CN107009151A - 激光熔覆滚压复合加工工艺和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种激光熔覆滚压复合加工工艺和装置，该工艺为：激光熔覆头传导的激光束辐照于熔覆件的表面，熔覆件自转，激光熔覆头沿熔覆件轴向移动，在熔覆件表面形成熔覆层，同时外圆滚压刀在外力作用下沿熔覆件的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层，该装置包括：激光熔覆头，激光熔覆头用于传导激光束；机器人，机器人包括滑动系统及设置在滑动系统上的机械手；外圆滚压刀，用于对熔覆层施加径向压力；外圆滚压刀固定在卧式车床的刀架上，本发明在激光熔覆加工过程中，利用径向引入的一定压力来改善激光熔覆层的组织和性能，具有操作方便、生产效率高和绿色环保等特点。

Description

激光熔覆滚压复合加工工艺和装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种激光熔覆滚压复合加工工艺和装置。

背景技术

激光熔覆技术具有热影响区小、稀释率低、冷却快及熔覆材料与基体形成冶金结合等特点，因而在航空航天、汽车、模具、医疗和化工等行业具有重要的应用价值。但熔覆层一方面由于冷却不均匀出现残余拉应力；另一方面，由于熔池的高温导致熔覆层晶粒粗大；此外，熔覆层还会出现气孔和裂纹等缺陷。目前，这些不足之处限制了激光熔覆技术的大力推广和应用。

滚压加工作为一种表面光整和表面强化技术，它利用高硬度且表面光滑的物体在零件表面滚动或滑动，对零件表层材料局部加压，超出材料屈服点后将发生塑性变形，从而修整零件表面的微观几何形状，降低表面粗糙度，同时使零件表层组织细化并产生残余压应力和冷作硬化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中激光熔覆层存在残余拉应力、晶粒粗大和裂纹等问题，现提供一种激光熔覆滚压复合加工工艺和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光熔覆滚压复合加工工艺，该工艺为：激光熔覆头传导的激光束辐照于熔覆件的表面，熔覆件自转，激光熔覆头沿熔覆件轴向移动，在熔覆件表面形成熔覆层，同时外圆滚压刀在外力作用下沿熔覆件的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层。

该工艺具体包括以下步骤：

a、熔覆件依次经打磨、清洗和烘干；

b、然后采用卧式车床的三爪卡盘和顶尖将烘干后的熔覆件装夹；

c、激光熔覆头在机器人的机械手带动下沿熔覆件的轴向移动，卧式车床驱动熔覆件绕其轴线转动，送粉系统将烘干处理后的熔覆粉直接送进熔覆件表面的激光作用区，经激光熔覆头传导的激光束辐照使熔覆粉和熔覆件表层熔化，冷却后形成熔覆层，同时外圆滚压刀在外力作用下沿熔覆件的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层。

步骤c中，采用将外圆滚压刀转动设置在卧式车床的刀架上，并通过卧式车床上的丝杆机构驱动刀架朝向熔覆件方向进给，实现外圆滚压刀沿熔覆件的径向施加一定压力给熔覆层。

本发明还提供用于实现激光熔覆滚压复合加工工艺的装置，用于对熔覆件进行熔覆形成熔覆层并对该熔覆层进行滚压的工序，该装置包括：

激光熔覆头，所述激光熔覆头用于传导激光束；

机器人，所述机器人包括滑动系统及设置在滑动系统上的机械手，所述滑动系统用于带动机械手沿直线方向移动，激光熔覆头夹持在机械手上；

外圆滚压刀，用于对熔覆层施加径向压力；

以及卧式车床，所述外圆滚压刀固定在卧式车床的刀架上，卧式车床的三爪卡盘夹持在熔覆件的一端，卧式车床的顶尖抵在熔覆件的另一端端部，激光熔覆头位于熔覆件的上方，机械手在滑动系统上的滑动方向与熔覆件的轴线平行。

