CN107385434A - 一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光熔覆领域，提供了一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，包括数控机床、光纤耦合半导体激光器、激光熔覆头、高频感应加热电源、高频感应加热圈，激光器通过光纤连接激光熔覆头，高频感应加热电源通过电缆连接高频感应加热圈，数控机床上安装有驱动圆柱体绕自身轴心旋转的工件旋转电机，数控机床上还安装有驱动激光熔覆头以及高频感应加热圈随机床溜板一起沿圆柱体轴向移动的溜板移动电机。本发明提供的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，在高频感应预热的同时，进行激光熔覆，可提高熔覆效率，降低熔覆层产生裂纹的概率；可形成螺旋状预热和熔覆轨迹，提高单位时间内的熔覆面积。

Description

一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统以及方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，尤其涉及一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统以及方法。
背景技术
激光熔覆是一种表面改性技术，既可用于零件的修复，也可以用于零件的增材制造。对于圆柱体的增材加工，传统的激光熔覆工艺是采用同轴送粉或旁轴送粉，由单一激光进行熔覆，工件基体和熔覆层形成冶金结合，通常在保证熔覆层不产生裂纹情况下，使用光纤耦合半导体激光器的激光功率4千瓦，熔覆层厚度0.5至1.0毫米，每分钟的熔覆面积100至50平方厘米。这对于像直径200毫米，长度1200毫米的液压支柱来说，熔覆时间为76至151分钟，熔覆效率太低。
因此有必要设计一种用于圆柱体加工的激光熔覆系统，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，以使得圆柱体熔覆效率提高、不易产生裂纹，而且操作简单。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，包括数控机床，还包括光纤耦合半导体激光器和高频感应加热电源，所述光纤耦合半导体激光器通过光纤连接激光熔覆头，所述高频感应加热电源通过电缆连接高频感应加热圈，所述高频感应加热圈套设于所述圆柱体上，所述激光熔覆头靠近高频感应加热圈，所述数控机床上安装有驱动圆柱体绕自身轴心旋转的工件旋转电机，所述数控机床床身上安装有机床溜板，所述高频感应加热圈和激光熔覆头均安装于机床溜板上，所述数控机床上还安装有驱动激光熔覆头以及高频感应加热圈随机床溜板一起沿圆柱体轴向移动的溜板移动电机。
进一步地，所述数控机床的床头设有可卡住圆柱体一端的卡盘，所述数控机床的床尾设有可顶住圆柱体另一端的顶尖。
进一步地，所述机床溜板通过丝杠与溜板移动电机连接。
进一步地，还包括数控单元以及中央控制器，所述光纤耦合半导体激光器内置有激光控制单元，所述高频感应加热电源内置有预热控制单元连接，所述工件旋转电机和溜板移动电机均与数控单元连接，所述激光控制单元、预热控制单元以及数控单元均与中央控制器连接。
进一步地，所述高频感应加热圈与高频感应加热电源之间为可拆卸连接，所述高频感应加热圈为多个，各所述高频感应加热圈的直径均不同。
本发明还提供一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆方法，包括以下步骤：
步骤1、选择与圆柱体直径大小相适应的高频感应加热圈，套设于圆柱体上，再将圆柱体安装于数控机床上；
步骤2、启动工件旋转电机带动圆柱体绕自身轴心旋转；
步骤3、待圆柱体转速稳定后，启动高频感应加热电源对圆柱体进行环状表面局部预热，所述环状表面为圆柱体上与高频感应加热圈相对的部分，预热方式采用的是高频感应预热，圆柱体表面的预热温度为800℃～1000℃；
