CN112941525A - 一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法 - Google Patents

一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，它包括变位机、丝杠、脉冲激光头、激光喷丸机械臂控制器、激光喷丸机械臂、脉冲激光发生器、连续激光发生器、激光熔覆机械臂、激光熔覆机械臂控制器、工件、连续激光头、加热器、送粉管、送粉装置、直角安装板和连续激光镜片等。激光熔覆机械臂、连续激光头和送粉器等实现在工件表面的激光熔覆过程；加热器保证工件表面的加工温度；激光喷丸机械臂和脉冲激光头实现对工件表面熔覆层的激光喷丸过程。本发明充分将激光喷丸的优势与激光熔覆相结合，能够在激光熔覆之后紧接着进行激光喷丸强化，能够获得工件表面性能优异，同时具有较大表面压应力的熔覆层。

Description

一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆表面强化领域，具体的涉及一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法。
背景技术
激光熔覆技术是提高铝合金表面性能常用的方法，在金属表面强化方面已经得到广泛的应用。以往的研究表明，激光熔覆层中会产生少量裂纹以及微气孔等缺陷，在外力作用下，这些缺陷会产生应力集中，当应力达到一定程度且长时间持续作用时，会导致宏观尺度的裂纹出现，使得熔覆层的强化作用下降，甚至比熔覆前的效果更差，进而导致时间和资源的浪费。
激光喷丸技术原理是利用高功率密度的激光束对材料表面进行辐照所产生的高幅冲击波压力，使材料发生屈服和塑性变形，同时在激光喷丸区域形成残余压应力分布，从而有效地提高金属零件的综合力学性能。激光喷丸的优势在于可以获得更深的残余压应力影响层，更好的试样表面质量。
因此，提供一种能够将激光喷丸强化的优点与激光熔覆过程相结合的装置及方法，从而提高激光熔覆层的综合力学性能和表面质量对于拓展激光熔覆技术的应用具有重大意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够有效提高金属表面熔覆层机械性能和硬度的装置及方法，使激光熔覆后得到的熔覆层具有较高的硬度、较小的表面粗糙度和较大的表面残余压应力。
为了实现上述的目标，本发明以下技术方案予以实现：
一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法主要由变位机、丝杠、脉冲激光头、激光喷丸机械臂控制器、激光喷丸机械臂、脉冲激光发生器、连续激光发生器、激光熔覆机械臂、激光熔覆机械臂控制器、工件、连续激光头、加热器、送粉管、送粉装置、直角安装板、连续激光镜片、加热器电源开关、温度显示板、调温旋钮、能量传输线、温度板、工艺路线、能量吸收层、约束层组成。
所述变位机通过丝杠的转动实现工作台带动加热器和工件在不同工位的转换；所述激光熔覆机械臂控制器通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂按照工艺路线移动；所述连续激光头与激光熔覆机械臂的末端通过直角安装板固定连接；所述加热器固定于工作台上，同时工件与其温度板相接触；所述送粉装置安装于连续激光头的侧面，通过送粉管将其出口与连续激光头的金属粉末进口相连接；所述连续激光发生器将产生的连续激光穿过连续激光镜片到达连续激光头的中心；所述加热器电源开关和调温旋钮用来提供加热器的能量并调节温度值；所述激光喷丸机械臂控制器通过程序控制激光喷丸机械臂的运动；所述脉冲激光头安装于激光喷丸机械臂的末端，脉冲激光发生器产生的激光通过传输线照射到其中心位置；所述能量吸收层和约束层在工件完成激光熔覆过程后覆盖于熔覆层的表面，以提供激光喷完过程的前提条件。
进一步，所述工件在激光熔覆之前通过打磨除锈后并使用丙酮或酒精清洁干净，所述送粉装置通过氩气将金属粉末输送到连续激光头的中心位置，所述加热器在进行激光熔覆的操作之前预先将工件加热到T1的温度值。
进一步，所述金属粉末的焦点位于激光光斑的中心，金属粉末在激光的照射下与工件表层的材料熔合形成熔池。
进一步，所述工件在完成激光熔覆过程后通过变位机将工件移出激光熔覆工位的同时将能量吸收层和约束层依次覆盖于熔覆层的上面，以提供激光喷丸强化的前提条件。
进一步，所述激光喷丸强化过程中，利用加热器上面的调温旋钮将工件加热到T2值的温度，以降低加工过程中的温度梯度，增强激光喷丸的强化效果。
一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，它包括以下步骤：
步骤一：变位机通过丝杠将工作台带动工件移动至连续激光头的下方，采用实验获得的激光功率、光斑大小、送粉量等参数，转动调温旋钮调节加热器的温度值为T1，最后通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂按照S形的工艺路线完成在工件表面的激光熔覆过程；
步骤二：通过变位机将工作台及加热器带动工件从激光熔覆的工位移开，将能量吸收层和约束层依次覆盖于熔覆层的表面，同时调整加热器的温度值为T2；
步骤三：变位机通过丝杠将工作台带动工件移动至脉冲激光头的下方，通过试验获得的光斑大小、光斑搭接率等参数，按照S形的工艺路线在工件表面进行激光喷丸强化处理过程。
本发明取得的有益效果是：
