CN116121746B - 一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，该装置可通过激光熔覆、滚压强化、热处理、冷处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，解决了激光熔覆改性设备布置分散，结构繁琐，功能单一的问题。可利用激光头的熔覆与滚压头的滚压交替顺序作用实现对金属零件的激光熔覆与滚压强化的复合高效制造，可通过控制冷热盘及氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，实现对不同形状复杂曲面的冷热处理；通过温度控制系统，调控冷热腔的热氮或液氮的喷射量，实现精准温控下的冷热处理；可通过热氮的可调控喷射实现对金属零件的精准温控热处理，将热处理与滚压工艺组合，实现中高温环境下的滚压强化。

Description

一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种可用于板类、轴类及具有复杂表面特征的金属零件的表面改性或修复、滚压与冷热处理协同改性的复合装置。

背景技术

激光熔覆技术是一种先进的材料表面改性技术，它是以激光为热源，将填充材料和基材表面一起熔凝，在基材表面形成与其冶金结合的熔覆层，从而显著改善其表面耐磨、耐蚀、耐热等性能的工艺。该技术可对局部易破损的零部件进行表面强化及修复，以延长其使用寿命，有利于降低成本，提高效益。与其他表面强化技术相比，激光熔覆技术具有能量密度高，加热速度快，对基材的热影响区域小，引起的工件热变形小，冷却速度快，涂层晶粒细小，组织致密，涂层与基体结合强度高，材料选择性广等优点，已被用于航空航天、矿山机械、石油化工、汽车船舶、轨道交通等领域。

然而，由于激光熔覆技术本身“急热骤冷”的特点，在熔覆过程中易形成过大的温度梯度，进而导致熔覆层中存在较大的残余应力，具有较高的开裂敏感性和组织不均匀性。为减少热应力的产生，在激光熔覆前后，通常都会进行预热、滚压等改性处理，现有的激光熔覆改性设备不但布置分散，结构繁琐，而且适用范围与改善效果都有很大局限性。对于预热，一方面，当前的预热措施普适性较差，无法满足不同尺寸或不同形状工件的预热，另一方面当前的预热措施无法控制预热温度或控制精度不高，能量利用率低，降低残余应力的效果不明显；对于滚压，现有滚压工艺不但结构繁琐，而且普适性较差，只能滚压轴类或板类零件，无法满足复杂表面的滚压，另外，室温条件下对高硬度熔覆层的效果不显著，增加挤压力又易造成熔覆层的过度硬化和开裂，极大限制了滚压的效果和使用范围。

朱剑，张常胜，沈学会等，超声滚压和热处理协同强化铁基合金激光熔覆层性能研究[J]，电加工与模具，2022年第3期，公开了一种熔覆层后处理工艺方法，该方法中的加热方式为利用卤素灯加热，加热温度及加热工件的尺寸非常有限，加热温度难以控制，能量利用率低,且该方法中的滚压装置只能滚压平面，无法对复杂曲面进行滚压，另外该方法还存在结构繁琐，操作复杂等不足。

发明内容

为了实现金属零件的激光熔覆与改性处理的高度复合作业、提高改性处理的功能集成性及适用范围、提高激光熔覆的表面改性质量，本发明提供了一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，主要具有以下功能：1、实现普通金属零件或具有复杂曲面特征的金属零件的激光熔覆-滚压的顺序交替作用；2、实现对普通形状或具有复杂曲面特征的零件进行精准温控下的冷热处理；3、实现精准温控环境下的热处理与激光熔覆的协同改性或热处理与滚压强化的协同改性；4、实现对普通形状或具有复杂曲面特征的零件精准温控环境下的表面淬火、回火等热处理。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明提出的可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，包括工具头转换模块，所述的工具头转换模块包括转动盘和固定盘，所述的转动盘与固定盘之间转动连接，在所述的转动盘上设置第一接口和第二接口，第一接口与激光熔覆模块相连，第二接口与滚压模块连接，在滚压工具头的外圈设置冷热处理模块，所述的冷热处理模块包括转动安装在滚压工具头壳体上的冷热盘，所述的冷热盘包括盘座、热氮装置和冷氮装置，在盘座的外圈设置多个与盘座铰接的型腔链，型腔链可绕盘座中心转动，整体可呈圆形辐射状布置，也可组成矩形等其他盘形，每个型腔链包括多个依次铰接的型腔，每个型腔底为针孔面板，面板上布有温度传感器；冷热盘的形状能根据零件的形状进行调整，型腔链分别与热氮装置、冷氮装置相连通。