步骤4、在预热1～5秒后，启动光纤耦合半导体激光器上的光闸，光纤耦合半导体激光器出光，同时启动溜板移动电机，溜板移动电机通过丝杠带动安装有激光熔覆头和高频感应加热圈的机床溜板一起沿圆柱体轴向移动，激光熔覆头沿移动方向位于高频感应加热圈之后且靠近高频感应加热圈，激光熔覆头和高频感应加热圈的移动与圆柱体自身的旋转运动复合叠加，使得激光熔覆头和高频感应加热圈相对于圆柱体的运动轨迹形成沿圆柱体表面的螺旋线；
步骤5、熔覆完成后，光纤耦合半导体激光器、工件旋转电机、溜板移动电机以及高频感应加热电源同时停机。
进一步地，所述光纤耦合半导体激光器内置有激光控制单元，所述高频感应加热电源内置有预热控制单元，所述工件旋转电机和溜板移动电机均与一数控单元连接，所述激光控制单元、预热控制单元以及数控单元均与一中央控制器连接；
圆柱体安装好后，中央控制器首先通知数控单元控制工件旋转电机启动，工件旋转电机带动圆柱体转动；数控单元检测到工件旋转电机的转速稳定时通知中央控制器；中央控制器通知预热控制单元控制高频感应加热电源启动并按设定加热功率，通过高频感应加热圈对圆柱体表面进行预热；预热控制单元检测到预热温度达到设定值时通知中央控制器，中央控制器通知激光控制单元控制光纤耦合半导体激光器出光，同时中央控制器通知数控单元控制溜板移动电机启动；溜板移动电机带动装有激光熔覆头以及高频感应加热圈的机床溜板从圆柱体的一端向另一端移动；此时圆柱体的高频感应预热和激光熔覆同时在进行；当机床溜板到达圆柱体的另一端时，数控单元控制工件旋转电机、溜板移动电机停机，同时通知中央控制器，中央控制器控制光纤耦合半导体激光器、以及高频感应加热电源同时停机。
进一步地，所述激光熔覆方法的单层熔覆厚度为0.1mm～0.3mm。
进一步地，所述圆柱体为液压支柱。
进一步地，利用高频感应加热圈对圆柱体的表面进行局部预热，预热温度在1～5秒内上升至800℃～1000℃。
本发明具有以下有益效果：
1、增加高频感应加热圈以及高频感应加热电源，在熔覆之前进行高频局部预热，提高熔覆效率的同时减少裂纹的产生；
2、利用工件旋转电机驱动圆柱体旋转，使得圆柱体受热均匀；利用溜板移动电机驱动激光熔覆头以及高频感应加热圈随机床溜板一起沿圆柱体轴向移动，使得预热之后立刻进行熔覆，预热后熔覆效率提高，激光熔覆头以及高频感应加热圈相对于圆柱体表面做螺旋线运动；
3、增加中央控制器，使得数控机床的控制、光纤耦合半导体激光器的控制、高频感应加热的控制得以协调和程序化、自动化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统的结构示意图。
图中，1-数控机床，11-卡盘，12-顶尖，21-光纤耦合半导体激光器，22-激光熔覆头，31-高频感应加热电源，32-高频感应加热圈，4-圆柱体
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，本发明实施例提供一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，包括数控机床1，所述数控机床1为卧式的数控机床。还包括光纤耦合半导体激光器21和高频感应加热电源31，所述光纤耦合半导体激光器21通过光纤连接激光熔覆头22，光纤耦合半导体激光器21与激光熔覆头22配合实现激光熔覆。所述高频感应加热电源31通过电缆连接高频感应加热圈32，高频感应加热电源31控制高频感应加热圈32对圆柱体进行表面预热，高频感应加热可以使金属物体的表面在1～5秒钟被加热到800℃-1000℃，圆柱体4沿水平方向即图中所示安装于数控机床1上，所述高频感应加热圈32套设于圆柱体4上，高频感应加热圈32套在圆柱体4上对圆柱体4的表面进行预热。所述激光熔覆头22紧挨高频感应加热圈32，所述激光熔覆头22和高频感应加热圈32安装于数控机床1的溜板上，可随溜板一起沿圆柱体4轴向移动，激光熔覆头22和与高频感应加热圈32均沿水平方向即图中所示Z向移动，激光熔覆头22沿竖直方向即图中所示Y向安装于数控机床1的溜板上。