沿所述孔的轴向的第一移动和环绕所述轴向的第二移动，使所述光斑遍历地扫描所述表面。

进一步地，使所述第一移动和所述第二移动同时发生。

进一步地，所述光斑的轨迹为螺旋线。

进一步地，所述堆焊材料为粉末状，所述堆焊材料通过第一管道被送到所述表面处以被所述激光束融覆在所述表面上。

进一步地，所述第一管道的出口向下，所述出口相对于所述光斑静止。

进一步地，所述表面与所述第一管道邻接的表面部分和所述表面与所述激光束邻接的表面部分彼此相对，所述表面改性的方法还包括使用布置在所述第一管道和所述激光束之间的隔离部件，所述隔离部件用于阻止来自于所述激光束的热量直接辐射传递至所述第一管道。

进一步地，所述孔为盲孔，所述堆焊材料落在所述孔的底部或落在台阶上，所述台阶由之前落下的所述堆焊材料被融覆在所述表面上形成。

可选地，所述方法还包括使用第一驱动部件和第二驱动部件来驱动发出所述激光束的激光器和所述工件，所述第一驱动部件用于使所述激光器向上移动，所述第二驱动部件用于使所述工件转动。

可选地，所述方法还包括使用第一驱动部件和第二驱动部件来驱动发出所述激光束的激光器和所述工件，所述第一驱动部件用于使所述激光器转动，所述第二驱动部件用于使所述工件向下移动。

进一步地，所述方法还包括使用第二管道向所述孔内释放保护气体。

进一步地，所述方法还包括在所述工件上放置具有通孔的延长套管，所述通孔与所述孔连通；所述第二管道向所述通孔和所述孔内释放所述保护气体。

本发明还提供了一种表面改性的装置，用于对工件的孔的内壁的表面做表面改性，包括激光器，所述激光器发出激光束在所述表面融覆堆焊材料，其特征在于，所述表面改性的装置还包括：

用于接合所述工件并使所述孔的开口保持为朝上的接合部分；

用于驱动所述激光器和/或所述工件的驱动器，所述驱动器使通过所述开口的所述激光束照射在所述表面上的光斑相对于所述孔的移动包括沿所述孔的轴向向上的第一移动和环绕所述轴向的第二移动，并使所述光斑遍历地扫描所述表面。

进一步地，所述驱动器使所述第一移动和所述第二移动同时发生。

进一步地，所述光斑的轨迹为螺旋线。

进一步地，所述装置还包括第一管道；所述堆焊材料为粉末状，所述堆焊材料通过所述第一管道被送到所述表面处以被所述激光束融覆在所述表面上。

进一步地，所述第一管道的出口向下，所述出口相对于所述光斑静止。

进一步地，所述表面与所述第一管道邻接的表面部分和所述表面与所述激光束邻接的表面部分彼此相对，所述表面改性的装置还包括隔离部件，所述隔离部件用于被布置在所述第一管道和所述激光束之间，以阻止来自于所述激光束的热量直接辐射传递至所述第一管道。

进一步地，所述孔为盲孔，所述堆焊材料落在所述孔的底部或落在台阶上，所述台阶由之前落下的所述堆焊材料被融覆在所述表面上形成。

进一步地，所述隔离部件为固定在所述孔的所述底部的板状件或柱状体，所述隔离部件的材料为紫铜或陶瓷。

可选地，所述驱动器包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述激光器固定在所述第一驱动部件上，所述接合部分设置在所述第二驱动部件上，所述第一驱动部件用于使所述激光器向上移动，所述第二驱动部件用于使所述工件转动。

进一步地，所述第二驱动部件是转台，所述接合部分为所述转台上的三爪卡盘。

进一步地，所述第一驱动部件是机械臂。

进一步地，所述机械臂还用于使所述第一管道向上移动。

可选地，所述驱动器包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述激光器固定在所述第一驱动部件上，所述接合部分设置在所述第二驱动部件上，所述第一驱动部件用于使所述激光器发生绕所述轴向的转动，所述第二驱动部件用于使所述工件向下移动。