本方案中通过卧式车床的三爪卡盘和顶尖将熔覆件夹持，并带动熔覆件转动，调整刀架进给使得刀架上的外圆滚压刀抵在熔覆件的周面，激光熔覆头在滑动系统的带动下沿熔覆件的轴线移动，并在熔覆件表面形成熔覆层，熔覆件在熔覆的同时，外圆滚压刀沿熔覆件径向施加一定压力给熔覆层，以此改善激光熔覆层的组织和性能。

进一步地，所述滑动系统包括基座、第一轴承座、第二轴承座、丝杆及电机，所述电机、第一轴承座及第二轴承座均固定在基座上，所述电机的伸出端传动连接有丝杆，所述丝杆的两端分别穿过第一轴承座和第二轴承座，所述丝杆的两端分别与第一轴承座及第二轴承座之间设置有轴承，所述丝杆上螺纹传动连接有螺母座，所述螺母座上固定有滑板，所述滑板与基座滑动连接，所述机械手固定在滑板上，通过电机驱动丝杆转动，螺母座在丝杆的传动作用下沿直线方向移动，机械手跟随螺母座移动，从而实现激光熔覆头在机械手的带动下沿熔覆件的轴向移动。

进一步地，所述基座上设置有轨道，所述滑板上开设有与轨道相匹配的滑槽，所述轨道滑动设置在滑槽内，通过滑板与轨道的滑动连接，从而将螺母座限制在沿丝杆的轴线方向移动。

具体地，所述电机的输出端与丝杆之间通过联轴器传动连接，电机通过联轴器将扭矩传递给丝杆，带动丝杆转动。

进一步地，所述机械手包括机械手本体、机械臂及夹持机构，所述机械手本体固定在滑板上，所述机械臂的一端连接在机械手本体上，另一端固定所述夹持机构，激光熔覆头夹持在夹持机构上。

具体地，所述外圆滚压刀具有刀柄和圆盘形滚轮，滚轮转动设置在刀柄上，所述刀柄固定在所述卧式车床的刀架上，所述滚轮的轴线与熔覆件的轴线平行。

优选地，所述激光熔覆头的激光束辐照方向与熔覆件的轴线垂直。

本发明的有益效果是：本发明在激光熔覆加工过程中，利用径向引入的一定压力来改善激光熔覆层的组织和性能，具有操作方便、生产效率高和绿色环保等特点，本发明的具体优点细化如下：

1)、能诱导产生残余压应力层，残余压应力能够对细小裂纹扩展起到闭合作用，降低裂纹的扩展速率，从而有效地延长熔覆件疲劳寿命；

2)、细化表层晶粒，晶粒细化可以增加单位体积内的晶粒数目和晶界百分数，进而增加微裂纹扩展阻力，延长熔覆件疲劳寿命；

3)、本发明具有操作方便、生产效率高和绿色环保的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明激光熔覆滚压复合加工装置的主视示意图；

图2是本发明激光熔覆滚压复合加工装置的俯视示意图；

图3是本发明激光熔覆滚压复合加工装置中滑动系统的示意图；

图4是本发明中施加一定径向压力时熔覆层的微观组织；

图5是本发明中未施加一定径向压力时熔覆层的微观组织。

图中：1、激光熔覆头；

2、滑动系统，2-1、基座，2-2、第一轴承座，2-3、第二轴承座，2-4、丝杠，2-5、电机，2-6、轴承，2-7、螺母座，2-8、滑板，2-9、轨道，2-10、联轴器，2-11、支座，2-12、螺柱，2-13、调节螺母，2-14、安装座，2-15、止推环，2-16、端盖；

3、机械手，3-1、机械手本体，3-2、机械臂；

4、外圆滚压刀，4-1、刀柄，4-2、滚轮；

5、卧式车床，5-1、刀架，5-2、三爪卡盘，5-3、顶尖；

6、熔覆件。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1-3所示，一种激光熔覆滚压复合加工装置，用于对熔覆件6进行熔覆形成熔覆层并对该熔覆层进行滚压的工序，该装置包括：

