CN110195225A - 一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置及使用方法，包括工作平台、细长管、激光头、铜镜、激光头支撑体、铜镜支撑体、细长管夹具、伺服电机以及电机固定件；其中，所述的细长管夹具将待加工细长管固定，激光头与铜镜以固定间距在半圆形带滚珠导套的导向作用下一同沿水平方向移动，同时伺服电机控制细长管进行转动，以使预置在细长管内的具有优异耐磨、耐蚀及耐热等性能的熔覆金属层熔化，并与基体形成良好的冶金结合，形成的防腐层与细长管内壁结合强度较传统喷涂方式得到大幅提升，并使细长管内壁防腐层厚度均匀。本发明易于实现自动化，在缩短生产周期的同时减少对环境的污染及对员工健康的影响。

Description

一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于激光熔覆再制造领域，具体涉及一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置及其使用方法。

背景技术

由于细长管内壁空间小不方便进行耐磨处理，通常采用喷枪或者蝶式雾化器，借助于压力或者离心力，分散成均匀而细微的雾滴，施涂于细长管内壁，做纳米陶瓷涂层或镍钨合金涂层。喷涂中的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，不利于人体健康，又浪费涂料，造成经济损失。同时在细长管内壁防腐层的喷涂过程中无法做到整管均匀喷涂，涂层存在脱落等问题。

激光熔覆技术是以高能激光束为热源，将预置或同步供给在基材表面的具有优异耐磨、耐蚀及耐热等性能的涂层材料熔化，并与基体形成良好的冶金结合，从而获得特殊要求的表面改性技术。此技术具有稀释率低、热影响区小、熔覆件扭曲变形小、过程易于实现自动化等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置及其使用方法，以使防腐层与细长管内壁结合强度较传统方式得到提升，并使细长管内壁防腐层厚度均匀。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，包括工作平台以及设于工作平台上的细长管，所述细长管为中空结构，细长管的内壁沿周向设有一层熔覆金属层，还包括激光头、铜镜、激光头支撑体、铜镜支撑体、细长管夹具、伺服电机以及电机固定件；所述激光头和铜镜设于细长管内，激光头和铜镜之间相对设置并留有间隙；所述激光头由激光头支撑体进行支撑，所述的激光头支撑体包括光纤外管和半圆滚珠导套，所述光纤外管的一端与激光头的端部固定连接，光纤外管的另一端伸出所述细长管与激光发射器连接，激光发射器通过光纤外管由所述激光头射出激光束并照射于铜镜表面，所述的半圆滚珠导套固定设于靠近激光头端部的光纤外管上，半圆滚珠导套的周向侧面与熔覆金属层接触并可沿熔覆金属层移动；所述铜镜由铜镜支撑体进行支撑，所述的铜镜支撑体包括冷却水路外管、连接头和半圆滚珠导套，所述冷却水路外管的一端与连接头的一端固定连接，连接头的另一端与铜镜的端部固定连接，冷却水路外管的另一端伸出所述细长管与一外接的冷水源形成冷却水回路，外接冷源通过冷却水路外管对所述铜镜进行冷却，所述的半圆滚珠导套固定设于靠近连接头端部的冷却水路外管上，半圆滚珠导套的周向侧面与熔覆金属层接触并可沿熔覆金属层移动；所述细长管由细长管夹具进行固定，所述的细长管夹具包括三抓卡盘、连接盘、转动轴承底座、轴承套以及轴承套夹具；所述轴承套固定套接于细长管的一端，轴承套外部与轴承套夹具固定连接，轴承套夹具的底部与工作平台固定连接；所述三抓卡盘固定套接于细长管的另一端，三抓卡盘通过轴承固定设于转动轴承底座上，三抓卡盘的一侧与连接盘连接，所述冷却水路外管由连接盘的中心穿出并向外延伸，转动轴承底座的底部与工作平台固定连接，所述连接盘的另一侧与伺服电机的输出轴连接；所述伺服电机通过电机固定件设于工作平台上，伺服电机运行时，所述的连接盘转动进而带动三抓卡盘转动，使得细长管通过半圆滚珠导套围绕所述光纤外管和冷却水路外管进行旋转。

本发明进一步解决的技术问题是，所述半圆滚珠导套由固定件以及半圆导套组成，所述固定件通过螺钉与半圆导套固定连接；所述固定件和半圆导套上设有尺寸相同的半圆形凹槽，所述的固定件与半圆导套相连接时，半圆形凹槽相对设置形成通孔，用于光纤外管或冷却水路外管的穿过固定；所述半圆导套的周向侧面上设有若干滚珠，用于半圆滚珠导套在熔覆金属层上的移动。

