CN107760861A - 一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置及方法，装置包括激光控制器、激光发生器、激光加工平台、激光聚焦器、冷却介质储存盒、单轴移动平台和氩气供气系统，本装置实现激光重融实现微米晶、纳米晶组织，有效提升轴承零件表面硬度及耐磨性；依次通过加入冷却水、干冰、液氮加强冷却，可以有效控制结晶速度，进而控制晶粒大小和生长趋势；激光重融方法实现善碳化物、合金化合物的微观形貌及分散状态，有效提升轴承钢材料的抗腐蚀性能；结构简便，对工件适应能力强，能够用于多种金属激光加工场合。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，尤其是一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置及方法。
背景技术
轴承是国民经济的战略物资，装备制造业的关键基础件。轴承属于风电机组的核心零部件。风电轴承的范围涉及从叶片，主轴和偏航所用的轴承。到齿轮箱和发电机中所用的高速轴承。因此，轴承零件材料的要求十分严格。对此，不仅要求轴承材料具有足够强度的和承载能力，还要求其运行平稳，且润滑、防腐及密封性能良好。同时要求寿命较长(一般要求20年)。但是风电用轴承由于其所使用环境的恶劣性，安装、维修不便性，导致总体来说轴承是风力机械中最薄弱的部位。特别适用于齿轮箱主轴和发电机上的大轴承是造成某些型号风电机组的主要故障之一。因此，要特别开展制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制及材料加工工艺的研究。
材料的好坏是决定风电轴承的最重要因素，我国风电轴承与国外差距，材料是主要因素。碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内风电轴承质量先天不足，风电轴承的寿命、可靠性及一致性逊色国外产品。我国轴承行业的风电轴承设计中，没有成熟的选材方法和经验，在选材方面存在较大的盲目性，常常因选材不当造成重大损失。
疲劳剥落是风电轴承表面常见的失效形式。对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角.通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路.产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面。
根据疲劳产生的机理和主要影响因素，可以有针对性地提出预防措施。如对表面起源损伤引起的疲劳，可以通过对零件表面进行表面强化处理，目前，常用的表面处理及改性技术有化学热处理、堆焊、电镀、化学镀、热喷涂和等离子喷涂、激光表面加工等。激光表面加工技术有激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化、激光重熔等。
激光重熔也称激光熔凝，是利用激光束辐射工件表面形成激光熔池，激光束离开后熔池区高速冷却凝固，可以获得细小均匀的晶粒组织。激光重融技术除了可以改善轴承钢金属的晶体组织，也可以改善碳化物、合金化合物的微观形貌及分散状态，通过改善材料的微观组织获得优异的力学性能及耐腐蚀性能。因此，激光重融技术是一项有前途、可操作性强且相对经济的轴承钢激光表面加工技术。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，包括激光控制器、激光发生器、激光加工平台、激光聚焦器、冷却介质储存盒、单轴移动平台和氩气供气系统；在单轴移动平台上放置有冷却介质储存盒，在冷却介质储存盒的垂直上方设置有激光加工平台和激光聚焦器，所述激光加工平台由支架、水平调节臂(Y轴方向)和垂直调节臂(Z轴方向)构成，激光聚焦器与垂直调节臂相连接，通过激光加工平台的水平调节臂和垂直调节臂可控制激光聚焦器进行水平和垂直方向的移动，在单轴移动平台一侧设置有氩气供气系统。
在上述技术方案中，所述氩气供气系统由氩气储存钢瓶、氩气喷嘴和支撑架构成，支撑架将氩气喷嘴的位置进行固定，使其出气口位于激光加工处。
在上述技术方案中，所述激光控制器设置于单轴移动平台的一侧激光控制器的主体为安装控制软件的WINDOWS操作系统的台式电脑，所述激光控制器和激光发生器通过COM接口连接。
在上述技术方案中，所述激光聚焦器内设置有反射镜和激光聚焦透镜组。
在上述技术方案中，所述激光聚焦器通过激光光缆与激光发生器相连接，所述激光光缆的光缆转角曲率半径须大于光缆直径的20倍，方可具备激光传输功能。
在上述技术方案中，所述冷却介质储存盒内盛放有冷却介质。
在上述技术方案中，所述激光发生器为型号为GSI JK2003SM，该CW激光器具有2千瓦的额定YAG激光输出，也可进行脉冲输出。