激光熔覆头1，激光熔覆头1用于传导激光束；

机器人，机器人包括滑动系统2及设置在滑动系统2上的机械手3，滑动系统2用于带动机械手3沿直线方向移动，激光熔覆头1夹持在机械手3上；

外圆滚压刀4，用于对熔覆层施加径向压力；

以及卧式车床5，外圆滚压刀4固定在卧式车床5的刀架5-1上，卧式车床5的三爪卡盘5-2夹持在熔覆件6的一端，卧式车床5的顶尖5-3抵在熔覆件6的另一端端部，激光熔覆头1位于熔覆件6的上方，机械手3在滑动系统2上的滑动方向与熔覆件6的轴线平行。

滑动系统2包括基座2-1、第一轴承座2-2、第二轴承座2-3、丝杆2-4及电机2-5，电机2-5、第一轴承座2-2及第二轴承座2-3均固定在基座2-1上，电机2-5的伸出端传动连接有丝杆2-4，丝杆2-4的两端分别穿过第一轴承座2-2和第二轴承座2-3，丝杆2-4的两端分别与第一轴承座2-2及第二轴承座2-3之间设置有轴承2-6，丝杆2-4上螺纹传动连接有螺母座2-7，螺母座2-7上固定有滑板2-8，滑板2-8与基座2-1滑动连接，机械手3固定在滑板2-8上，通过电机2-5驱动丝杆2-4转动，螺母座2-7在丝杆2-4的传动作用下沿直线方向移动，机械手3跟随螺母座2-7移动，从而实现激光熔覆头1在机械手3的带动下沿熔覆件6的轴向移动。

基座2-1下方固定有支座2-11，支座2-11上具有螺柱2-12，螺柱2-12穿过基座2-1，螺柱2-12上位于基座2-1的上下两侧均螺纹连接有调节螺母2-13，基座2-1上方的调节螺母2-13与基座2-1之间设有平垫片，通过调整调节螺母2-13的位置，可调节基座2-1的高度，从而确保基座2-1位于同一水平面上。

滑动系统2中的电机2-5采用伺服电机，伺服电机通过安装座2-14固定在基座2-1上，电机2-5通过连接螺栓固定在安装座2-14上，安装座2-14通过连接螺栓固定在基座2-1上。

滑板2-8通过内六角螺栓与螺母座2-7固定连接。

基座2-1上设置有轨道2-9，滑板2-8上开设有与轨道2-9相匹配的滑槽，轨道2-9滑动设置在滑槽内，通过滑板2-8与轨道2-9的滑动连接，从而将螺母座2-7限制在沿丝杆2-4的轴线方向移动。

电机2-5的输出端与丝杆2-4之间通过联轴器2-10传动连接，电机2-5通过联轴器2-10将扭矩传递给丝杆2-4，带动丝杆2-4转动。

机械手3包括机械手本体3-1、机械臂3-2及夹持机构，机械手本体3-1固定在滑板2-8上，机械臂3-2的一端可动连接在机械手本体3-1上，另一端固定夹持机构，激光熔覆头1夹持在夹持机构上，夹持机构可采用双杆气缸，通过双杆气缸的两个伸出端将激光熔覆头1夹持；也可采用在机械臂3-2上开孔，激光熔覆头1穿在孔内，并通过螺钉将激光熔覆头1锁紧在孔内。