激光熔覆头22以及高频感应加热圈32沿Z方向移动时，激光熔覆头22沿Z方向位于高频感应加热圈32的后面，使得圆柱体4的表面先受到高频感应加热圈32的预热作用，高频感应加热圈32对圆柱体4进行表面局部预热，预热部位为与高频感应加热圈相对的环形，预热温度接近让圆柱体基体表面熔化，即800℃-1000℃，局部预热完成后立即进行激光熔覆，这样既可以提高熔覆的效率，还可以避免熔覆层裂纹的产生。所述数控机床1上安装有驱动圆柱体4绕自身轴心旋转的工件旋转电机(图中未示出)，工件旋转电机带动圆柱体4绕自身轴心旋转，使得圆柱体4的表面受热均匀，进一步提高熔覆效率，降低熔覆层裂纹产生的概率。所述数控机床床身上安装有机床溜板(图中未示出)，所述高频感应加热圈和激光熔覆头均安装于机床溜板上，所述数控机床1上还安装有驱动激光熔覆头22以及高频感应加热圈32随机床溜板一起沿圆柱体4的表面轴向移动的溜板移动电机(图中未示出)，激光熔覆头22和高频感应加热圈32紧挨在一起沿圆柱体4轴向移动，保证预热后及时进行熔覆，实时预热实时熔覆的工艺流程保证了熔覆效果和效率。圆柱体4绕自身的旋转运动与激光熔覆头22沿圆柱体4轴向的移动复合叠加，使得激光熔覆头22以及高频感应加热圈32相对于圆柱体4的运动轨迹为沿圆柱体4表面的螺旋线，该螺旋线运动轨迹保证了圆柱体4表面的每一处都可均匀受热并均匀熔覆，进一步提高了熔覆的效率。本发明实施例提供的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，对圆柱体进行高频感应局部预热，预热后随即进行激光熔覆，在提高熔覆效率的同时还可以防止熔覆层裂纹的产生；使用工件旋转电机带动圆柱体4旋转，同时利用溜板移动电机带动高频感应加热圈32和激光熔覆头22随机床溜板一起沿圆柱体4轴向移动，使得圆柱体4的表面环状局部受热，且预热完成后立刻进行熔覆，圆柱体各处的预热和熔覆效果一致。对于圆柱体增材加工，传统的激光熔覆工艺是采用同轴送粉或旁轴送粉，由单一激光进行熔覆，通常在保证熔覆层不产生裂纹情况下，使用光纤耦合半导体激光器的激光功率4千瓦，熔覆层厚度0.5至1.0毫米，每分钟的熔覆面积100至50平方厘米，用于熔覆直径200毫米、长度1200毫米的液压支柱时，熔覆时间为76至151分钟，熔覆效率太低。本发明实施例在保证熔覆层不产生裂纹情况下，使用光纤耦合半导体激光器的激光功率4千瓦，熔覆层厚度0.1至0.3毫米，每分钟的熔覆面积大于250平方厘米，熔覆上述相同的液压支柱，熔覆时间将缩短到31分钟，是原来的40％至21％，熔覆效率提高2.45至4.87倍。
优选的，如图1，所述数控机床1的床头设有可卡住圆柱体4一端的卡盘11，所述数控机床1的床尾设有可顶住圆柱体4另一端的顶尖12，卡盘11和顶尖12相对而设，圆柱体4安装于卡盘11和顶尖12之间，卡盘11上的卡爪将圆柱体4夹紧再用床尾的顶尖12顶住圆柱体4，圆柱体4可在卡盘11和顶尖12之间绕自身轴心旋转，卡盘11和顶尖12的设置便于圆柱体的安装和拆卸。
优选的，如图1，所述机床溜板通过丝杠与溜板移动电机连接。机床溜板连接的丝杠将溜板移动电机的旋转运动转换为直线运动，机床溜板带动高频感应加热圈32和激光熔覆头22同步沿圆柱体4轴向往返移动。
优选的，还包括数控单元(图中未示出)以及中央控制器(图中未示出)，所述光纤耦合半导体激光器21内置有激光控制单元，激光控制单元控制光纤耦合半导体激光器21的开关及激光功率等；所述工件旋转电机和溜板移动电机均与数控单元相连接，数控单元控制工件旋转电机和溜板移动电机的启动、停止和关联；所述高频感应加热电源31内置一预热控制单元，预热控制单元控制高频感应加热电源的开关、加热功率以及加热时间等；所述激光控制单元、预热控制单元以及数控单元均与中央控制器相连接，中央控制器对激光控制单元、预热控制单元以及数控单元进行协调控制。中央控制器实现了熔覆过程的程序化、自动化。
优选的，所述高频感应加热圈32与高频感应加热电源31之间为可拆卸连接，所述高频感应加热圈32为多个，各所述高频感应加热圈32的直径大小均不一样。高频感应加热圈32可针对需要进行熔覆的圆柱体4的直径大小进行设置，针对圆柱体4不同的直径大小，选用不用规格的高频感应加热圈32，高频感应加热圈32与高频感应加热电源31之间为可拆卸连接，方便高频感应加热圈32的安装和更换。
