CN110614442B - 一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置与方法。包括激光冲击强化系统、PLC控制系统与夹具装置，滚珠丝杠机构与伺服电机相连来调整工件高度，喷水装置给激光冲击强化焊缝时提供流水作为约束层；回转体零件被位于两端的机械手加紧，机械手与步进电机相连可通过PLC控制系统控制转动角度，步进电机下方的转动机构调整工件倾斜角度，使得光斑能冲击到焊缝的不同位置，达到冲击强化的目的。本发明可加工回转体零件范围广，焊缝位置不限，冲击诱导的高温等离子产生高压冲击波作用在焊缝上，可以产生较深的残余应力并细化晶粒，表面产生纳米晶，能够显著提升焊缝的力学性能，延长其使用寿命。

Description

一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工处理技术领域，特制提高回转体焊缝力学性能的装置与方法。

背景技术

焊接是在当今工业领域最为常见的加工方式，按照焊接程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。这些工艺广泛地应用于造船，航空航天，汽车、电子等领域，可见焊接在国民经济中占有很重要的地位。相比普通连接方式大多需要消耗额外的材料，而焊接件可以相对节省15%-20%的材料;对于一些结构比较复杂的工件不能通过铸造、锻造等方法直接加工制成，采用焊接的方式可以大大节省生产周期。

然而焊接件不可避免具有一定的缺陷，由焊接热引起的焊接残余应力、低微观硬度以及粗微观组织的存在大大削弱了焊接件焊缝处的机械性能与耐腐蚀性能等。

传统方法比如轧制、爆炸冲击或热处理等可以用来提高焊接件薄弱区的强度，但这些方法往往不切合实际或者不合乎要求。因此，采用何种类型的新型方法提高焊接处焊缝的力学性能，成为目前技术领域人员亟待解决的问题。

激光冲击强化技术作为一种先进的具有很高效率的高应变强化技术，可以针对工件具体的某个区域进行局部强化，激光照射吸收层爆发出的高能量冲击波可以在基体金属表面

激发出一定深度的残余压应力层，并有效减小或消除焊接件焊缝表面的残余拉应力，同时可以细化焊缝表面及焊缝区域的粗微观组织，抑制裂纹源的产生，大幅提升焊接件焊缝处的机械性能。

一般的企业使使用多轴机械手进行焊接处的激光冲击强化处理，但是该方法定位精度较差，对细长零件的挠度要求较高。在处理细长零件激光冲击时会产生轻微晃动，不利于产生良好的强化效果。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置与方法，用来提高回转体零件的使用寿命与用于更加严苛的工况。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为: 一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置，包括激光发生装置和导轨，导轨右侧装有第一伺服电机，左侧装有第二伺服电机，所述第一伺服电机控制第一工作台在所述导轨上左右运动，所述第二伺服电机控制第二工作台在所述导轨上左右运动；所述第一工作台上连接有第三伺服电机，所述第三伺服电机通过第一联轴器与第一滚珠丝杠机构相连。所述第一滚珠丝杠机构与第一连接板在滚珠螺母上相连；所述第一连接板上装有第一旋转机构；所述第一旋转机构与第一步进电机在底部相连；所述第一步进电机与第一机械手相连；所述第二工作台上连接有第四伺服电机，所述第四伺服电机通过第二联轴器与第二滚珠丝杠机构相连。所述第二滚珠丝杠机构与第二连接板在滚珠螺母上相连；所述第二连接板上装有第二旋转机构；所述第二旋转机构与第二步进电机在底部相连；所述第二步进电机与第二机械手相连。

上述方案中，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第一步进电机、第二步进电机、第一旋转机构、第二旋转机构通过数据连接线与PLC控制系统相连。

上述方案中，激光发生装置包括激光发生器，扩束透镜位于激光发生器的正右侧，用来将入射高能激光扩展为平行激光束；导光系统将所述平行激光束反射到聚焦透镜上，所述聚焦透镜将所述平行激光束聚焦成光斑。