机械手本体3-1通过内六角螺栓固定在滑板2-8上。

外圆滚压刀4具有刀柄4-1和圆盘形滚轮4-2，滚轮4-2转动设置在刀柄4-1上，刀柄4-1固定在卧式车床5的刀架5-1上，滚轮4-2的轴线与熔覆件6的轴线平行。

激光熔覆头1的激光束辐照方向沿竖直方向与熔覆件6的轴线垂直，激光熔覆头1的中心线沿竖直方向垂直于熔覆件6的轴线。

丝杆2-4前端与第二轴承座2-3之间的轴承2-6为单列深沟球轴承2-6，丝杆2-4前端与单列深沟球轴承2-6内圈相连，丝杆2-4轴向采用止推环2-15定位，深沟球轴承2-6外圈与第二轴承座2-3相连，第二轴承座2-3通过连接螺栓固定在基座2-1上，深沟球轴承2-6与第二轴承座2-3构成支撑端，可补偿丝杆2-4因温度升高引起的轴向伸缩；丝杆2-4后端与第一轴承座2-2之间的轴承2-6为双列角接触球轴承2-6，丝杆2-4的后端与双列角接触球轴承2-6内圈相连，且双列角接触球轴承2-6采用面对面安装方式，双列角接触球轴承2-6外圈与第一轴承座2-2相连，第一轴承座2-2通过连接螺栓固定在基座2-1上，双列角接触球轴承2-6与第一轴承座2-2构成固定端，防止丝杆2-4回转时产生轴向窜动；丝杆2-4的两端均具有轴肩，丝杆2-4前端的轴肩抵在单列深沟球轴承2-6的内圈的内侧壁上，丝杆2-4后端的轴肩抵在双列角接触轴承2-6内圈的内侧壁上，丝杆2-4前端的外侧卡设有止推环2-15，止推环2-15与单列深沟球轴承2-6的内圈外侧壁接触，双列角接触轴承2-6的外侧侧壁与固定在第一轴承座2-2上的端盖2-16接触。

卧式车床5上的三爪卡盘5-2固定在其上的主轴上，并由卧式车床5的主电机带动主轴及主轴上的三爪卡盘5-2转动，从而实现熔覆件6的转动，卧式车床5的顶尖5-3可通过调节其卧式车床5尾座上的手柄，实现顶尖5-3相对三爪卡盘5-2伸缩，刀架5-1通过刀架进给机构可沿顶尖5-3的径向方向进给。

其中，卧式车床5可采用卧式数控机床，熔覆件6的外周面为圆周面，外圆滚压刀4的外周面也为圆周面。

本实施例中的激光熔覆滚压复合加工装置工作原理如下：

实验前将熔覆件6进行预处理，预处理的步骤为，打磨并用丙酮去脂，再把预处理后的熔覆件6一端用三爪卡盘5-2夹紧，移动卧式车床5的尾座，顺时针转动手轮，使顶尖5-3压紧在熔覆件6的另一端端部；

将外圆滚压刀4通过压紧螺钉转动安装在刀架5-1上，利用垫片垫在外圆滚压刀4的刀柄4-1下方，调节外圆滚压刀4的高度，确保外圆滚压刀4上滚轮4-2的轴线与熔覆件6的轴线等高，调节卧式车床5的刀架5-1进给，使外圆滚压刀4的周面与熔覆件6的周面接触，继续调节卧式车床5的刀架5-1进给，使得外圆滚压刀4径向压入熔覆件6，压入量可选择为0.03mm(如卧式车床5为卧式数控车床，则可在外圆滚压刀4的周面与熔覆件6的周面接触后，将熔覆件6的直径值输给数控系统的刀具表，编写数控加工程序，确保外圆滚压刀4的径向压入量为0.03mm)；

机器人的机械手3将激光熔覆头1夹持，调节机械人的机械手3，使得激光熔覆头1沿竖直方向垂直于熔覆件6的轴线，并调节激光熔覆头1相对熔覆件6的离焦量；

开启卧式车床5带动熔覆件6转动，同时通过电机2-5驱动丝杆2-4转动，螺母座2-7在丝杆2-4的传动作用下沿直线方向移动，机械手3跟随螺母座2-7移动，从而实现激光熔覆头1在机械手3的带动下沿熔覆件6的轴向移动，并在熔覆件6表面形成熔覆层，熔覆件6在熔覆的同时，外圆滚压刀4沿熔覆件6径向施加一定压力给熔覆层，以此改善激光熔覆层的组织和性能，激光熔覆、滚压加工结束后，关闭设备，对激光熔覆件6进行微观组织和性能测试。其中，如卧式车床5为卧式数控车床，则可利用数控程序驱动外圆滚压刀4进行径向进给。