在上述技术方案中，所述水平调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节水平位移，所述垂直调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节垂直位移。
在上述技术方案中，所述单轴移动平台通过平台内嵌滑轨和步进电机调节X轴方向上的位移。
在上述技术方案中，氩气储存钢瓶和氩气喷嘴通过橡胶软管相连接，氩气喷嘴的喷射方向轴和加工轴承零件样品表面呈45度角。
利用上述技术方案中的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置针对42CrMo轴承钢的激光表面强化时，按照下列方法进行：
首先需对拟强化表面进行除油及清洗预处理，保证加工表面清洁无油脂。然后将加工表面放置在本装置的移动桌面的加工盒内部，加工盒内部储存一定量的干冰作为冷却介质，保证样品底部用金属块垫高，样品底部须距离盒底5mm以上，同时样品的待加工表面高于干冰储存平面最高点5mm以上。采用喷射氩气作为加工熔池保护气，氩气保护喷射速率为15-20L/min，喷嘴距离激光聚焦点距离为100—150mm，氩气喷射方向和激光前进方向必须一致。通过控制软件预制激光加工路线，如需加工平面，两个道次之间的覆盖率为15％。调整激光的离焦量为±0.5mm，激光功率1500W—2000W，根据样品加工深度调整直线加工速率3-5mm/s。最后，开启激光的同时开启可移动平台，通过激光束固定平台移动完成拟定加工路线。
在进行激光表面强化时，工艺技术参数如下：
激光功率：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，激光功率设定为1500W-2000W。
激光离焦量：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，激光离焦量为±0.5mm。
道次覆盖率：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，道次覆盖率为20％。
激光扫描速率：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，激光扫描速率为3-5mm/s。
氩气保护喷射速率：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，氩气保护喷射速率为15-20L/min。为保证重融区域的微观组织质量，尽量避免气孔缺陷，氩气喷射方向必须和激光扫描方向一致。
冷却介质：针对风电轴承常用的42CrMo钢，作为优选方式，冷却介质可以选择常温去离子水、干冰、液氮。使用干冰及液氮时，需要先喷射氩气保护加大氩气流量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)实现激光重融实现微米晶、纳米晶组织，有效提升轴承零件表面硬度及耐磨性；
(2)依次通过加入冷却水、干冰、液氮加强冷却，可以有效控制结晶速度，进而控制晶粒大小和生长趋势。
(3)激光重融方法实现善碳化物、合金化合物的微观形貌及分散状态，有效提升轴承钢材料的抗腐蚀性能。
(4)结构简便，对工件适应能力强，能够用于多种金属激光加工场合。
附图说明
图1为本装置结构示意图。
图2为本装置中激光加工平台局部结构示意图。
图3为利用本装置加工成型制品图的SEM照片。
图4是加工区域截面组织的光学显微组织照片。
其中，1为激光控制器，2为激光发生器，3为激光加工平台，4为水平调节臂，5为垂直调节臂，6为激光聚焦器，7为聚焦激光束，8为冷却介质储存盒，9为单轴移动平台，10为氩气喷嘴，11为支撑架，12为氩气储存钢瓶，13为激光光缆，14为反射镜，15为激光聚焦透镜组，16为轴承部件，17为冷却介质。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图中所示，一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，包括激光控制器1、激光发生器2、激光加工平台3、激光聚焦器6、冷却介质储存盒8、单轴移动平台9和氩气供气系统；在单轴移动平台上放置有冷却介质储存盒，在冷却介质储存盒的垂直上方设置有激光加工平台和激光聚焦器，所述激光加工平台由支架、水平调节臂(Y轴方向)4和垂直调节臂(Z轴方向)5构成，激光聚焦器与垂直调节臂相连接，通过激光加工平台的水平调节臂和垂直调节臂可控制激光聚焦器进行水平和垂直方向的移动，在单轴移动平台一侧设置有氩气供气系统。
