CN109234732A - 一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统 - Google Patents

一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，包括以下步骤：对还原罐筒体进行预处理：通过半导体激光光束熔化激光熔覆用的合金粉末在处理后的还原罐筒体上形成激光熔覆层；对完成激光熔覆的还原罐筒体进行后续处理。通过对因长期在压力、温度等循环交变载荷下使得还原罐筒体壁减薄而报废的还原罐进行激光熔覆，使得使用寿命与新还原罐相当，降低了成本；并在完成激光熔覆加工修复后，对修复后的还原罐筒体进行检测进一步保证修复部分的可靠性，及时发现激光熔覆修复过程中出现的隐患。

Description

一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统。
背景技术
还原罐在车间内使用，所处的环境含有少量的粉尘、水蒸汽和少量的氯化镁烟气。还原罐是用来反应生成海绵钛的关键设备。在每个循环使用过程中，先作为还原设备(在一定条件下，通过液态镁与四氯化钛发生还原反应生成钛金属的反应器)，再作为蒸馏设备(在高温真空条件下，用来蒸发反应过程中生成的钛金属中的镁和氯化镁等杂质，最终生产出高纯度海绵钛的反应器)。还原罐是一种周期性循环使用的设备，每个周期约为16天。
因此还原罐经常在常温至1050℃范围内加热、冷却循环进行，致使罐体在压力、温度等循环交变载荷下主要出现筒体伸长而导致还原罐筒体壁减薄而报废。对于还原罐因长期在压力和温度循环交变载荷使得筒体伸长进而导致还原罐筒体壁减薄而报废，对于还原罐筒体壁减薄而报废的还原罐如果选择购买新的还原罐进行替换，则钒钛关键设备还原罐的不锈钢罐体每件价值47万元左右；而如果采用激光熔覆技术修复罐体，每件修复件价值在30万元左右，使用寿命与新还原罐基本相当；因此，如何对还原罐筒体进行激光熔覆是我们需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统，能够对因长期在压力、温度等循环交变载荷下使得还原罐筒体壁减薄而报废的还原罐进行激光熔覆，使得使用寿命与新还原罐相当。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，包括以下步骤：
对还原罐筒体进行预处理：
通过半导体激光光束熔化激光熔覆用的合金粉末在处理后的还原罐筒体上形成激光熔覆层；
对完成激光熔覆的还原罐筒体进行后续处理。
所述的对还原罐筒体进行预处理的步骤如下：
对还原罐筒体进行清洗确定基体上无污染物以及无杂质包覆，并除去基体表面氧化层；
对还原罐筒体进行表面探伤确定基体无裂纹和气孔缺陷。
通过半导体激光进行激光熔覆，其中熔覆工艺参数包括：激光功率5000～10000W，光斑直径3～6mm，离焦量-80～+80mm，送粉速度1～10g/s，扫描速度30～80mm/s。
所述的合金粉末通过软管置于激光熔覆头的送粉筒中，通过同步送粉进行激光熔覆。
所述的激光熔覆层的形成过程包括：
激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为n的第1条激光熔覆带；
在所述第1条激光熔覆带的左侧或者右侧紧邻着通过激光束扫描形成宽度为n的第二条激光熔覆带；
重复以上步骤直到激光熔覆带完全包覆了整个还原罐筒体需要被激光熔覆的部分。
后一条激光熔覆带与前一条激光熔覆带宽度的位置关系为：后一条激光熔覆带紧邻前一条激光熔覆带并在覆盖前一条激光熔覆带宽度m的基础上形成后一条激光熔覆带。
每条激光熔覆带的宽度n等于激光光束光斑直径宽度；后一条激光熔覆带覆盖前一条激光熔覆带的宽度m与每条激光熔覆带宽度n的关系为：m＝n/10。
一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆系统，包括激光器系统、送粉机构、激光熔覆头、数控机床、电机和控制器；
激光器系统：通过光纤激光头与所述激光熔覆头连接，实现输出高功率激光光束；
送粉机构：通过软管将合金粉末输入到所述激光熔覆头中实现同步送粉的激光熔覆；
激光熔覆头：安装在数控机床的机床溜板上位于数控机床的正上方，通过实现同步送粉和激光光束输出对还原罐筒体进行激光熔覆；
数控机床：用于承载待激光熔覆的还原罐筒体，并安装有机床溜板；
电机：安装在所述数控机床上，实现带动还原罐筒体旋转和所述激光熔覆头移动；
控制器；与所述电机控制连接，实现控制所述电机旋转以及移动。
所述的电机包括旋转电机和步进电机；所述的旋转电机安装在所述数控机床上，实现带动待激光熔覆的还原罐筒体绕自身轴心旋转；所述的步进电机安装字所述数控机床上，并与所述机床溜板连接带动所述激光熔覆头向左或者向右移动形成激光熔覆带。
所述的送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