进一步地，所述装置还包括第二管道，所述第二管道用于向所述孔内释放保护气体。

进一步地，所述保护气体为氮气或氩气。

进一步地，所述装置还包括延长套管，所述延长套管具有通孔，用于被放置在所述工件上以使所述通孔与所述孔连通；所述第二管道用于向所述通孔和所述孔内释放所述保护气体。

进一步地，所述激光束的光轴与所述孔的轴向的夹角为3-15°。

进一步地，所述激光束的束径为0.1mm-10mm。

进一步地，所述孔的直径不小于5mm。

在本发明的较佳实施方式中，提供了本发明的表面改性的装置的几种结构，包括激光器、转台、电机、三爪卡盘、机械臂、第一管道、第二管道和隔离部件，还可以包括延长套管以及延长套管配件；并提供了应用上述的表面改性的装置，对工件的孔的内壁表面使用本发明的表面改性的方法进行表面改性的具体操作。本发明通过使用激光束将粉末状的堆焊材料逐点融覆在工件的孔的内壁的表面上，形成堆焊层，适合对工件的孔的内壁的表面进行表面改性，并且尤其适用于小孔径的深孔的内壁的表面。相对于现有技术，本发明操作简易、制备方便，且具有更高效的生产效率，能对更加细小直径的深孔的内壁进行激光堆焊。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1显示了在第一个实施例中，工件与本发明的表面改性的装置的整体结构。

图2显示了在第一个实施例中，工件与本发明的表面改性的装置中的第一管道、第二管道、隔离装置和激光器发出的激光束的位置关系。

图3是图2显示的各个部分的位置关系的上视图。

图4是工件的一种结构的纵向剖面图。

图5显示了图4的工件通过本发明的表面改性的方法形成的台阶。

图6是工件的另一种结构的纵向剖面图。

图7显示了应用了另一种隔离部件的工件的上视图。

图8显示了应用了又一种隔离部件的工件的上视图。

图9显示了在第二个实施例中，工件与本发明的表面改性的装置中的第一管道、第二管道、隔离装置、延长套管和激光器发出的激光束的位置关系。

图10显示了在第三个实施例中，工件与本发明的表面改性的装置中的第一管道、第二管道、隔离装置、延长套管和激光器发出的激光束的位置关系，其中的延长套管为组合式套管。

图11显示了在第三个实施例中，工件与本发明的表面改性的装置的整体结构。

具体实施方式

本发明的表面改性的方法是通过激光堆焊工艺对工件的孔的内壁做表面改性，即用激光束将堆焊材料融覆在内壁的表面上，形成组织致密、性能优越的堆焊层。其具体地通过使用本发明的表面改性的装置实现。

如图1-3所示，在本发明的第一个较佳的实施例中，本发明的表面改性的装置包括激光器20、隔离部件30、第一管道50、第二管道40、转台70和机械臂80，其中激光器20固定在机械臂80上，用于发出激光束21；转台70上设置有三爪卡盘71，三爪卡盘71用于接合工件10；第一管道50和第二管道40的出口皆指向工件10的孔内，分别用于向孔内充入保护气体和堆焊材料51；转台70放置在支架92之上，由电机90带动旋转；支架92上还布置有电机调节器91，电机调节器91与电机90相连以调节电机90。具体地，堆焊材料51为金属粉末；电机调节器91是电极速度调节器，用于调节电机90的转速。

如图4的工件10的纵向剖面图所示，工件10的中心具有一个盲孔，盲孔具有内壁10a和底面10b，本示例中侧壁10a为圆柱面。利用图1所示的本发明的表面改性的装置对工件10的内壁10a做表面改性时，先将工件10固定安放在本发明的表面改性的装置上，具体地为安放在三爪卡盘71上并被三爪卡盘71固定，由此转台70能带动工件10旋转。在安放工件10时，使工件10的孔的开口方向保持为向上，即图中的Z轴方向。

然后控制机械臂80调整激光器20的朝向，以使得其出射的激光束21倾斜地照射在工件10的孔的内壁10a上，其中激光束21的光轴与Z轴的夹角θ为3-15°，优选地为8°±1°；并调节激光器20的初始位置，以使得激光束21在内壁10a的表面上的光斑的初始位置为在内壁10a邻接于底面10b的圆周上的任何一点处。这样，保持激光器20的朝向不变，机械臂80能带动激光器20沿Z轴运动，由此激光束21在内壁10a的表面上的光斑能发生沿Z轴方向的运动。