作为进一步的技术方案，所述的激光熔覆模块包括喷嘴、激光头和送粉管，所述的喷嘴与激光头相连，送粉管位于激光头的外圈；所述的激光头驱动模块驱动激光熔覆头上下移动，实现激光头工作位置与非工作位置的固定。

作为进一步的技术方案，所述的激光熔覆模块还包括光纤、冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管、光纤激光器、送粉器，其中光纤激光器通过光纤与激光头上端相连，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头下端连接冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管，第一送粉管和第二送粉管外接送粉器，实现同步送粉。

作为进一步的技术方案，所述的激光头驱动模块包括液压缸、活塞、导杆，三个部件同处于一轴线，活塞与导杆上端固连，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，实现导杆与激光头同步运动。

作为进一步的技术方案，所述的滚压模块包括滚压杆、滚压球，滚压杆下端安装滚压球，液压控制系统根据设定压力控制滚压杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，从而实现恒压滚压。

作为进一步的技术方案，所述的滚压模块还包括壳体、上位机、电液伺服阀、液压缸、活塞、导杆，液压缸与壳体上端内面固连，导杆一端与活塞固连，另一端与滚压杆连接，滚压杆下端安装滚压球，实现导杆与滚压球同步运动，滚压杆内设压力传感器，根据上位机设定的滚压力与压力传感器反馈的信号通过电液伺服阀调控液压缸导杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，直至对零件表面的滚压力到达设定压力。

作为进一步的技术方案，所述的工具头转换模块还包括电机、蜗杆、蜗轮，其中电机安装在固定盘内壁上，电线通过固定盘上的小孔外接电源，蜗杆与电机连接作为其输出轴，蜗轮与转动盘做成一体，电机输出动力带动蜗杆转动并通过蜗杆蜗轮的啮合带动转动盘转动，实现工具头的切换。

作为进一步的技术方案，所述的热氮装置，包括氮气加热器、热氮环形管、热氮管、热氮喷管和氮气罐，其中，氮气加热器与氮气罐连接，热氮环形管设置在壳体外圈，热氮环形管与氮气加热器之间通过热氮管相连，沿着热氮环形管的圆周方向设置与其连通的热氮喷管，热氮喷管与所述的冷热盘相连通。

作为进一步的技术方案，所述的冷氮装置，包括冷氮环形管、冷氮管、冷氮喷管和液氮罐，所述的液氮罐与冷氮管相连，冷氮管与冷氮环形管相连，冷氮环形管设置在壳体外圈，沿着冷氮环形管的圆周方向设置与其连通的冷氮喷管，冷氮喷管与所述的冷热盘相连通。

作为进一步的技术方案，在所述的冷氮喷管、热氮喷管上还安装有分开关及温控阀，温控阀与温度传感器、上位机连接，根据上位机设定温度与温度传感器反馈信号通过温控阀调控输入每个腔内的液氮温度。

本发明可通过激光熔覆、滚压、冷处理、热处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，协同提高表面强化或修复的质量，包括激光熔覆模块、滚压模块、工具头转换模块、冷热处理模块。所述的工具头转换模块的固定盘与机械臂连接，所述的转动盘固连两个法兰接口，分别与激光熔覆头和滚压工具头连接，转动盘通过绕固定盘转动，实现工作工具头的切换，该结构可实现工作工具头与机械臂同轴线，进而实现机械臂与工作工具头的同步运动；所述的滚压模块包括滚压杆、滚压球，滚压杆下端安装滚压球，液压控制系统根据设定压力控制滚压杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，从而实现恒压滚压；所述的冷热处理模块通过将热氮或液氮可调控地喷射到金属零件表面完成对零件精准温控下的热处理或冷处理。