本发明进一步解决的技术问题是，所述半圆导套的外径与熔覆金属层的内径一致。

本发明进一步解决的技术问题是，所述冷却水路外管内平行设置有进水管与出水管；所述铜镜位于连接头内的端面处设有冷却隔水板，所述冷却隔水板为空心结构，竖直设置于铜镜的端面处，冷却隔水板由上至下依次设有出水端与进水端，所述进水管与出水管伸入连接头内部分别与冷却隔水板上的进水端与出水端连接，通过外接冷源对所述铜镜进行冷却。

本发明进一步解决的技术问题是，所述铜镜、进水管、出水管和连接头的材质为黄铜。

本发明进一步解决的技术问题是，所述铜镜镜面与水平面的夹角为45°。

本发明进一步解决的技术问题是，所述熔覆金属层由板料卷曲制备，卷曲接触的端面上设有梯形台阶。

本发明进一步解决的技术问题是，所述装置还包括若干滚动支撑座，所述滚动支撑座固定设于工作平台上，沿细长管的两端向远离细长管的方向对称设置；所述滚动支撑座上分别设有冷却水路外管和光纤外管，所述的冷却水路外管和光纤外管可沿滚动支撑座在水平方向进行移动；所述的冷却水路外管和光纤外管进行水平移动时，通过半圆滚珠导套进而带动铜镜和激光头在细长管内进行水平移动；所述激光头和铜镜水平移动的方向一致，且激光头和铜镜水平移动过程中的间隙保持固定。

本发明还进一步保护一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、在非工作状态下，调整激光头的发射端水平，调整铜镜镜面与水平面的夹角为45°，调节光纤外管和冷却水路外管在滚动支撑座上移动，使激光头和铜镜分别处于工作平台两端的上方；

步骤二、向细长管内塞入熔覆金属层，将细长管一端套上轴承套，另一端套入三爪卡盘并固定，调整轴承套在水平方向的位置，使轴承套装夹在轴承套夹具中；

步骤三、将激光头和铜镜分别从细长管的两端伸入细长管内，控制激光头与铜镜之间留有间隙，使得铜镜反射的激光束正好位于熔覆金属层表面；

步骤四、打开激光发射器，接通冷却水源回路，控制激光头和铜镜以固定的间隙在半圆滚珠导套的作用下在细长管内沿同一方向进行水平方向的移动，同时启动伺服电机控制细长管进行转动，以使细长管内壁进行完整的熔覆。

进一步地，步骤二中，所述的熔覆金属层由板料卷曲制备，所述板料包括Inconel718、Ni60和316L中的任一种。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，使用细长管内壁激光熔覆的方法，相较于传统的喷涂方式，本发明所述的激光头与铜镜以固定间距在半圆滚珠导套的导向作用下一同沿水平方向移动，同时伺服电机控制细长管进行转动，以使预置在细长管内的具有优异耐磨、耐蚀及耐热等性能的熔覆金属层熔化，并与基体形成良好的冶金结合，防腐层与细长管内壁结合强度得到提升，细长管内壁防腐层厚度均匀。本发明的装置易于实现自动化，在缩短生产周期的同时减少对环境的污染及对员工健康的影响。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为发明所述细长管内部结构放大图。

图3为本发明所述熔覆金属层截面图。

图4为本发明冷却水路外管与铜镜连接示意图。

图5为本发明所述半圆滚珠导套的结构示意图。

图中序号，1-工作平台、2-细长管、3-熔覆金属层、4-激光头、5-铜镜、6-伺服电机、7-电机固定件、8-滚动支撑座、9-光纤外管、10-半圆滚珠导套、11-激光束、12-冷却水路外管、13-连接头、14-三抓卡盘、15-连接盘、16-转动轴承底座、17-轴承套、18-轴承套夹具、51-冷却隔水板、101-固定件、102-半圆导套、103-螺钉、104-通孔、105-滚珠、121-进水管、122-出水管、301-梯形台阶、511-出水端、512-进水端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。