继而调节第一管道50和第二管道40，其中将第一管道50也固定在机械臂80上，机械臂80带动激光器20沿Z轴运动的同时也带动第一管道50沿Z轴运动，这样激光器20和第一管道50的运动是同步的。另外，将第一管道50的出口设置为朝向下，并调节第一管道50的出口的初始位置，将其布置在内壁10a邻接于底面10b的圆周上的某一点处，且较佳地该初始位置与激光束21在内壁10a的表面上的光斑的初始位置为在该圆周上的两个彼此相对的点(该圆周上共直径的两个点)处。将堆焊材料51从第一管道50的入口输入，从出口输出到工件10的孔中，本示例中采用的堆焊材料50为金属粉末，例如合金粉末，该粉末离开第一管道50后落在工件10的孔中，在初始时刻，该粉末落在底面10b上。

将第二管道40从保护气体的气源延伸至工件10的孔中，使其出口朝向工件10的孔内部，较佳地，第二管道40的出口被设置在工件10的孔中距离该孔的边缘10mm左右的位置处。保护气体可以防止激光融覆在内壁10a上的堆焊层11氧化，例如保护气体为氮气，保护气体的气源为氮气瓶，氮气经由第二管道40从氮气瓶进入工件10的孔中。另外，在本发明的其他实施例中，还可以使用氩气作为保护气体。

另外，由于激光束21内壁10a的表面熔覆堆焊材料51时会产生很高的热量，而第一管道50，尤其其出口距离激光束21的光斑很近，两者距离约为孔的内径的大小，这样上述热量很容易传送到第一管道50处，并造成第一管道50过热。过热的第一管道50会造成其中的金属粉末粘结，由此导致第一管道50发生送粉不畅、堵粉的现象。为了防止上述这些高热量对第一管道50及其中的堆焊材料51的不利影响，还需要在第一管道50和激光束21之间布置隔离部件30，以阻止来自于激光束21的热量直接辐射传递至第一管道50。本示例中的隔离部件30为固定在孔的底面10b上的圆柱体，较佳地，其由耐高温材料制作，如紫铜、陶瓷；其外壁到孔的内壁10a之间的距离为3-4mm；其长度为在Z轴方向上超出工件10的上表面约20mm，即其长度比工件10的孔的深度大20mm左右。

完成上述布置后，打开保护气体的气源，将保护气体充入工件10的孔中；调节电机调节器91设定电机90的转速，启动电机90，由此电机90通过三爪卡盘71带动工件10转动；向第一管道50的送入作为堆焊材料51的金属粉末，粉末通过第一管道50的出口落在孔的底面10b上，并随着工件10的转动，粉末在底面10b的边缘作环状堆积；打开激光器20，激光器20出射激光束21至堆积在底面10b的边缘的堆焊材料51上，将照射到的堆焊材料51熔融，并随着工件10的转动，激光束21将堆积在底面10b的边缘的堆焊材料51依次熔融，形成堆焊层11；控制机械臂80，使其带动激光器20和第一管道50一起沿Z轴移动。由此，激光束21在孔的内壁10a上的轨迹呈螺旋线状；并且通过控制激光束21在内壁10a上的光斑大小、工件10的转速和激光器20的移动速度，能够使激光束21在内壁10a表面上的光斑遍历地扫描整个内壁10a的表面。

图5示出了激光束21将堆积在底面10b的边缘的堆焊材料51依次熔融，形成的堆焊层11的纵向截面图。可以认为堆焊层11是从孔的内壁10a向孔的中轴线的方向凸出的台阶。随着机械臂80带动激光器20和第一管道50一起沿Z轴移动，从第一管道50中出来的堆焊材料51将落在之前形成的堆焊层11的台阶上，并在那里被激光束21熔融，即堆焊层11是一个从孔的底面10b的边缘处逐渐向上生长的结构，最终覆盖整个内壁10a。