本发明的有益效果是：一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法及系统，通过对因长期在压力、温度等循环交变载荷下使得还原罐筒体壁减薄而报废的还原罐进行激光熔覆，使得使用寿命与新还原罐相当，降低了成本；并在完成激光熔覆加工修复后，对修复后的还原罐筒体进行检测进一步保证修复部分的可靠性，及时发现激光熔覆修复过程中出现的隐患。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，包括以下步骤：
S1、对还原罐筒体进行预处理：
S2、通过半导体激光光束熔化激光熔覆用的合金粉末在处理后的还原罐筒体上形成激光熔覆层；
S3、对完成激光熔覆的还原罐筒体进行后续处理。
优选地，步骤S3对完成激光熔覆的还原罐筒体进行后续处理包括：
S31、对还原罐筒体进行激光熔覆的部位表面进行打磨抛光处理，恢复原有的尺寸；
S32、对还原罐筒体损伤再建的激光熔覆部位实施着色，并进行X光以及荧光探伤检测。
步骤S1所述的对还原罐筒体进行预处理的步骤如下：
S11、对还原罐筒体进行清洗确定基体上无污染物以及无杂质包覆，并除去基体表面氧化层；
S12、对还原罐筒体进行表面探伤确定基体无裂纹和气孔缺陷。
通过半导体激光进行激光熔覆，其中熔覆工艺参数包括：激光功率5000～10000W，光斑直径3～6mm，离焦量-80～+80mm，送粉速度1～10g/s，扫描速度30～80mm/s。
所述的合金粉末通过软管置于激光熔覆头的送粉筒中，通过同步送粉进行激光熔覆。
所述的激光熔覆层的形成过程包括：
激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为n的第1条激光熔覆带；
在所述第1条激光熔覆带的左侧或者右侧紧邻着通过激光束扫描形成宽度为n的第二条激光熔覆带；
重复以上步骤直到激光熔覆带完全包覆了整个还原罐筒体需要被激光熔覆的部分。
后一条激光熔覆带与前一条激光熔覆带宽度的位置关系为：后一条激光熔覆带紧邻前一条激光熔覆带并在覆盖前一条激光熔覆带宽度m的基础上形成后一条激光熔覆带。
每条激光熔覆带的宽度n等于激光光束光斑直径宽度；后一条激光熔覆带覆盖前一条激光熔覆带的宽度m与每条激光熔覆带宽度n的关系为：m＝n/10。
优选地，激光功率为6000W，光斑直径为4mm，离焦量为-80～+80mm，送粉速度为4g/s，扫描速度为40mm/s。
在还原罐筒体需要进行激光熔覆部位的一侧激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为4mm的第1条激光熔覆带；然后在紧邻第1条激光熔覆带的左侧或者右侧(如果激光熔覆的顺序是从左到右就是左侧，如果激光熔覆的顺序是从右到左就是右侧)并且覆盖第1条激光熔覆带0.4mm宽度进行第2条激光熔覆带的熔覆；依次类推第3条激光熔覆带紧邻在第2条激光熔覆带的左侧或者右侧并且覆盖第2条激光熔覆带0.4mm宽度处熔覆形成，一直到完成还原罐统计需要进行激光熔覆部位的熔覆，每条激光熔覆带的宽度皆为光斑直径宽度4mm，步进电机带动激光熔覆头以40mm/s的速度向左或者向右移动；控制器控制送气泵的速度进而控制送粉速度为4g/s。
进一步的，激光功率为7000W，光斑直径为5mm，离焦量为-80～+80mm，送粉速度为6g/s，扫描速度为50mm/s。
在还原罐筒体需要进行激光熔覆部位的一侧激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为5mm的第1条激光熔覆带；然后在紧邻第1条激光熔覆带的左侧或者右侧(如果激光熔覆的顺序是从左到右就是左侧，如果激光熔覆的顺序是从右到左就是右侧)并且覆盖第1条激光熔覆带0.5mm宽度进行第2条激光熔覆带的熔覆；依次类推第3条激光熔覆带紧邻在第2条激光熔覆带的左侧或者右侧并且覆盖第2条激光熔覆带0.5mm宽度处熔覆形成，一直到完成还原罐统计需要进行激光熔覆部位的熔覆，每条激光熔覆带的宽度皆为光斑直径宽度5mm；步进电机带动激光熔覆头以50mm/s的速度向左或者向右移动；控制器控制送气泵的速度进而控制送粉速度为6g/s。
进一步的，激光功率为9000W，光斑直径为6mm，离焦量为-80～+80mm，送粉速度为8g/s，扫描速度为70mm/s。
在还原罐筒体需要进行激光熔覆部位的一侧激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为6mm的第1条激光熔覆带；然后在紧邻第1条激光熔覆带的左侧或者右侧(如果激光熔覆的顺序是从左到右就是左侧，如果激光熔覆的顺序是从右到左就是右侧)并且覆盖第1条激光熔覆带0.6mm宽度进行第2条激光熔覆带的熔覆；依次类推第3条激光熔覆带紧邻在第2条激光熔覆带的左侧或者右侧并且覆盖第2条激光熔覆带0.6mm宽度处熔覆形成，一直到完成还原罐统计需要进行激光熔覆部位的熔覆，每条激光熔覆带的宽度皆为光斑直径宽度6mm；步进电机带动激光熔覆头以70mm/s的速度向左或者向右移动；控制器控制送气泵的速度进而控制送粉速度为8g/s。
通过后一条激光熔覆带覆盖前一条激光熔覆带十分之一的宽度，能够防止两条激光熔覆带接触部位熔覆时没有紧密衔接而导致整个激光熔覆的可靠性降低；激光功率越高其熔化合金粉末的速度就越快，对应的送粉速度和步进电机移动的速度就越快，光斑直径就越大，对应的每条激光熔覆带宽度就越宽，激光熔覆的整体效率就越快。