上述方案中，还包括喷水装置。

本发明还提供了一种提高回转体零件焊缝力学性能的方法，包括以下步骤：S1：对回转体工件焊缝处进行清洁处理，去除表面的污垢与毛刺；S2：在焊缝处涂抹硅酸乙酯黑漆，调节好激光器各项参数；S3：待硅酸乙酯黑漆固化之后，通过PLC控制系统控制第一伺服电机与第二伺服电机工作，使得第一工作台与第二工作台相距适合的距离，S4：PLC控制系统控制第三伺服电机与第四伺服电机工作，带动第一滚珠丝杆与第二滚珠丝杆机构上下运动，使得第一连接板与第二连接板保持水平。PLC控制系统控制第一旋转机构与第二旋转机构旋转保持第一机械手与第二机械手保持水平；S5：将回转体工件用第一机械手和第二机械手夹紧，PLC控制系统中的程序控制第一旋转机构与第二旋转机构旋转，控制第三伺服电机与第四伺服电机工作使得第一滚珠丝杆与第二滚珠丝杆机构上下运动配合第一旋转机构和第二旋转机构的旋转，使得回转体工件焊缝处于和激光垂直的平面上；S6：通过PLC控制系统控制第一伺服电机与第二伺服电机工作，使得第一工作台与第二工作台同步运动，将光斑对准焊缝；打开流水装置以流水作为激光冲击强化的约束层；S7：通过PLC控制系统中的程序控制第一伺服电机与第二伺服电机同时工作，使得第一工作台与第二工作台同步运动，使激光从焊缝的左侧边缘从左到右冲击强化，保证运动速度0.5mm/s,通过程序控制光斑的搭接率为50%，当光斑到达右侧边缘，通过PLC控制系统控制第一步进电机与第二步进电机同步顺时针旋转2.5°，通过PLC控制系统程序控制第一伺服电机与第二伺服电机同时工作，使得第一工作台与第二工作台反向同步运动，使激光从焊缝的右侧边缘从右往左冲击强化，保证其他参数不变。依次重复，直至冲击完所有焊缝区域，第一次冲击强化过程结束；S8：关闭激光发生器，关闭喷水装置，取下回转体工件，清理硅酸乙酯黑漆，重新涂覆；重复以上步骤，进行第二次冲击强化；S9：重复以上步骤，进行第三此冲击强化；S10：冲击强化完成之后，用精密砂纸打磨焊缝区域，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度提升。

本发明的有益效果：本发明可加工回转体零件范围广，焊缝位置不限，结构简单，操作便捷，通过多次激光冲击在涂有硅酸乙酯黑漆的焊缝处，诱导的高温等离子产生高压冲击波作用在焊缝上，可以产生较深的残余应力并细化晶粒，表面产生纳米晶，能够显著提升焊缝的力学性能，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是回转体工件示意图。

图中：1.激光发生器；2.扩束透镜；3.平行激光束；4.导光系统；5.聚焦透镜；6.喷水装置；7.回转体工件；8.第一机械手；9.第一滚珠丝杆机构；10.第一步进电机；11.第一旋转机构；12.第一连接板；13.第一联轴器；14.第三伺服电机；15.第一工作台；16.第一伺服电机；17.导轨；18.第四伺服电机；19.第二工作台；20.第二伺服电机；21.第二联轴器；22.第二滚珠丝杆机构；23.第二连接板；24.第二旋转机构；25.第二步进电机；26.PLC控制系统；27.第二机械手；28.数据连接线。