实施例2

一种激光熔覆滚压复合加工工艺，该工艺为：激光熔覆头1传导的激光束辐照于熔覆件6的表面，熔覆件6自转，激光熔覆头1沿熔覆件6轴向移动，在熔覆件6表面形成熔覆层，同时外圆滚压刀4在外力作用下沿熔覆件6的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层，在熔覆的同时进行滚压，熔覆件6的外周面为圆周面。

该工艺具体包括以下步骤：

a、熔覆件6依次经打磨、清洗和烘干；

b、然后采用卧式车床5的三爪卡盘5-2和顶尖5-3将烘干后的熔覆件6装夹；

c、激光熔覆头1在机器人的机械手3带动下沿熔覆件6的轴向移动，卧式车床5驱动熔覆件6绕其轴线转动，送粉系统将烘干处理后的熔覆粉直接送进熔覆件6表面的激光作用区，经激光熔覆头1传导的激光束辐照使熔覆粉和熔覆件6表层熔化，冷却后形成熔覆层，同时外圆滚压刀4在外力作用下沿熔覆件6的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层。

步骤c中，将外圆滚压刀4的刀柄4-2固定在卧式车床5的刀架5-1上，转动设置在刀柄4-2上的滚轮4-1，跟随刀架5-1朝向熔覆件6方向进给，实现外圆滚压刀4沿熔覆件6的径向施加一定压力给熔覆层。

实施例3

以铝合金轴激光熔覆为例，作上述激光熔覆-滚压复合加工工艺的说明：

先用砂纸打磨φ30×300mm的ZL104铝棒，再用丙酮去脂，接着用热风吹干，将预处理好的ZL104铝棒安装在数控车床CK6140上，采用三爪卡盘5-2和顶尖5-3装夹，外圆滚压刀4采用硬质合金单滚型外径滚轮滚压刀，外圆滚压刀4的径向压入量为0.03mm,激光熔覆头1沿铝合金轴的轴向进给量为0.3mm/r，数控车床主轴的转速为7.64r/min；

激光熔覆粉为ZL104铝合金球形粉，粒度为75—150μm，熔覆前须对铝合金粉在120℃左右真空条件下进行烘干处理，去除熔覆粉中的水分；

4Kw光纤激光加工系统由YLS-4000光纤激光器、TWIN PF 2/2-MF送粉系统、侧向送粉喷嘴及局部氩气保护箱组成，送粉系统包括送粉器、粉末传输通道和喷嘴三部分，采用同步送粉方式，熔覆层厚度为0.5mm，激光熔覆工艺参数为：激光功率为2.8Kw，扫描速度为12mm/s，离焦量为5mm，光斑直径为3mm，搭接率为30％，氩气流量为8L/min。

本实例中获得的熔覆层的微观组织如图3所示。

该实例中在保持激光熔覆工艺参数不变的情况下，去除径向滚压压力，所获得的熔覆层的微观组织如图4所示。

比较图3和图4，可以发现沿径向施加一定滚压压力，能够细化晶粒。

此实例中添加和去除径向滚压压力，熔覆件6表面残余应力分别为-110MPa和45.5MPa，这表明：沿径向施加一定压力，能够将熔覆件6表面的残余应力状态由拉应力改变为压应力。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种激光熔覆滚压复合加工工艺，其特征在于：该工艺为：激光熔覆头(1)传导的激光束辐照于熔覆件(6)的表面，熔覆件(6)自转，激光熔覆头(1)沿熔覆件(6)轴向移动，在熔覆件(6)表面形成熔覆层，同时外圆滚压刀(4)在外力作用下沿熔覆件(6)的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层。