一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆系统，包括激光器系统、送粉机构、激光熔覆头、数控机床、电机和控制器；
激光器系统：通过光纤激光头与所述激光熔覆头连接，实现输出高功率激光光束；
送粉机构：通过软管将合金粉末输入到所述激光熔覆头中实现同步送粉的激光熔覆；
激光熔覆头：安装在数控机床的机床溜板上位于数控机床的正上方，通过实现同步送粉和激光光束输出对还原罐筒体进行激光熔覆；
数控机床：用于承载待激光熔覆的还原罐筒体，并安装有机床溜板；
电机：安装在所述数控机床上，实现带动还原罐筒体旋转和所述激光熔覆头移动；
控制器；与所述电机控制连接，实现控制所述电机旋转以及移动。
所述的电机包括旋转电机和步进电机；所述的旋转电机安装在所述数控机床上，实现带动待激光熔覆的还原罐筒体绕自身轴心旋转；所述的步进电机安装字所述数控机床上，并与所述机床溜板连接带动所述激光熔覆头向左或者向右移动形成激光熔覆带。
所述的送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
以上所述仅为本发明/发明的实施例，并非因此限制本发明/发明的专利范围，凡是利用本发明/发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明/发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：
对还原罐筒体进行预处理；
通过半导体激光光束熔化激光熔覆用的合金粉末在处理后的还原罐筒体上形成激光熔覆层；
对完成激光熔覆的还原罐筒体进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：所述的对还原罐筒体进行预处理的步骤如下：
对还原罐筒体进行清洗确定基体上无污染物以及无杂质包覆，并除去基体表面氧化层；
对还原罐筒体进行表面探伤确定基体无裂纹和气孔缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：通过半导体激光进行激光熔覆，其中熔覆工艺参数包括：激光功率5000～10000W，光斑直径3～6mm，离焦量-80～+80mm，送粉速度1～10g/s，扫描速度30～80mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：所述的合金粉末通过软管置于激光熔覆头的送粉筒中，通过同步送粉进行激光熔覆。
5.根据权利要求4所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：所述的激光熔覆层的形成过程包括：
激光束扫描还原罐筒体通过同步送粉在基体上形成宽度为n的第1条激光熔覆带；
在所述第1条激光熔覆带的左侧或者右侧紧邻着通过激光束扫描形成宽度为n的第二条激光熔覆带；
重复以上步骤直到激光熔覆带完全包覆了整个还原罐筒体需要被激光熔覆的部分。
6.根据权利要求5所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：后一条激光熔覆带与前一条激光熔覆带宽度的位置关系为：后一条激光熔覆带紧邻前一条激光熔覆带并在覆盖前一条激光熔覆带宽度m的基础上形成后一条激光熔覆带。
7.根据权利要求6所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆方法，其特征在于：每条激光熔覆带的宽度n等于激光光束光斑直径宽度；后一条激光熔覆带覆盖前一条激光熔覆带的宽度m与每条激光熔覆带宽度n的关系为：m＝n/10。
8.一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆系统，其特征在于：包括激光器系统、送粉机构、激光熔覆头、数控机床、电机和控制器；
激光器系统：通过光纤激光头与所述激光熔覆头连接，实现输出高功率激光光束；
送粉机构：通过软管将合金粉末输入到所述激光熔覆头中实现同步送粉的激光熔覆；
激光熔覆头：安装在数控机床的机床溜板上位于数控机床的正上方，通过实现同步送粉和激光光束输出对还原罐筒体进行激光熔覆；
数控机床：用于承载待激光熔覆的还原罐筒体，并安装有机床溜板；
电机：安装在所述数控机床上，实现带动还原罐筒体旋转和所述激光熔覆头移动；
控制器；与所述电机控制连接，实现控制所述电机旋转以及移动。
9.根据权利要求8所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆系统，其特征在于：所述的电机包括旋转电机和步进电机；所述的旋转电机安装在所述数控机床上，实现带动待激光熔覆的还原罐筒体绕自身轴心旋转；所述的步进电机安装字所述数控机床上，并与所述机床溜板连接带动所述激光熔覆头向左或者向右移动形成激光熔覆带。
10.根据权利要求8所述的一种基于高功率半导体激光器的激光熔覆系统，其特征在于：所述的送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190118

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