可以理解，这里给出的通过工件10的转动以及激光器20和第一管道50的移动并不是唯一实现激光束21在内壁10a的表面遍历扫描的方式，例如，还可以控制工件10向下移动以及激光器20和第一管道50绕Z轴转动；或者控制工件10同时发生向下移动和绕Z轴转动而激光器20和第一管道50保持不动；或者使工件10保持不动而控制激光器20和第一管道50同时发生向上移动和绕Z轴转动；另外，激光束21的光斑轨迹也不需要为螺旋线，即上述这些移动和转动不同时发生也可以，例如转动一周后再移动再转动一周…这样的运动设置也是可以的。总之，只要激光束21在内壁10a的表面的光斑相对于孔发生的运动包括沿Z轴方向的移动和绕Z轴的转动就能实现该光斑在内壁10a的表面的遍历扫描。为了实现上述的工件10的移动以及激光器20和第一管道50的转动，可以改变本示例中的表面改性的装置，例如将接合工件10的三爪卡盘71设置在升降台上来带动工件10向下移动，设计机械臂80的动作，使其能带动激光器20和第一管道50转动。

本示例中的工件10的孔可以很窄小，例如直径小至10mm，甚至直径小至5mm的小孔都可以用本发明的表面改性的装置和方法对该孔的内壁的表面激光融覆堆焊层。本示例中的激光器20为半导体激光器，其出射光的光斑为矩形，光斑尺寸为6mm×2.5mm；在其他实施例中还可以采用光纤、CO2、YAG激光器等其他激光器，并使用积分镜处理其出射光，使其出射光的光斑为矩形。

由于激光束优良的准直性，以本发明的表面改性的方法加工的孔可以很深，对于深度较大的孔，激光束需要离焦才能达到孔的底部位置，离焦的激光束的光斑尺寸变大。本发明中使用的激光束的束径为0.1mm-10mm，其中束径为0.7mm的激光束，可以加工深达300mm的孔；束径为2mm的激光束，可以加工深达1m的孔；束径为0.1mm的激光束，可以加工深达250mm的孔。

另外，虽然以上讨论的是具有内壁10a为圆柱面的孔的工件10，但其也适用于如图6示出的内壁为圆台侧面的孔的工件110。事实上，从前述的各种工件和激光器可发生的移动、转动的形式来看，适合用本发明的表面改性的方法对其中的孔的内壁的表面激光熔覆堆焊层的工件，并不限制为其中的孔应当具有圆柱面或圆台侧面的内壁，其也可以是方柱面、椭圆柱面，只要能够通过控制激光束的光斑使其相对于孔的发生沿Z轴方向的移动和绕Z轴的转动以遍历地扫描该内壁的表面即可。因此可以知道，只要工件具有盲孔(将该盲孔的轴向定义为Z轴)，且孔在Z轴方向上延伸时，其内壁不出现阻挡激光束的凸出部分即可。

对于工件10的外壁形状并没有限制，虽然本说明书中将其图示为圆柱面。

隔离部件还可以是方形柱，如图7所示的隔离部件301；还可以是多个共中心轴的板，如图8所示的隔离部件302。图7、8所示的隔离部件301、302可以和隔离部件30一样，底部固定在工件10的孔的底面10b上。图7、8所示的隔离部件301、302也可以与第一管道50一起被固定在机械臂80上，对于这种固定方式，隔离部件还可以采用板状结构，例如将该板布置为，板的延伸平面垂直或接近垂直于第一管道50的开口和激光束21照射在内壁10a的表面的光斑的连线。

如前所述地，保护气体用于充入工件10的孔内，使得被激光束21熔融的堆焊材料51不接触或少接触空气中的氧气，从而避免被氧化。但是当堆焊层11生长到接近工件10的孔的开口处时，保护气体的量是不充足的，并不能有效地阻止该处的堆焊层11的氧化。为了解决这个问题，在本发明的第二个较佳的实施例中，本发明的表面改性的装置还包括延长套管60，如图9所示。延长套管60是一个中间具有通孔的结构，其下表面放置在工件10的上表面上，其中的通孔与工件10的孔连通。并且，为了不影响激光束21的入射，在垂直于Z轴的截面上，延长套管60的通孔应当包络工件10的孔，至少两孔是重合的。

将第二管道40布置为，使第二管道40的出口朝向延长套管60的孔内部，较佳地，第二管道40的出口被设置在延长套管60的通孔中距离该孔的上边缘10mm左右的位置处。由此，第二管道40将保护气体充入延长套管60和工件10的孔内。