参见图1-2所示的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，包括工作平台1以及设于工作平台1上的细长管2，所述细长管2为中空结构，细长管2的内壁沿周向设有一层熔覆金属层3，还包括激光头4、铜镜5、激光头支撑体、铜镜支撑体、细长管夹具、伺服电机6以及电机固定件7；所述激光头4和铜镜5设于细长管内，激光头4和铜镜5之间相对设置并留有间隙；所述激光头4由激光头支撑体进行支撑，所述的激光头支撑体包括光纤外管9和半圆滚珠导套10，所述光纤外管9的一端与激光头4的端部固定连接，光纤外管9的另一端伸出所述细长管2与激光发射器连接，光纤外管9内设有光纤，激光发射器通过光纤外管9内的光纤由激光头4射出激光束11并照射于铜镜5表面，所述的半圆滚珠导套10固定设于靠近激光头4端部的光纤外管9上，半圆滚珠导套10的周向侧面与熔覆金属层3接触并可沿熔覆金属层3表面移动；所述铜镜5由铜镜支撑体进行支撑，所述的铜镜支撑体包括冷却水路外管12、连接头13和半圆滚珠导套10，所述冷却水路外管12的一端与连接头13的一端固定连接，连接头13的另一端与铜镜5的端部固定连接，冷却水路外管12的另一端伸出所述细长管2与一外接的冷水源形成冷却水回路，外接冷源通过冷却水路外管12对所述铜镜5进行冷却，所述的半圆滚珠导套10固定设于靠近连接头13端部的冷却水路外管12上，半圆滚珠导套10的周向侧面与熔覆金属层3接触并可沿熔覆金属层3表面移动；所述细长管2由细长管夹具进行固定，所述的细长管夹具包括三抓卡盘14、连接盘15、转动轴承底座16、轴承套17以及轴承套夹具18；所述轴承套17固定套接于细长管2的一端，轴承套17外部与轴承套夹具18固定连接，所述的轴承套夹具18上设有用于放置轴承套17的U型槽，轴承套17卡接于U型槽内进行固定，所述轴承套夹具18的底部与工作平台1固定连接；所述三抓卡盘14固定套接于细长管2的另一端，三抓卡盘14通过轴承固定设于转动轴承底座16上，三抓卡盘14的一侧与连接盘15连接，所述冷却水路外管12由连接盘15的中心穿出并向外延伸，转动轴承底座16的底部与工作平台1固定连接，所述连接盘15的另一侧与伺服电机6的输出轴连接；所述伺服电机6通过电机固定件7设于工作平台1上，伺服电机6运行时，所述的连接盘15转动进而带动三抓卡盘14转动，使得细长管2通过半圆滚珠导套10围绕所述光纤外管9和冷却水路外管12进行旋转；所述装置还包括若干滚动支撑座8，所述滚动支撑座8固定设于工作平台1上，沿细长管2的两端向远离细长管2的方向对称设置，如图1所示，所述滚动支撑座8共设有6组，沿细长管2的两端各对称设有3组；所述滚动支撑座8上分别设有冷却水路外管12和光纤外管9，所述的冷却水路外管12和光纤外管9可沿滚动支撑座8在水平方向进行移动；所述的冷却水路外管12和光纤外管9进行水平移动时，通过半圆滚珠导套10进而带动铜镜5和激光头4在细长管1内进行水平移动；所述激光头4和铜镜5水平移动的方向一致，且激光头4和铜镜5水平移动过程中的间隙保持固定。

参见图5，本实施例中，所述半圆滚珠导套10由固定件101以及半圆导套102组成，所述固定件101通过螺钉103与半圆导套102固定连接，所述的螺钉103为内六角沉头螺钉；所述固定件101和半圆导套102上设有尺寸相同的半圆形凹槽，所述的固定件101与半圆导套102相连接时，半圆形凹槽相对设置形成通孔104，用于光纤外管9或冷却水路外管12的穿过固定，所述的通孔104的孔径略大于与其套接的光纤外管9或冷却水路外管12的外径；所述半圆导套102的周向侧面上设有若干滚珠105，所述的滚珠105沿着半圆导套102的周向侧面均匀等间隔分布，用于半圆滚珠导套10在熔覆金属层3上的移动，这里的移动既包括沿细长管内的水平移动，也包括沿细长管内壁的熔覆金属层3进行的周向移动。

本实施例中，所述半圆导套10的外径与熔覆金属层3的内径一致，当铜镜5和激光头4以一定间距在水平方向上移动时起支撑作用，以保证细长管内熔覆金属层3、铜镜5和激光头4之间的同轴度。