本发明有益效果如下：

1、本发明设计了一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，该装置可通过激光熔覆、滚压、冷处理、热处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，可协同提高表面强化或修复的质量，解决了现有的激光熔覆改性设备布置分散，结构繁琐，功能单一的问题，同时本发明可对不同形状的复杂曲面进行热处理与冷处理，热氮喷管、液氮喷管采用万向竹节蛇形管，其可以实现任意方向活动与弯曲，具有节能环保、运动灵活的优点，可通过手动控制热氮喷管、液氮喷管的弯曲形状，冷热盘采用可折叠组合型链板腔组，冷热盘的盘座与壳体通过螺纹连接，通过螺纹可调节冷热盘距离零件表面的高度，冷热盘的盘腔与盘座之间，盘腔与盘腔之间用转轴连接，可通过手动转动盘腔调节链板腔的折叠角度控制冷热盘的形状，通过控制冷热盘及热氮喷管、液氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，以适应不同形状零件的复杂曲面。

2、本发明集激光熔覆与滚压于一体，通过工具头转换模块带动工具头转换实现激光熔覆与滚压的交替顺序作用，利用激光熔覆头对金属零件进行表面强化或修复，利用滚压工具头普通表面或复杂曲面熔覆层进行滚压，该装置结构紧凑，不受场地限制，灵活方便，可实现对零件表面的复合高效改性，简化了加工步骤，缩短了制造时间成本。

3、本发明可进行精准温控下的热处理与冷处理。氮气加热器将来自氮气罐的氮气加热，提供金属零件热处理所需的热氮，热氮可通过热氮环形管与热氮喷管进入冷热盘腔，通过冷热盘将热氮喷射到金属零件表面完成对零件表面的热处理，冷热盘盘底针孔面板上布有温度传感器，热氮喷管上安装有温控阀，温度传感器、热氮喷管温控阀及上位机相连接，根据上位机设定的温度及温度传感器的反馈信号，通过热氮喷管温控阀调控输入每个腔的热氮量，实现精准温控下的热处理；液氮压力容器外接液氮罐，液氮罐提供金属零件冷却所需的液氮，液氮可通过液氮环形管与液氮喷管进入冷热盘腔，通过冷热盘将液氮喷射到金属零件表面完成对零件表面的冷处理，液氮喷管上安装有温控阀，冷热盘针孔面板上的温度传感器、液氮喷管温控阀及上位机相连接，根据上位机设定的温度及温度传感器的反馈信号，通过液氮喷管温控阀调控输入每个盘腔的液氮量，实现精准温控下的冷处理。

5、本发明可通过热氮与液氮的可调控喷射交替实现精准温控热处理与冷处理，实现金属零件精准温控下的表面淬火功能，解决了淬火加热过程易过热、冷却温度难控制的问题，与传统淬火工艺相比，成本低，节能环保，安全无污染，灵活方便，可满足不同尺寸或具有复杂曲面特征的零件的表面淬火处理。

6、本发明可进行精准温控热处理与滚压强化协同改性，将热处理与滚压工艺组合，实现中高温环境下的滚压强化。预热后滚压，造成更多的位错累积和更好的晶粒细化效果，材料变形抗力减小，降低了材料变形难度，从而增大材料在滚压中的塑性变形，对提高熔覆层组织和表面性能效果最显著，解决滚压在室温条件下对熔覆层的改性效果不显著，又易造成熔覆层过度硬化和开裂的问题。

7、本发明提出的工具头转换装置，固定盘与机械臂连接，转动盘固连两个法兰接口，分别与激光熔覆头和滚压工具头连接，内置电机提供动力驱动转动盘绕固定盘转动，实现工作工具头的自动切换，实现加工工艺的快速转换，该结构可实现选用工作工具头与机械臂同轴线，进而实现机械臂与工作工具头的同步运动，工作工具头作业时的运动路径通过机械臂直接控制，保证了工具头的可控性和工作的精确度。

8、本发明提出的滚压工具头，通过液压缸、活塞、导杆、电液伺服阀等组成的液压伺服系统，实现恒压力滚压，可以满足板类、轴类、球类及其他复杂表面的随动滚压需求，不受零件形状限制，大大提高了滚压适应性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置激光熔覆时示意图；

图2为一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置滚压时示意图；

图3为一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置复杂曲面冷热处理时示意图；

图4为一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置轴类零件中温滚压时意图；

图5为一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置轴类零件表面淬火时示意图；

图6为激光熔覆模块示意图；

图7为激光头驱动模块示意图；

图8为工具头转换模块示意图；

图9为滚压模块示意图；

图10为冷热处理模块示意图；

图11为冷热盘呈辐射状的结构示意图；

图12为图11的A-A剖视图；

图13为冷热盘呈矩形状的结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1激光熔覆模块、101光纤、102激光头、103冷却水管、104喷嘴、105保护气管、106第一送粉管、107第二送粉管；