1、本发明利用变位机实现激光熔覆工位与激光喷丸强化工位的相互关联，通过变位机轻松实现在激光熔覆过程之后将工件移动到激光喷丸的工位进行激光喷丸强化过程。这整个过程提高了两个工艺过程的衔接效率，同时加热器的使用能够充分利用激光照射过程中的能量，避免了熔覆层在室温环境下的迅速冷却。
2、本发明充分将激光喷丸强化的优点融入到激光熔覆的工艺过程中，能够在激光熔覆层的表面及时进行激光喷丸过程。该方法能够获得硬度和耐磨性大幅提高的熔覆层，同时熔覆层的表面具有较高的残余压应力，提高工件的疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明连续激光头；
图3为本发明加热器示意图；
图4为本发明加工工艺路线图；
图5为本发明喷丸处理工艺示意图；
图中：1、变位机；2、丝杠；3、脉冲激光头；4、激光喷丸机械臂控制器；5、激光喷丸机械臂；6、脉冲激光发生器；7、连续激光发生器；8、激光熔覆机械臂；9、激光熔覆机械臂控制器；10、工件；11、连续激光头；12、加热器；13、送粉管；14、送粉装置；15、直角安装板；16、连续激光镜片；17、加热器电源开关；18、温度显示板；19、调温旋钮；20、能量传输线；21、温度板；22、工艺路线；23、能量吸收层；24、约束层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1-图5所示，一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法主要由变位机(1)、丝杠(2)、脉冲激光头(3)、激光喷丸机械臂控制器(4)、激光喷丸机械臂(5)、脉冲激光发生器(6)、连续激光发生器(7)、激光熔覆机械臂(8)、激光熔覆机械臂控制器(9)、工件(10)、连续激光头(11)、加热器(12)、送粉管(13)、送粉装置(14)、直角安装板(15)、连续激光镜片(16)、加热器电源开关(17)、温度显示板(18)、调温旋钮(19)、能量传输线(20)、温度板(21)、工艺路线(22)、能量吸收层(23)、约束层(24)组成。
所述变位机(1)通过丝杠(2)的转动实现工作台带动加热器(12)和工件(10)在不同工位的转换；所述激光熔覆机械臂控制器(9)通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂(8)按照工艺路线(22)移动；所述连续激光头(11)与激光熔覆机械臂(8)的末端通过直角安装板(15)固定连接；所述加热器(12)固定于工作台上，同时工件与其温度板(21)相接触；所述送粉装置(14)安装于连续激光头(11)的侧面，通过送粉管(13)将其出口与连续激光头(11)的金属粉末进口相连接；所述连续激光发生器(7)将产生的连续激光穿过连续激光镜片(16)到达连续激光头(11)的中心；所述加热器电源开关(17)和调温旋钮(19)用来提供加热器(12)的能量并调节温度值；所述激光喷丸机械臂控制器(4)通过程序控制激光喷丸机械臂(5)的运动；所述脉冲激光头(3)安装于激光喷丸机械臂(5)的末端，脉冲激光发生器(6)产生的激光通过传输线照射到其中心位置；所述能量吸收层(23)和约束层(24)是进行激光喷丸强化的必需条件，是整个激光喷丸强化过程中必不可少的一部分。
所述工件(10)在激光熔覆之前通过打磨除锈后并使用丙酮或酒精清洁干净，所述送粉装置(14)通过氩气将金属粉末输送到连续激光头(11)的中心位置，由于激光具有很高的能量，所以激光照射的同时会将粉末熔化。
所述加热器(12)在进行激光熔覆的操作之前预先将工件(10)加热到T1的温度值，以降低激光熔覆过程中的温度梯度；所述金属粉末的焦点位于激光光斑的中心，金属粉末在激光的照射下与工件表层的材料熔合形成熔池，以实现金属粉末和工件(10)元素的充分熔合。
所述工件(10)在完成激光熔覆过程后通过变位机(1)将工件(10)移出激光熔覆工位的同时将能量吸收层(23)和约束层(24)依次覆盖于熔覆层的上面，以提供激光喷丸强化的前提条件。
所述激光喷丸强化过程中，利用加热器(12)上面的调温旋钮(19)将工件(10)加热到T2值的温度，以降低工件(10)激光喷丸过程中的温度梯度，增强激光喷丸的强化效果。
一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，它包括以下步骤：
步骤一：变位机(1)通过丝杠(2)将工作台带动工件(10)移动至连续激光头(11)的下方，采用实验获得的激光功率、光斑大小、送粉量等参数，转动调温旋钮(19)调节加热器(12)的温度值为T1，最后通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂(8)按照S形的工艺路线(22)完成在工件(10)表面的激光熔覆过程；
步骤二：通过变位机(1)将工作台及加热器(12)带动工件(10)从激光熔覆的工位移开，将能量吸收层(23)和约束层(24)依次覆盖于熔覆层的表面，同时调整加热器(12)的温度值为T2；
步骤三：变位机(1)通过丝杠(2)将工作台带动工件(10)移动至脉冲激光头(3)的下方，通过试验获得的光斑大小、光斑搭接率等参数，按照S形的工艺路线(22)在工件表面进行激光喷丸强化处理过程。
综上所述，一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，通过上述的装置和操作过程使得激光喷丸强化的优势与激光熔覆相结合，能够获得工件表面力学性能优异，同时具有较大表面压应力的熔覆层。
以上对本发明的具体实施例进行了详细的描述，但只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上所述的具体实施例。