可以根据需要选择延长套管60的长度(其在Z轴方向上的长度)，例如对于需要加工的孔是工件10中的小口径的孔，延长套管60可以短一些；而对于工件10中的大口径的孔，延长套管60应该长一些。通常延长套管的长度为10-50mm。另外，延长套管60的外壁形状并不受限制。较佳地，延长套管60与工件10相互接触的两个表面能彼此贴合，以避免或尽量减少保护气体从这两个表面之间逸出。

较佳地，延长套管60由耐热材料制成，例如紫铜、不锈钢、陶瓷等。

另外较佳地，延长套管60的通孔在其下表面处的开口的边缘具有倒角，类似于图10所示的延长套管配件61上的倒角611。这样的倒角使得延长套管60的通孔边缘不与工件10的孔的边缘重合，由此工件10的孔的边缘是不接触延长套管60的。这样，当激光融覆的堆焊层11生长到工件10的孔的边缘时，不致于生长到延长套管60上，从而避免生长到延长套管60的堆焊层11将延长套管60和工件11连接在一起的情况。

在本发明的第三个较佳的实施例中，本发明的表面改性的装置中也具有延长套管60，与前一个实施例所不同的是还包括延长套管配件61、62。如图10所示，延长套管配件62为环状结构，其套设在工件10上，其下边沿环绕工件10以限制其在垂直于Z轴的平面上的移动。延长套管配件61也是一个环状结构，其被套设在延长套管配件62之中；延长套管60被部分地套在延长套管配件62中，且在延长套管配件61之上。

延长套管配件61的中心孔的直径不小于工件10的孔的直径；延长套管60的通孔的直径不小于工件10的孔的直径。较佳地，延长套管配件61与工件10相互接触的两个表面能彼此贴合，延长套管60与延长套管配件61相互接触的两个表面也能彼此贴合，以避免或尽量减少保护气体从这两对表面之间逸出。

较佳地，延长套管配件61、62由耐热材料制成，例如紫铜、不锈钢、陶瓷等。

另外较佳地，延长套管配件61的中心孔在其下表面处的开口的边缘具有倒角，由此工件10的孔的边缘是不接触延长套管配件61的。这样，当激光融覆的堆焊层11生长到工件10的孔的边缘时，不致于生长到延长套管配件61上，从而避免生长到延长套管配件61的堆焊层11将延长套管配件61和工件11连接在一起的情况。

虽然本示例中描述的是环状结构的延长套管配件61、62，但可以理解的是延长套管配件61、62的外壁形状并不限制为圆柱面，事实上外壁形状为方柱面、圆台侧面或不规则形状的延长套管配件61、62都是可以的，只要延长套管配件61能适配地套设在延长套管配件62中，延长套管60能适配地部分套设在延长套管配件62中，延长套管配件62能套设在工件10上。即只要延长套管60和延长套管配件61、62能组合成一体且稳定地安装在工件10上，并且延长套管60的通孔、延长套管配件61的中心孔能与工件10的孔连通且不阻挡激光束21的光路即可。

使用本示例中的延长套管配件61、62的好处在于，通过使用或不使用延长套管配件61或使用高度(沿Z轴的长度)不同的延长套管配件61，很容易改变延长套管60的顶部到工件10的孔的底部的距离，即改变充入保护气体的孔的体积。这样，相比于前一个实施例通过选择不同长度的延长套管60来适合于需要加工的不同口径的孔的方式，本实施例更为灵活方便，并且能与多个不同长度的延长套管60配合使用，提供更多的高度(延长套管60的高度和延长套管配件61的高度之和)选择。

在本实施例中，本发明的表面改性的装置的整体结构如图11所示，其应用方法或者说本发明的表面改性的方法与第一个实施例中描述的是类似的。以下通过两个实际的应用示例进行说明。

应用示例一

工件10中的盲孔的直径为35mm，深度为420mm，对该盲孔的内壁进行表面改性的步骤包括：

在工件10的盲孔的底面10b上开设沉孔，用于固定隔离部件30；

将工件10装夹在三爪卡盘71上，然后在沉孔上安装隔离部件30，该隔离部件30为紫铜材质的圆柱体，直径为15mm；

调节激光器20的朝向，使激光束21能通过工件10的盲孔的开口倾斜地照射在盲孔的内壁10a的表面，倾斜角θ为8°；并调节激光器20的初始位置，以使得激光束21在内壁10a的表面上的光斑的初始位置为在底面10b的边缘处；其中，激光器20出射的激光束21的束径确定为2mm；