参见图4，本实施例中，所述冷却水路外管12内平行设置有进水管121与出水管122；所述铜镜5位于连接头13内的端面处设有冷却隔水板51，所述冷却隔水板51为空心结构，竖直设置于铜镜5的端面处，冷却隔水板51由上至下依次设有出水端511与进水端512，所述进水管121与出水管122伸入连接头13内部分别与冷却隔水板51上的进水端512与出水端511连接，通过外接冷源对所述铜镜5进行冷却，所述的外接冷源可以是冷水罐和泵的组合，冷水罐中冷水的温度不高于25℃。所述的铜镜5、进水管121、出水管122和连接头13的材质为黄铜，从而提高铜镜的冷却效率。

本实施例中，所述铜镜5镜面与水平面的夹角为45°，以保证经铜镜5反射的激光束11的方向始终与熔覆金属层3垂直，从而提高熔接效果。

参见图3，本实施例中，所述熔覆金属层3由板料卷曲制备，卷曲接触的端面上设有梯形台阶301，以减少在熔覆过程中细长管内壁出现的熔接痕，提高表面熔接的质量。

本发明装置的具体使用过程，包括如下步骤：

步骤一、在非工作状态下，调整激光头4的发射端水平，调整铜镜5镜面与水平面的夹角为45°，调节光纤外管9和冷却水路外管12在滚动支撑座8上移动，使激光头4和铜镜5分别处于工作平台1两端的上方；

步骤二、向细长管2内塞入熔覆金属层3，所述的熔覆金属层3由板料卷曲制备，所述板料采用Inconel 718合金，将细长管2一端套上轴承套17，另一端套入三爪卡盘14并固定，调整轴承套17在水平方向的位置，使轴承套17装夹在轴承套夹具18中；

步骤三、将激光头4和铜镜5分别从细长管2的两端伸入细长管2内，控制激光头4与铜镜5之间留有间隙，使得铜镜5反射的激光束11正好位于熔覆金属层表面；

步骤四、打开激光发射器，接通冷却水源回路，控制激光头4和铜镜5以固定的间隙在半圆滚珠导套10的作用下在细长管2内沿同一方向进行水平方向的移动，同时启动伺服电机6控制细长管2进行转动，确保激光束11在卷曲的熔覆金属层3上呈螺旋渐进运动，使细长管内壁得到完整的熔覆加工。

当待加工的细长管2的直径和长度发生改变时，调整激光头4焦距、轴承套夹具18水平位置及可继续加工。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，包括工作平台(1)以及设于工作平台(1)上的细长管(2)，所述细长管(2)为中空结构，细长管(2)的内壁沿周向设有一层熔覆金属层(3)，其特征在于：还包括激光头(4)、铜镜(5)、激光头支撑体、铜镜支撑体、细长管夹具、伺服电机(6)以及电机固定件(7)；所述激光头(4)和铜镜(5)设于细长管内，激光头(4)和铜镜(5)之间相对设置并留有间隙；所述激光头(4)由激光头支撑体进行支撑，所述的激光头支撑体包括光纤外管(9)和半圆滚珠导套(10)，所述光纤外管(9)的一端与激光头(4)的端部固定连接，光纤外管(9)的另一端伸出所述细长管(2)与激光发射器连接，激光发射器通过光纤外管(9)由所述激光头射出激光束(11)并照射于铜镜(5)表面，所述的半圆滚珠导套(10)固定设于靠近激光头(4)端部的光纤外管(9)上，半圆滚珠导套(10)的周向侧面与熔覆金属层(3)接触并可沿熔覆金属层(3)移动；所述铜镜(5)由铜镜支撑体进行支撑，所述的铜镜支撑体包括冷却水路外管(12)、连接头(13)和半圆滚珠导套(10)，所述冷却水路外管(12)的一端与连接头(13)的一端固定连接，连接头(13)的另一端与铜镜(5)的端部固定连接，冷却水路外管(12)的另一端伸出所述细长管(2)与一外接的冷水源形成冷却水回路，外接冷源通过冷却水路外管(12)对所述铜镜(5)进行冷却，所述的半圆滚珠导套(10)固定设于靠近连接头(13)端部的冷却水路外管(12)上，半圆滚珠导套(10)的周向侧面与熔覆金属层(3)接触并可沿熔覆金属层(3)移动；所述细长管(2)由细长管夹具进行固定，所述的细长管夹具包括三抓卡盘(14)、连接盘(15)、转动轴承底座(16)、轴承套(17)以及轴承套夹具(18)；所述轴承套(17)固定套接于细长管(2)的一端，轴承套(17)外部与轴承套夹具(18)固定连接，轴承套夹具(18)的底部与工作平台(1)固定连接；所述三抓卡盘(14)固定套接于细长管(2)的另一端，三抓卡盘(14)通过轴承固定设于转动轴承底座(16)上，三抓卡盘(14)的一侧与连接盘(15)连接，所述冷却水路外管(12)由连接盘(15)的中心穿出并向外延伸，转动轴承底座(16)的底部与工作平台(1)固定连接，所述连接盘(15)的另一侧与伺服电机(6)的输出轴连接；所述伺服电机(6)通过电机固定件(7)设于工作平台(1)上，伺服电机(6)运行时，所述的连接盘(15)转动进而带动三抓卡盘(14)转动，使得细长管(2)通过半圆滚珠导套(10)围绕所述光纤外管(9)和冷却水路外管(12)进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述半圆滚珠导套(10)由固定件(101)以及半圆导套(102)组成，所述固定件(101)通过螺钉(103)与半圆导套(102)固定连接；所述固定件(101)和半圆导套(102)上设有尺寸相同的半圆形凹槽，所述的固定件(101)与半圆导套(102)相连接时，半圆形凹槽相对设置形成通孔(104)，用于光纤外管(9)或冷却水路外管(12)的穿过固定；所述半圆导套(102)的周向侧面上设有若干滚珠(105)，用于半圆滚珠导套(10)在熔覆金属层(3)上的移动。