2.根据激光熔覆滚压复合加工工艺，其特征在于：该工艺具体包括以下步骤：

a、熔覆件(6)依次经打磨、清洗和烘干；

b、然后采用卧式车床(5)的三爪卡盘(5-2)和顶尖(5-3)将烘干后的熔覆件(6)装夹；

c、激光熔覆头(1)在机器人的机械手(3)带动下沿熔覆件(6)的轴向移动，卧式车床(5)驱动熔覆件(6)绕其轴线转动，送粉系统将烘干处理后的熔覆粉直接送进熔覆件(6)表面的激光作用区，经激光熔覆头(1)传导的激光束辐照使熔覆粉和熔覆件(6)表层熔化，冷却后形成熔覆层，同时外圆滚压刀(4)在外力作用下沿熔覆件(6)的径向施加一定压力给熔覆层，获得改性的熔覆层。

3.根据权利要求2所述的激光熔覆滚压复合加工工艺，其特征在于：步骤c中，采用将外圆滚压刀(4)的刀柄(4-1)固定在卧式车床(5)的刀架(5-1)上，并通过刀架(5-1)朝向熔覆件(6)方向进给，实现外圆滚压刀(4)沿熔覆件(6)的径向施加一定压力给熔覆层。

4.一种激光熔覆滚压复合加工装置，用于对熔覆件(6)进行熔覆形成熔覆层并对该熔覆层进行滚压的工序，其特征在于：该装置包括：

激光熔覆头(1)，所述激光熔覆头(1)用于传导激光束；

机器人，所述机器人包括滑动系统(2)及设置在滑动系统(2)上的机械手(3)，所述滑动系统(2)用于带动机械手(3)沿直线方向移动，激光熔覆头(1)夹持在机械手(3)上；

外圆滚压刀(4)，用于对熔覆层施加径向压力；

以及卧式车床(5)，所述外圆滚压刀(4)固定在卧式车床(5)的刀架(5-1)上，卧式车床(5)的三爪卡盘(5-2)夹持在熔覆件(6)的一端，卧式车床(5)的顶尖(5-3)抵在熔覆件(6)的另一端端部，激光熔覆头(1)位于熔覆件(6)的上方，机械手(3)在滑动系统(2)上的滑动方向与熔覆件(6)的轴线平行。

5.根据权利要求4所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述滑动系统(2)包括基座(2-1)、第一轴承座(2-2)、第二轴承座(2-3)、丝杆(2-4)及电机(2-5)，所述电机(2-5)、第一轴承座(2-2)及第二轴承座(2-3)均固定在基座(2-1)上，所述电机(2-5)的伸出端传动连接有丝杆(2-4)，所述丝杆(2-4)的两端分别穿过第一轴承座(2-2)和第二轴承座(2-3)，所述丝杆(2-4)的两端分别与第一轴承座(2-2)及第二轴承座(2-3)之间设置有轴承(2-6)，所述丝杆(2-4)上螺纹传动连接有螺母座(2-7)，所述螺母座(2-7)上固定有滑板(2-8)，所述滑板(2-8)与基座(2-1)滑动连接，所述机械手(3)固定在滑板(2-8)上。

6.根据权利要求5所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述基座(2-1)上设置有轨道(2-9)，所述滑板(2-8)上开设有与轨道(2-9)相匹配的滑槽，所述轨道(2-9)滑动设置在滑槽内。

7.根据权利要求5所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述电机(2-5)的输出端与丝杆(2-4)之间通过联轴器(2-10)传动连接。

8.根据权利要求5所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述机械手(3)包括机械手本体(3-1)、机械臂(3-2)及夹持机构，所述机械手本体(3-1)固定在滑板(2-8)上，所述机械臂(3-2)的一端连接在机械手本体(3-1)上，另一端固定所述夹持机构，激光熔覆头(1)夹持在夹持机构上。

9.根据权利要求4所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述外圆滚压刀(4)具有刀柄(4-1)和圆盘形滚轮(4-2)，滚轮(4-2)转动设置在刀柄(4-1)上，所述刀柄(4-1)固定在所述卧式车床(5)的刀架(5-1)上。

10.根据权利要求4所述的激光熔覆滚压复合加工装置，其特征在于：所述激光熔覆头(1)的激光束辐照方向与熔覆件(6)的轴线垂直。