在工件10上依次放置延长套管配件62、延长套管配件61和延长套管60，然后将第二管道40的出口布置在延长套管60的通孔中，具体地在延长套管60的通孔在其上表面的开口之下10mm处，延长套管60的上表面到工件10的盲孔的上表面的距离为470mm；将第一管道50的出口的初始位置布置在底面10b的边缘处且与激光束21的光斑的初始位置相对；

设定机械臂80向上移动的速度为0.2mm/s移动，设定转台70的转速为10rpm；

启动转台70，开启激光器20，启动机械臂70；连续激光熔覆，时间为35min。

应用示例二

工件10中的盲孔的直径为20mm，深度为180mm，对该盲孔的内壁进行表面改性的步骤包括：

在工件10的盲孔的底面10b上开设沉孔，用于固定隔离部件30；

将工件10装夹在三爪卡盘71上，然后在沉孔上安装隔离部件30，该隔离部件30为氧化铝陶瓷材质的圆柱体，直径为7mm；

调节激光器20的朝向，使激光束21能通过工件10的盲孔的开口倾斜地照射在盲孔的内壁10a的表面，倾斜角θ为3°；并调节激光器20的初始位置，以使得激光束21在内壁10a的表面上的光斑的初始位置为在底面10b的边缘处；其中，激光器20出射的激光束21的束径确定为0.1mm；

在工件10上依次放置延长套管配件62、延长套管配件61和延长套管60，然后将第二管道40的出口布置在延长套管60的通孔中，具体地在延长套管60的通孔在其上表面的开口之下10mm处，延长套管60的上表面到工件10的盲孔的上表面的距离为200mm；将第一管道50的出口的初始位置布置在底面10b的边缘处且与激光束21的光斑的初始位置相对；

设定机械臂80向上移动的速度为0.2mm/s移动，设定转台70的转速为13rpm；

启动转台70，开启激光器20，启动机械臂70；连续激光熔覆，时间为15min。

虽然以上各示例皆是对工件10的盲孔的内壁的表面进行激光堆焊，但本领域技术人员可以理解，本发明的表面改性的装置和方法很容易应用到非盲孔的情况，例如通过给具有通孔的工件安装一个临时底部，就能够对该通孔应用本发明的表面改性的装置和方法了。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (30)

1.一种表面改性的方法，用于工件的孔的内壁的表面，包括使用激光束在所述表面融覆堆焊材料，其特征在于，还包括：

使所述孔的开口保持为朝上；

使所述激光束通过所述开口照射在所述表面上，使所述激光束在所述表面上的光斑相对于所述孔的移动包括沿所述孔的轴向的第一移动和环绕所述轴向的第二移动，使所述光斑遍历地扫描所述表面。

2.如权利要求1所述的表面改性的方法，其中使所述第一移动和所述第二移动同时发生。

3.如权利要求2所述的表面改性的方法，其中所述光斑的轨迹为螺旋线。

4.如权利要求1或2所述的表面改性的方法，其中所述堆焊材料为粉末状，所述堆焊材料通过第一管道被送到所述表面处以被所述激光束融覆在所述表面上。

5.如权利要求4所述的表面改性的方法，其中所述第一管道的出口向下，所述出口相对于所述光斑静止。

6.如权利要求5所述的表面改性的方法，其中所述表面与所述第一管道邻接的表面部分和所述表面与所述激光束邻接的表面部分彼此相对，所述表面改性的方法还包括使用布置在所述第一管道和所述激光束之间的隔离部件，所述隔离部件用于阻止来自于所述激光束的热量直接辐射传递至所述第一管道。

7.如权利要求5或6所述的表面改性的方法，其中所述孔为盲孔，所述堆焊材料落在所述孔的底部或落在台阶上，所述台阶由之前落下的所述堆焊材料被融覆在所述表面上形成。

8.如权利要求1或2所述的表面改性的方法，其中还包括使用第一驱动部件和第二驱动部件来驱动发出所述激光束的激光器和所述工件，所述第一驱动部件用于使所述激光器向上移动，所述第二驱动部件用于使所述工件转动。