所述氩气供气系统由氩气储存钢瓶12、氩气喷嘴10和支撑架11构成，支撑架将氩气喷嘴的位置进行固定，使其出气口位于激光加工处。所述激光控制器设置于单轴移动平台的一侧激光控制器的主体为安装控制软件的WINDOWS操作系统的台式电脑，所述激光控制器和激光发生器通过COM接口连接。所述激光聚焦器内设置有反射镜和激光聚焦透镜组。所述激光聚焦器通过激光光缆13与激光发生器相连接，所述激光光缆的光缆转角曲率半径须大于光缆直径的20倍，方可具备激光传输功能。所述冷却介质储存盒内设置有冷却介质17。所述激光发生器为型号为GSI JK2003SM，该CW激光器具有2千瓦的额定YAG激光输出，也可进行脉冲输出。所述水平调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节水平位移，所述垂直调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节垂直位移。所述单轴移动平台通过平台内嵌滑轨和步进电机调节X轴方向上的位移。氩气储存钢瓶和氩气喷嘴通过橡胶软管相连接，氩气喷嘴的喷射方向轴和加工轴承零件样品表面呈45度角。
在针对轴承钢进行激光表面强化时，激光发生器起激光激发作用，激光光缆起到传输激光的作用。本装置采用激光位置固定、平台移动的方式进行调整轴承表面加工部位变化的效果，其中，水平调节臂(Y轴方向)和单轴移动平台(X轴方向)起到控制加工平面的移动，垂直调节臂(Z轴方向)可以根据样品表面的高度变化进行编程调节，也可以起到微调离焦量的作用。激光激发、传输、和样品加工路径通过激光控制器和激光控制器进行预先设定和实时控制。激光重熔加工轴承钢，在冷却介质辅助冷却条件下，由于其冷却速度极快(高达106℃/s)，非平衡凝固过程中，由于固液界面以每秒几米的高速前进时，固液界面上的溶质原子来不及在液相中聚集，晶粒来不及长大，因此获得均匀的组织和细小晶粒。
利用本装置，针对42CrMo轴承钢的激光表面强化，需对拟强化表面进行除油及清洗预处理，保证加工表面清洁无油脂。然后将加工表面放置在本装置的移动桌面的加工盒内部，加工盒内部储存一定量的干冰作为冷却介质，保证样品底部用金属块垫高，样品底部须距离盒底5mm以上，同时样品的待加工表面高于干冰储存平面最高点5mm以上。采用喷射氩气作为加工熔池保护气，氩气保护喷射速率为15-20L/min，喷嘴距离激光聚焦点距离为100—150mm，氩气喷射方向和激光前进方向必须一致。通过控制软件预制激光加工路线，如需加工平面，两个道次之间的覆盖率为15％。调整激光的离焦量为±0.5mm，激光功率1500W—2000W，根据样品加工深度调整直线加工速率3-5mm/s。最后，开启激光的同时开启可移动平台，通过激光束固定平台移动完成拟定加工路线。成型样品表面SEM照片如图3所示。
加工区域截面组织的光学显微组织照片如图4所示，图4底部是样品基材，上部密集花样区域为加工区域金相腐蚀以后的组织。可见加工区域无明显加工缺陷，且具有大量的柱状晶和等轴晶，平均尺寸为5μm以下，可见加工区域较基材具有更加均匀的组织成分以及细小晶粒。微观组织成分的均匀有利于提升42CrMo轴承钢表面的抗腐蚀性能，细小晶粒产生细晶强化，对于轴承钢表面的抗磨损和硬度则具有显著提升。因此采用本装置和相关工艺加工42CrMo轴承钢可以较好的提升金属表面的硬度、抗磨损以及耐蚀性能。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：包括激光控制器、激光发生器、激光加工平台、激光聚焦器、冷却介质储存盒、单轴移动平台和氩气供气系统；在单轴移动平台上放置有冷却介质储存盒，在冷却介质储存盒的垂直上方设置有激光加工平台和激光聚焦器，所述激光加工平台由支架、水平调节臂(Y轴方向)和垂直调节臂(Z轴方向)构成，激光聚焦器与垂直调节臂相连接，通过激光加工平台的水平调节臂和垂直调节臂可控制激光聚焦器进行水平和垂直方向的移动，在单轴移动平台一侧设置有氩气供气系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述氩气供气系统由氩气储存钢瓶、氩气喷嘴和支撑架构成，支撑架将氩气喷嘴的位置进行固定，使其出气口位于激光加工处。
3.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述激光控制器设置于单轴移动平台的一侧激光控制器的主体为安装控制软件的WINDOWS操作系统的台式电脑，所述激光控制器和激光发生器通过COM接口连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述激光聚焦器内设置有反射镜和激光聚焦透镜组。
5.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述激光聚焦器通过激光光缆与激光发生器相连接，所述激光光缆的光缆转角曲率半径须大于光缆直径的20倍，方可具备激光传输功能。