2激光头驱动模块、201液压缸、202活塞、203导杆；

3工具头转换模块、301转动盘、302蜗轮、303固定盘、304销轴、305电机、306钢珠、307蜗杆、307紧固螺母、308调节螺母；

4滚压模块、401壳体、402液压缸、403活塞、404电液伺服阀、405导杆、406滚压杆、407滚压球；

5冷热处理模块、501冷热盘、502液氮压力容器、503液氮管、504液氮管总开关、505氮气加热器、506热氮管、507热氮管总开关、508热氮环形管、509液氮环形管、510热氮喷管、511热氮喷管开关、512热氮喷管温控阀、513液氮喷管、514液氮喷管开关、515液氮喷管温控阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，该装置可通过激光熔覆、滚压、热处理、冷处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，解决了激光熔覆改性设备布置分散，结构繁琐，功能单一的问题。可利用激光头的熔覆与滚压头的滚压的交替顺序作用实现对金属零件的激光熔覆与滚压强化的复合高效制造，可广泛应用于板类、轴类、球类及具有复杂曲面特征的金属零件的表面改性或修复及改性处理；可通过控制冷热盘及氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，实现对不同形状复杂曲面的冷热处理，通过温度控制系统，调控冷热腔的热氮或液氮的喷射量，实现精准温控下的冷热处理；可通过热氮的可调控喷射实现对金属零件的精准温控热处理，将热处理与滚压工艺组合，实现中高温环境下的滚压强化，增大材料在滚压中的塑性变形，提高熔覆层组织和表面性能的改善效果，解决滚压在室温条件下对熔覆层的改性效果不显著，又易造成熔覆层过度硬化和开裂的问题；可通过热氮与液氮的可调控喷射交替实现精准温控热处理与冷处理，实现零件精准温控下的表面淬火功能，解决了淬火加热过程易过热、冷却温度难控制的问题。

下面结合附图1—图10对本发明进行详细说明，具体的结构如下：本发明公开了一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，可通过激光熔覆、滚压、冷处理、热处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，协同提高表面强化或修复的质量，包括激光熔覆模块1、激光头驱动模块2、工具头转换模块3、滚压模块4、冷热处理模块5；

具体的，所述的激光熔覆模块包括喷嘴、激光头和送粉管，所述的喷嘴与激光头相连，送粉管位于激光头的外圈；所述的激光头驱动模块驱动激光熔覆头上下移动，实现激光头工作位置与非工作位置的固定；所述的工具头转换模块主要包括固定盘、转动盘，所述的固定盘与机械臂连接，所述的转动盘固连两个法兰接口，分别与激光熔覆头和滚压工具头连接，转动盘通过绕固定盘转动，实现工作工具头的切换，该结构可实现工作工具头与机械臂同轴线，进而实现机械臂与工作工具头的同步运动；所述的滚压模块包括滚压杆、滚压球，滚压杆下端安装滚压球，液压控制系统根据设定压力控制滚压杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，从而实现恒压滚压；所述的冷热处理模块通过将热氮或液氮可调控地喷射到金属零件表面完成对零件精准温控下的热处理或冷处理。

下面结合具体附图，对上述装置的各个模块进行具体说明：

如图6所示，本实施例中的激光熔覆模块1包括光纤101、激光头102、冷却水管103、喷嘴104、保护气管105、第一送粉管106、第二送粉管107、光纤激光器(图中未画出)、送粉器(图中未画出)，其中光纤101与激光头102上端相连，外接光纤激光器，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头102下端连接冷却水管103、保护气管105、第一送粉管106、第二送粉管107，第一送粉管106和第二送粉管107外接送粉器，实现同步送粉，喷嘴104与激光头102相连，可以实现激光-送粉同轴作业。

如图7所示，本实施例中的激光头驱动模块2包括液压缸201、活塞202、导杆203，三个部件同处于一轴线，液压缸201与壳体上端内面通过螺栓固连，活塞202与导杆203上端通过焊接固连，导杆203下端与激光头102上端面中间位置通过螺栓固连，实现导杆203与激光头102同步运动。活塞202的直线运动带动导杆203做直线运动，实现激光头102往复直线运动。液压缸201有两个工作位置，即活塞伸出位置与活塞缩回位置，从而实现激光头102工作位置与非工作位置的固定。