本发明实施例还提供一种激光熔覆方法包括以下步骤：
步骤1、选择与圆柱体4的直径大小相适应的高频感应加热圈32，高频感应加热圈32的为圆环形，高频感应加热圈32内环直径大于圆柱体4的直径，两物件直径的间隙视需求而定，将高频感应加热圈32套在圆柱体4上，再将圆柱体4安装在数控机床1上；
步骤2、启动工件旋转电机带动圆柱体4绕自身轴心旋转，圆柱体4转动有利于表面均匀预热以及均匀熔覆；
步骤3、待圆柱体4的转速稳定后，启动高频感应加热电源31对圆柱体4进行环状表面局部预热，圆柱体4的转速稳定后进行预热。所述环状表面为圆柱体4上与高频感应加热圈32相对的部分，预热方式采用的是高频感应预热，预热温度为800℃～1000℃，结合对圆柱体表面局部的高频感应预热方式，在保证熔覆效率的前提下，减少裂纹的产生，提高熔覆质量。
步骤4、在预热1～5秒后，启动光纤耦合半导体激光器上的光闸，光纤耦合半导体激光器21开光，并同时启动溜板移动电机，溜板移动电机通过丝杠带动安装有激光熔覆头22和高频感应加热圈32的机床溜板一起沿圆柱体4轴向移动，激光熔覆头22沿移动方向位于高频感应加热圈32之后，即先进行预热再进行熔覆，激光熔覆头22紧挨高频感应加热圈32，即预热后及时进行熔覆，激光熔覆头22和高频感应加热圈32的移动与圆柱体4自身的旋转运动复合叠加，使得激光熔覆头22以及高频感应加热圈32相对于圆柱体4的运动轨迹为沿圆柱体4表面的螺旋线；。
步骤5、熔覆完成后，光纤耦合半导体激光器21、工件旋转电机、溜板移动电机以及高频感应加热电源31同时停机，等待下一次的熔覆。
优选的，可以通过激光控制单元、数控单元、预热控制单元以及中央控制器进行程序控制、自动熔覆，运行方法如下；
圆柱体4安装好后，中央控制器首先通知数控单元控制工件旋转电机启动，工件旋转电机带动圆柱体4转动；数控单元检测到旋转电机的转速稳定时通知中央控制器；中央控制器通知预热控制单元控制高频感应加热电源31启动并通过高频感应加热套圈加热圆柱体4的表面；预热控制单元检测到预热温度达到设定值时通知中央控制器，中央控制器通知激光控制单元控制光纤耦合半导体激光器21启动，同时中央控制器通知数控单元控制溜板移动电机启动；溜板移动电机带动激光熔覆头22以及高频感应加热圈32随机床溜板一起从圆柱体4的一端向另一端移动；此时圆柱体的高频感应预热和激光熔覆同时在进行；当机床溜板到达圆柱体4的另一端时，数控单元通知中央控制器，中央控制器控制光纤耦合半导体激光器21、工件旋转电机、溜板移动电机以及高频感应加热电源31同时停机。中央控制器整体调控数控单元、预热控制单元以及激光控制单元，使得三部分协同动作，操作简单，实现自动化。
优选的，所述激光熔覆方法的单层熔覆厚度为0.1mm～0.3mm。现有的激光熔覆方法的单层熔覆厚度一般都在0.5mm-1.0mm范围内，本发明提供的激光熔覆方法的单层熔覆厚度远远小于现有的激光熔覆方法的单层熔覆厚度，用以扩大单位时间内的熔覆面积。
优选的，所述圆柱体为液压支柱。本发明提供的激光熔覆方法，尤其适用于煤机行业或液压支柱。
优选的，利用高频感应加热圈对圆柱体的外表面进行局部预热，圆柱体局部环状表面在1～5秒钟内上升至800℃～1000℃，以便利于快速熔覆。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，包括数控机床，其特征在于，还包括光纤耦合半导体激光器和高频感应加热电源，所述光纤耦合半导体激光器通过光纤连接激光熔覆头，所述高频感应加热电源通过电缆连接高频感应加热圈，所述高频感应加热圈套设于所述圆柱体上，所述激光熔覆头靠近高频感应加热圈，所述数控机床上安装有驱动圆柱体绕自身轴心旋转的工件旋转电机，所述数控机床床身上安装有机床溜板，所述高频感应加热圈和激光熔覆头均安装于机床溜板上，所述数控机床上还安装有驱动激光熔覆头以及高频感应加热圈随机床溜板一起沿圆柱体轴向移动的溜板移动电机。