Claims (7)

1.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法主要由变位机(1)、丝杠(2)、脉冲激光头(3)、激光喷丸机械臂控制器(4)、激光喷丸机械臂(5)、脉冲激光发生器(6)、连续激光发生器(7)、激光熔覆机械臂(8)、激光熔覆机械臂控制器(9)、工件(10)、连续激光头(11)、加热器(12)、送粉管(13)、送粉装置(14)、直角安装板(15)、连续激光镜片(16)、加热器电源开关(17)、温度显示板(18)、调温旋钮(19)、能量传输线(20)、温度板(21)、工艺路线(22)、能量吸收层(23)、约束层(24)组成；所述变位机(1)通过丝杠(2)的转动实现工作台带动加热器(12)和工件(10)在不同工位的转换；所述激光熔覆机械臂控制器(9)通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂(8)按照工艺路线(22)移动；所述连续激光头(11)与激光熔覆机械臂(8)的末端通过直角安装板(15)固定连接；所述加热器(12)固定于工作台上，同时工件与其温度板(21)相接触；所述送粉装置(14)安装于连续激光头(11)的侧面，通过送粉管(13)将其出口与连续激光头(11)的金属粉末进口相连接；所述连续激光发生器(7)将产生的连续激光穿过连续激光镜片(16)到达连续激光头(11)的中心；所述加热器电源开关(17)和调温旋钮(19)用来提供加热器(12)的能量并调节温度值；所述激光喷丸机械臂控制器(4)通过程序控制激光喷丸机械臂(5)的运动；所述脉冲激光头(3)安装于激光喷丸机械臂(5)的末端，脉冲激光发生器(6)产生的激光通过传输线照射到其中心位置；所述能量吸收层(23)和约束层(24)是进行激光喷丸强化的必需条件。
2.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于：所述工件(10)在激光熔覆之前通过打磨除锈后并使用丙酮或酒精清洁干净，所述送粉装置(14)通过氩气将金属粉末输送到连续激光头(11)的中心位置。
3.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于：所述加热器(12)在进行激光熔覆的操作之前预先将工件(10)加热到T1的温度值。
4.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于：所述金属粉末的焦点位于激光光斑的中心，金属粉末在激光的照射下与工件表层的材料熔合形成熔池。
5.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于：所述工件(10)在完成激光熔覆过程后通过变位机(1)将工件(10)移出激光熔覆工位的同时将能量吸收层(23)和约束层(24)依次覆盖于熔覆层的上面，以提供激光喷丸强化的前提条件。
6.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于：所述激光喷丸强化过程中，利用加热器(12)上面的调温旋钮(19)将工件(10)加热到T2值的温度，以降低工件(10)加工过程中的温度梯度，增强激光喷丸的强化效果。
7.一种激光喷丸辅助强化激光熔覆层的装置及方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：变位机(1)通过丝杠(2)将工作台带动工件(10)移动至连续激光头(11)的下方，采用实验获得的激光功率、光斑大小、送粉量等参数，转动调温旋钮(19)调节加热器(12)的温度值为T1，最后通过预先编写的程序控制激光熔覆机械臂(8)按照S形的工艺路线(22)完成在工件(10)表面的激光熔覆过程；
步骤二：通过变位机(1)将工作台及加热器(12)带动工件(10)从激光熔覆的工位移开，将能量吸收层(23)和约束层(24)依次覆盖于熔覆层的表面，同时调整加热器(12)的温度值为T2；
步骤三：变位机(1)通过丝杠(2)将工作台带动工件(10)移动至脉冲激光头(3)的下方，通过试验获得的光斑大小、光斑搭接率等参数，按照S形的工艺路线(22)在工件表面进行激光喷丸强化处理过程。
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