3.根据权利要求2所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述半圆导套(10)的外径与熔覆金属层(3)的内径一致。

4.根据权利要求1所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述冷却水路外管(12)内平行设置有进水管(121)与出水管(122)；所述铜镜(5)位于连接头(13)内的端面处设有冷却隔水板(51)，所述冷却隔水板(51)为空心结构，竖直设置于铜镜(5)的端面处，冷却隔水板(51)由上至下依次设有出水端(511)与进水端(512)，所述进水管(121)与出水管(122)伸入连接头(13)内部分别与冷却隔水板(51)上的进水端(512)与出水端(511)连接，通过外接冷源对所述铜镜(5)进行冷却。

5.根据权利要求4所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述铜镜(5)、进水管(121)、出水管(122)和连接头(13)的材质为黄铜。

6.根据权利要求4所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述铜镜(5)镜面与水平面的夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述熔覆金属层(3)由板料卷曲制备，卷曲接触的端面上设有梯形台阶(301)。

8.根据权利要求2所述的一种适用于细长管内壁激光熔覆的装置，其特征在于：所述装置还包括若干滚动支撑座(8)，所述滚动支撑座(8)固定设于工作平台(1)上，沿细长管(2)的两端向远离细长管(2)的方向对称设置；所述滚动支撑座(8)上分别设有冷却水路外管(12)和光纤外管(9)，所述的冷却水路外管(12)和光纤外管(9)可沿滚动支撑座(8)在水平方向进行移动；所述的冷却水路外管(12)和光纤外管(9)进行水平移动时，通过半圆滚珠导套(10)进而带动铜镜(5)和激光头(4)在细长管(1)内进行水平移动；所述激光头(4)和铜镜(5)水平移动的方向一致，且激光头(4)和铜镜(5)水平移动过程中的间隙保持固定。

9.权利要求8所述的适用于细长管内壁激光熔覆的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在非工作状态下，调整激光头(4)的发射端水平，调整铜镜(5)镜面与水平面的夹角为45°，调节光纤外管(9)和冷却水路外管(12)在滚动支撑座(8)上移动，使激光头(4)和铜镜(5)分别处于工作平台(1)两端的上方；

步骤二、向细长管(2)内塞入熔覆金属层(3)，将细长管(2)一端套上轴承套(17)，另一端套入三爪卡盘(14)并固定，调整轴承套(17)在水平方向的位置，使轴承套(17)装夹在轴承套夹具(18)中；

步骤三、将激光头(4)和铜镜(5)分别从细长管(2)的两端伸入细长管(2)内，控制激光头(4)与铜镜(5)之间留有间隙，使得铜镜(5)反射的激光束(11)正好位于熔覆金属层表面；

步骤四、打开激光发射器，接通冷却水源回路，控制激光头(4)和铜镜(5)以固定的间隙在半圆滚珠导套(10)的作用下在细长管(2)内沿同一方向进行水平方向的移动，同时启动伺服电机(6)控制细长管(2)进行转动，以使细长管内壁进行完整的熔覆。

10.根据权利要求9所述的适用于细长管内壁激光熔覆的装置的使用方法，其特征在于：步骤二中，所述的熔覆金属层(3)由板料卷曲制备，所述板料包括Inconel 718、Ni60和316L中的任一种。