如图8所示，本实施例中的工具头转换模块3包括转动盘301(蜗轮302)、固定盘303(销轴304)、电机305、钢珠306、蜗杆307、紧固螺母308、调节螺母309，其中固定盘303与机械臂通过法兰连接，转动盘301固连两个法兰接口，分别与激光熔覆头1和滚压工具头4连接，固定盘303与销轴304一体，销轴304上加工有螺纹，固定盘303与转动盘301通过销轴304与紧固螺母308的螺纹连接方式连接，调节螺母309套在销轴304上，用于调节固定盘303与转动盘301之间的松紧度，转动盘301通过绕其轴线转动，实现工作工具头的转换，钢珠306安装在固定盘303与转动盘301之间，使两者转动平稳，轻巧，电机305通过螺栓固定在固定盘303内壁上，电线通过固定盘303上的小孔外接电源，蜗杆307与电机305连接作为其输出轴，蜗轮302与转动盘301做成一体，电机305输出动力带动蜗杆307转动并通过蜗杆307、蜗轮302的啮合带动转动盘转动，实现激光熔覆头或滚压工具头的切换，该结构可实现工作工具头与机械臂同轴线，进而实现机械臂与工作工具头的同步运动，利用蜗轮蜗杆结构可实现减速增扭、结构自锁，防止转动盘301反转。

如图9所示，本实施例中的滚压模块4包括壳体401、液压缸402、活塞403、电液伺服阀404、导杆405、滚压杆406、滚压球407、上位机(未画出)，其中液压缸402、活塞403、导杆405、滚压杆406同处于一轴线，液压缸402与壳体401上端内面通过螺栓固连，导杆405一端与活塞403固连，另一端与滚压杆406连接，滚压杆406下端安装滚压球407，实现导杆406与滚压球407同步运动，在滚压杆406内设压力传感器，压力传感器、电液伺服阀404与上位机互连，根据上位机设定的滚压力与压力传感器反馈的信号通过电液伺服阀404调控液压缸导杆405的伸缩，带动滚压球407的轴向移动，直至滚压力到达设定压力，从而实现跟随零件表面轮廓的恒压滚压

如图10所示，本实施例中的冷热处理模块5设置在滚压模块4的外圈，包括冷热盘501、液氮压力容器502、液氮管503、液氮管总开关504、氮气加热器505、热氮管506、热氮管总开关507、热氮环形管508、液氮环形管509、热氮喷管510、热氮喷管开关511、热氮喷管温控阀512、液氮喷管513、液氮喷管开关514、液氮喷管温控阀516、上位机(图中未画出)、液氮罐和氮气罐(图中未画出)，其中氮气加热器505与氮气罐连接，将来自氮气罐的氮气加热，提供金属零件热处理所需的热氮，热氮环形管508通过热氮管506与氮气加热器505连接，冷热盘501包括盘座、型腔链,型腔链布置在盘座的外圈，型腔链可绕盘座中心转动，可呈圆形辐射状布置(如图11、图12所示)，也可组成矩形等其他盘形(如图13所示)，每个型腔链包括多个依次铰接的型腔，每个型腔上均留有热氮接口和液氮接口，冷热盘501的盘底设针孔面板，热氮喷管510周向均匀布置于壳体401外侧，上端与热氮环形管508连通，下端与冷热盘501的各个型腔体连通，热氮可通过环形管508及热氮喷管510进入冷热盘501的各个型腔体内，开启热氮管总开关507和热氮喷管开关511，通过冷热盘501将热氮喷射到金属零件表面完成对零件表面的热处理，冷热盘501盘底针孔面板上布有温度传感器，热氮喷管510上安装有热氮喷管开关511和热氮喷管温控阀512，温度传感器、热氮喷管温控阀511及上位机相连接，根据上位机设定的温度及温度传感器的反馈信号，通过热氮喷管温控阀511调控输入每个腔的热氮量，实现精准温控下的热处理；