2.如权利要求1所述的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，其特征在于：所述数控机床的床头设有可卡住圆柱体一端的卡盘，所述数控机床的床尾设有可顶住圆柱体另一端的顶尖。
3.如权利要求1所述的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，其特征在于：所述机床溜板通过丝杠与溜板移动电机连接。
4.如权利要求1所述的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，其特征在于：还包括数控单元以及中央控制器，所述光纤耦合半导体激光器内置有激光控制单元，所述高频感应加热电源内置有预热控制单元连接，所述工件旋转电机和溜板移动电机均与数控单元连接，所述激光控制单元、预热控制单元以及数控单元均与中央控制器连接。
5.如权利要求1所述的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统，其特征在于：所述高频感应加热圈与高频感应加热电源之间为可拆卸连接，所述高频感应加热圈为多个，各所述高频感应加热圈的直径均不同。
6.一种基于如权利要求1所述的用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选择与圆柱体直径大小相适应的高频感应加热圈，套设于圆柱体上，再将圆柱体安装于数控机床上；
步骤2、启动工件旋转电机带动圆柱体绕自身轴心旋转；
步骤3、待圆柱体转速稳定后，启动高频感应加热电源对圆柱体进行环状表面局部预热，所述环状表面为圆柱体上与高频感应加热圈相对的部分，预热方式采用的是高频感应预热，圆柱体表面的预热温度为800℃～1000℃；
步骤4、在预热1～5秒后，启动光纤耦合半导体激光器上的光闸，光纤耦合半导体激光器出光，同时启动溜板移动电机，溜板移动电机通过丝杠带动安装有激光熔覆头和高频感应加热圈的机床溜板一起沿圆柱体轴向移动，激光熔覆头沿移动方向位于高频感应加热圈之后且靠近高频感应加热圈，激光熔覆头和高频感应加热圈的移动与圆柱体自身的旋转运动复合叠加，使得激光熔覆头和高频感应加热圈相对于圆柱体的运动轨迹形成沿圆柱体表面的螺旋线；
步骤5、熔覆完成后，光纤耦合半导体激光器、工件旋转电机、溜板移动电机以及高频感应加热电源同时停机。
7.如权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器内置有激光控制单元，所述高频感应加热电源内置有预热控制单元，所述工件旋转电机和溜板移动电机均与一数控单元连接，所述激光控制单元、预热控制单元以及数控单元均与一中央控制器连接；
圆柱体安装好后，中央控制器首先通知数控单元控制工件旋转电机启动，工件旋转电机带动圆柱体转动；数控单元检测到工件旋转电机的转速稳定时通知中央控制器；中央控制器通知预热控制单元控制高频感应加热电源启动并按设定加热功率，通过高频感应加热圈对圆柱体表面进行预热；预热控制单元检测到预热温度达到设定值时通知中央控制器，中央控制器通知激光控制单元控制光纤耦合半导体激光器出光，同时中央控制器通知数控单元控制溜板移动电机启动；溜板移动电机带动装有激光熔覆头以及高频感应加热圈的机床溜板从圆柱体的一端向另一端移动；当机床溜板到达圆柱体的另一端时，数控单元控制工件旋转电机、溜板移动电机停机，同时通知中央控制器，中央控制器控制光纤耦合半导体激光器、以及高频感应加热电源同时停机。
8.如权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆方法的单层熔覆厚度为0.1mm～0.3mm。
9.如权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述圆柱体为液压支柱。
10.如权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，利用高频感应加热圈对圆柱体的表面进行局部预热，预热温度在1～5秒内上升至800℃～1000℃。
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