9.如权利要求1或2所述的表面改性的方法，其中还包括使用第一驱动部件和第二驱动部件来驱动发出所述激光束的激光器和所述工件，所述第一驱动部件用于使所述激光器转动，所述第二驱动部件用于使所述工件向下移动。

10.如权利要求1或2所述的表面改性的方法，其中还包括使用第二管道向所述孔内释放保护气体。

11.如权利要求11所述的表面改性的方法，其中还包括在所述工件上放置具有通孔的延长套管，所述通孔与所述孔连通；所述第二管道向所述通孔和所述孔内释放所述保护气体。

12.一种表面改性的装置，用于对工件的孔的内壁的表面做表面改性，包括激光器，所述激光器发出激光束在所述表面融覆堆焊材料，其特征在于，所述表面改性的装置还包括：

用于接合所述工件并使所述孔的开口保持为朝上的接合部分；

用于驱动所述激光器和/或所述工件的驱动器，所述驱动器使通过所述开口的所述激光束照射在所述表面上的光斑相对于所述孔的移动包括沿所述孔的轴向的第一移动和环绕所述轴向的第二移动，并使所述光斑遍历地扫描所述表面。

13.如权利要求12所述的表面改性的装置，其中所述驱动器使所述第一移动和所述第二移动同时发生。

14.如权利要求13所述的表面改性的装置，其中所述光斑的轨迹为螺旋线。

15.如权利要求12或13所述的表面改性的装置，其中还包括第一管道；所述堆焊材料为粉末状，所述堆焊材料通过所述第一管道被送到所述表面处以被所述激光束融覆在所述表面上。

16.如权利要求15所述的表面改性的装置，其中所述第一管道的出口向下，所述出口相对于所述光斑静止。

17.如权利要求16所述的表面改性的装置，其中所述表面与所述第一管道邻接的表面部分和所述表面与所述激光束邻接的表面部分彼此相对，所述表面改性的装置还包括隔离部件，所述隔离部件用于被布置在所述第一管道和所述激光束之间，以阻止来自于所述激光束的热量直接辐射传递至所述第一管道。

18.如权利要求16或17所述的表面改性的装置，其中所述孔为盲孔，所述堆焊材料落在所述孔的底部或落在台阶上，所述台阶由之前落下的所述堆焊材料被融覆在所述表面上形成。

19.如权利要求18所述的表面改性的装置，其中所述隔离部件为固定在所述孔的所述底部的板状件或柱状体，所述隔离部件的材料为紫铜或陶瓷。

20.如权利要求12或13所述的表面改性的装置，其中所述驱动器包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述激光器固定在所述第一驱动部件上，所述接合部分设置在所述第二驱动部件上，所述第一驱动部件用于使所述激光器向上移动，所述第二驱动部件用于使所述工件转动。

21.如权利要求20所述的表面改性的装置，其中所述第二驱动部件是转台，所述接合部分为所述转台上的三爪卡盘。

22.如权利要求20所述的表面改性的装置，其中所述第一驱动部件是机械臂。

23.如权利要求20所述的表面改性的装置，其中所述机械臂还用于使所述第一管道向上移动。

24.如权利要求12或13所述的表面改性的装置，其中所述驱动器包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述激光器固定在所述第一驱动部件上，所述接合部分设置在所述第二驱动部件上，所述第一驱动部件用于使所述激光器发生转动，所述第二驱动部件用于使所述工件向下移动。

25.如权利要求12或13所述的表面改性的装置，其中还包括第二管道，所述第二管道用于向所述孔内释放保护气体。

26.如权利要求25所述的表面改性的装置，其中所述保护气体为氮气或氩气。

27.如权利要求25所述的表面改性的装置，其中还包括延长套管，所述延长套管具有通孔，用于被放置在所述工件上以使所述通孔与所述孔连通；所述第二管道用于向所述通孔和所述孔内释放所述保护气体。

28.如权利要求12所述的表面改性的装置，其中所述激光束的光轴与所述孔的轴向的夹角为3-15°。

29.如权利要求12或28所述的表面改性的装置，其中所述激光束的束径为0.1mm-10mm。

30.如权利要求12或28所述的表面改性的装置，其中所述孔的直径不小于5mm。