具体实施方式

下面结合附图实例对本发明作进一步详细描述。

本实施例提供的一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置如图1所示，扩束透镜2位于激光发生器1的正右侧，用来将入射高能激光扩展为平行激光束3；导光系统4将所述平行激光束3反射到聚焦透镜5上，所述聚焦透镜5将所述平行激光束3聚焦成光斑。导轨17右侧装有第一伺服电机16，左侧装有第二伺服电机20，所述第一伺服电机16控制第一工作台15在所述导轨17上左右运动，所述第二伺服电机20控制第二工作台19在所述导轨17上左右运动。所述第一工作台15上连接有第三伺服电机14，所述第三伺服电机14通过第一联轴器13与第一滚珠丝杠机构9相连。所述第一滚珠丝杠机构9与第一连接板12在滚珠螺母上相连；所述第一连接板12上装有第一旋转机构11；所述第一旋转机构11与第一步进电机1）在底部相连；所述第一步进电机10与第一机械手8相连；所述第二工作台19上连接有第四伺服电机18，所述第四伺服电机18通过第二联轴器21与第二滚珠丝杠机构22相连。所述第二滚珠丝杠机构22与第二连接板23在滚珠螺母上相连；所述第二连接板23上装有第二旋转机构24；所述第二旋转机构24与第二步进电机25在底部相连；所述第二步进电机25与第二机械手27相连。所述第一伺服电机16、第二伺服电机20、第三伺服电机14、第四伺服电机18、第一步进电机10、第二步进电机25、第一旋转机构11、第二旋转机构24通过数据连接线28与PLC控制系统26相连。

利用该新型提高回转体零件焊缝力学性能的方法如下：S1：对回转体工件7（具体形状见图2所示）焊缝处进行清洁处理，去除表面的污垢与毛刺；S2：在焊缝处涂抹硅酸乙酯黑漆，调节好激光器各项参数；S3：待硅酸乙酯黑漆固化之后，通过PLC控制系统26控制第一伺服电机16与第二伺服电机20工作，使得第一工作台15与第二工作台19相距适合的距离，S4：PLC控制系统26控制第三伺服电机14与第四伺服电机18工作，带动第一滚珠丝杆9与第二滚珠丝杆机构22上下运动，使得第一连接板12与第二连接板23保持水平。PLC控制系统26控制第一旋转机构11与第二旋转机构24旋转，保持第一机械8与第二机械手27保持水平。S5：将回转体工件7用第一机械手8和第二机械手27夹紧，PLC控制系统26中的程序控制第一旋转机构11与第二旋转机构24旋转，控制第三伺服电机14与第四伺服电机18工作使得第一滚珠丝杆9与第二滚珠丝杆机构22上下运动配合第一旋转机构11和第二旋转机构24的旋转，使得回转体工件7处于合适的角度；S6：通过PLC控制系统26控制第一伺服电机16与第二伺服电机20工作，使得第一工作台15与第二工作台19同步运动，将光斑对准焊缝。打开流水装置6以流水作为激光冲击强化的约束层。S7：通过PLC控制系统26中的程序控制第一伺服电机16与第二伺服电机20同时工作，使得第一工作台15与第二工作台19同步运动，使激光从焊缝的左侧边缘从左到右冲击强化，保证运动速度0.5mm/s,通过程序控制光斑的搭接率为50%，当光斑到达右侧边缘，通过PLC控制系统26控制第一步进电机10与第二步进电机25同步顺时针旋转2.5°，通过PLC控制系统26程序控制第一伺服电机16与第二伺服电机20同时工作，使得第一工作台15与第二工作台19反向同步运动，使激光从焊缝的右侧边缘从右往左冲击强化，保证其他参数不变。依次重复，直至冲击完所有焊缝区域，第一次冲击强化过程结束。S8：关闭激光发生器1，关闭喷水装置6，取下回转体工件7，清理硅酸乙酯黑漆，重新涂覆；重复以上步骤，进行第二次冲击强化。S9：重复以上步骤，进行第三此冲击强化，S10：冲击强化完成之后，用精密砂纸打磨焊缝区域，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度提升。

Claims (5)

1.一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置，其特征在于，包括激光发生装置和导轨（17），导轨（17）右侧装有第一伺服电机（16），左侧装有第二伺服电机（20），所述第一伺服电机（16）控制第一工作台（15）在所述导轨（17）上左右运动，所述第二伺服电机（20）控制第二工作台（19）在所述导轨（17）上左右运动；所述第一工作台（15）上连接有第三伺服电机（14），所述第三伺服电机（14）通过第一联轴器（13）与第一滚珠丝杠机构（9）相连；

所述第一滚珠丝杠机构（9）与第一连接板（12）在滚珠螺母上相连；所述第一连接板（12）上装有第一旋转机构（11）；所述第一旋转机构（11）与第一步进电机（10）在底部相连；所述第一步进电机（10）与第一机械手（8）相连；所述第二工作台（19）上连接有第四伺服电机（18），所述第四伺服电机（18）通过第二联轴器（21）与第二滚珠丝杠机构（22）相连；