6.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述激光发生器为型号为GSI JK2003SM，该CW激光器具有2千瓦的额定YAG激光输出，也可进行脉冲输出。
7.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述水平调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节水平位移，所述垂直调节臂通过两根内置的螺杆和步进电机调节垂直位移。
8.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：所述单轴移动平台通过平台内嵌滑轨和步进电机调节X轴方向上的位移。
9.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置，其特征在于：氩气储存钢瓶和氩气喷嘴通过橡胶软管相连接，氩气喷嘴的喷射方向轴和加工轴承零件样品表面呈45度角。
10.一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性方法，其特征在于，按照下列步骤进行：首先需对拟强化表面进行除油及清洗预处理，保证加工表面清洁无油脂；然后将加工表面放置在本装置的移动桌面的加工盒内部，加工盒内部储存一定量的干冰作为冷却介质，保证样品底部用金属块垫高，样品底部须距离盒底5mm以上，同时样品的待加工表面高于干冰储存平面最高点5mm以上；采用喷射氩气作为加工熔池保护气，氩气保护喷射速率为15-20L/min，喷嘴距离激光聚焦点距离为100—150mm，氩气喷射方向和激光前进方向一致；通过控制软件预制激光加工路线，调整激光的离焦量为±0.5mm，激光功率1500W—2000W，根据样品加工深度调整直线加工速率3-5mm/s；最后，开启激光的同时开启可移动平台，通过激光束固定平台移动完成拟定加工路线。
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| CN201711296692.9A CN107760861A (zh) | 2017-12-08 | 2017-12-08 | 一种用于风力发电机轴承表面的激光重融表面改性装置及方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109182698A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-11 | 河南理工大学 | 可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置 |
| CN110605450A (zh) * | 2019-10-09 | 2019-12-24 | 昆山大鑫华激光科技有限公司 | 一种自动化快速准确分离锡球以及激光锡球焊接装置及焊接方法 |
| CN111172404A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-05-19 | 南昌航空大学 | 一种用于颗粒增强铝基复合材料的电子束重熔装置及方法 |
Citations (4)
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| JPH02185957A (ja) * | 1989-01-11 | 1990-07-20 | Yazaki Corp | ターミナルの表面処理法 |
| RU2010110782A (ru) * | 2010-03-22 | 2011-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью Вятское машиностроительное предприятие "Лазерная техника и технологии" (RU) | Способ лазерно-плазменно-ультразвукового упрочнения поверхности металлов и их сплавов |
| CN107267976A (zh) * | 2017-05-22 | 2017-10-20 | 江苏大学 | 一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺 |
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2017
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