所述第二滚珠丝杠机构（22）与第二连接板（23）在滚珠螺母上相连；所述第二连接板（23）上装有第二旋转机构（24）；所述第二旋转机构（24）与第二步进电机（25）在底部相连；所述第二步进电机（25）与第二机械手（27）相连。

2.根据权利要求1所述的一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置，其特征在于，所述第一伺服电机（16）、第二伺服电机（20）、第三伺服电机（14）、第四伺服电机（18）、第一步进电机（10）、第二步进电机（25）、第一旋转机构（11）、第二旋转机构（24）通过数据连接线（28）与PLC控制系统（26）相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置，其特征在于，激光发生装置包括激光发生器（1），扩束透镜（2）位于激光发生器（1）的正右侧，用来将入射高能激光扩展为平行激光束（3）；导光系统（4）将所述平行激光束（3）反射到聚焦透镜（5）上，所述聚焦透镜（5）将所述平行激光束（3）聚焦成光斑。

4.根据权利要求1或2所述的一种提高回转体零件焊缝力学性能的装置，其特征在于，还包括喷水装置（6）。

5.一种提高回转体零件焊缝力学性能的方法，包括以下步骤：

S1：对回转体工件（7）焊缝处进行清洁处理，去除表面的污垢与毛刺；

S2：在焊缝处涂抹硅酸乙酯黑漆，调节好激光器各项参数；

S3：待硅酸乙酯黑漆固化之后，通过PLC控制系统（26）控制第一伺服电机（16）与第二伺服电机（20）工作，使得第一工作台（15）与第二工作台（19）相距适合的距离，

S4：PLC控制系统（26）控制第三伺服电机（14）与第四伺服电机（18）工作，带动第一滚珠丝杆（9）与第二滚珠丝杆机构（22）上下运动，使得第一连接板（12）与第二连接板（23）保持水平；

PLC控制系统（26）控制第一旋转机构（11）与第二旋转机构（24）旋转保持第一机械手（8）与第二机械手（27）保持水平；

S5：将回转体工件（7）用第一机械手（8）和第二机械手（27）夹紧，PLC控制系统（26）中的程序控制第一旋转机构（11）与第二旋转机构（24）旋转，控制第三伺服电机（14）与第四伺服电机（18）工作使得第一滚珠丝杆（9）与第二滚珠丝杆机构（22）上下运动配合第一旋转机构（11）和第二旋转机构（24）的旋转，使得回转体工件（7）焊缝处于和激光垂直的平面上；

S6：通过PLC控制系统（26）控制第一伺服电机（16）与第二伺服电机（20）工作，使得第一工作台（15）与第二工作台（19）同步运动，将光斑对准焊缝；打开喷水装置（6）以流水作为激光冲击强化的约束层；

S7：通过PLC控制系统（26）中的程序控制第一伺服电机（16）与第二伺服电机（20）同时工作，使得第一工作台（15）与第二工作台（19）同步运动，使激光从焊缝的左侧边缘从左到右冲击强化，保证运动速度0.5mm/s,通过程序控制光斑的搭接率为50%，当光斑到达右侧边缘，通过PLC控制系统（26）控制第一步进电机（10）与第二步进电机（25）同步顺时针旋转2.5°，通过PLC控制系统（26）程序控制第一伺服电机（16）与第二伺服电机（20）同时工作，使得第一工作台（15）与第二工作台（19）反向同步运动，使激光从焊缝的右侧边缘从右往左冲击强化，保证其他参数不变；

依次重复，直至冲击完所有焊缝区域，第一次冲击强化过程结束；

S8：关闭激光发生器（1），关闭喷水装置（6），取下回转体工件（7），清理硅酸乙酯黑漆，重新涂覆；重复以上步骤，进行第二次冲击强化；

S9：重复以上步骤，进行第三此冲击强化；

S10：冲击强化完成之后，用精密砂纸打磨焊缝区域，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度提升。

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