液氮压力容器502通过连接杆与壳体固连，上端外接液氮罐，液氮罐提供金属零件冷却所需的液氮，液氮压力容器502可以给来自液氮罐的液氮加压压入液氮环形管509及液氮喷管513，同时可以储存一定容量的液氮，液氮环形管509通过液氮管503与液氮压力容器502连通，其内圈外壁通过四个周向均匀布置的相同连接杆与壳体401固接，与壳体401同轴，液氮喷管513周向均匀布置于壳体401外侧，上端与液氮环形管509连通，下端与冷热盘501的各个型腔连通，液氮可通过环形管509与液氮喷管513进入冷热盘501的各个型腔体，开启液氮管总开关504和液氮喷管开关514，通过冷热盘501将液氮喷射到金属零件表面完成对零件表面的冷处理，液氮喷管513上安装有液氮喷管开关514和液氮喷管温控阀515，冷热盘501针孔面板上的温度传感器、液氮喷管温控阀511及上位机相连接，根据上位机设定的温度及温度传感器的反馈信号，通过液氮喷管温控阀511调控输入每个盘腔的液氮量，实现精准温控下的冷处理。

热氮喷管510、液氮喷管513采用万向竹节蛇形管，其可以实现360°任意方向活动与弯曲，可通过手动控制热氮喷管510、液氮喷管513的弯曲形状。

本实施例中的冷热盘501的型腔链采用可折叠组合型链板腔组，型腔链可绕盘座中心转动，可呈圆形辐射状布置，也可组成矩形等其他盘形，冷热盘501的盘座与壳体401通过螺纹连接，通过螺纹可调节冷热盘501距离零件表面的高度，冷热盘501的型腔链与盘座之间转动连接，型腔链的相邻型腔之间铰接，可通过手动转动型腔链和调节型腔链的折叠角度控制冷热盘501的形状，通过控制冷热盘501及热氮喷管510、液氮喷管513的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，以适应不同形状零件的复杂曲面，通过温度控制系统，调控冷热盘的氮气喷洒量，实现精准温控下的冷热处理。

本实施案例中，激光熔覆头作业时，通过工具头转换模块将激光熔覆工具头选为工作工具头，转换结构可实现工作工具头与机械臂同轴，实现工作工具头与机械臂的同步运动，激光熔覆头作业时的运动路径通过机械臂直接控制，保证激光头工作的精确度，激光头驱动模块中活塞的运动带动导杆沿中心轴线的运动，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，实现导杆与激光头的同步运动，液压缸有两个工作位置，即活塞伸出位置与活塞缩回位置，从而实现激光头工作位置与非工作位置的固定，活塞伸出时，激光头沿中心轴线运动到最下端进入工作位置，准备对金属零件进行激光熔覆，保持零件位置不变，规划熔覆路径，确定激光功率、扫描速度和送粉量，通过控制机械臂带动激光头按熔覆路径对零件进行激光熔覆，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在零件表面熔融沉积，进而加工出熔覆层，待激光熔覆完成后，活塞缩回带动激光头返回非工作位置，完成一次激光熔覆。熔覆前后，可通过冷热处理模块对金属零件进行热氮或液氮的可调控喷射，实现熔覆前后的精准温控下的冷热处理。

电机通过螺栓内装于固定盘，通过蜗杆与蜗轮啮合传递动力带动转动盘旋转运动，从而实现工具头的切换；电机带动转动盘将工作工具头切换成滚压工具头，通过蜗轮蜗杆的自锁可实现工具头位置的固定，转换结构可实现工作工具头与机械臂同轴，实现工作工具头与机械臂的同步运动，滚压工具头作业时的运动路径通过机械臂直接控制，保证滚压工具头工作的精确度，滚压工具头作业时的滚压力由上位机及电液伺服阀通过液压缸控制，保证滚压工具头的恒定滚压力。滚压工具头沿中心轴线运动到最下端进入工作位置，准备对金属零件熔覆层进行滚压，通过控制液压缸带动工具头按设定滚压力沿零件表面轮廓对熔覆层进行恒压滚压，完成一次滚压强化加工。加工过程中，可通过冷热处理模块对金属零件进行热氮或液氮的可调控喷射，实现滚压前后的精准温控下的冷热处理及各种温控下的滚压协同改性。

冷热处理模块可进行冷处理或热处理。热处理时，氮气加热器与氮气罐连接，将氮气加热，提供金属零件热处理所需的热氮，热氮环形管通过热氮管与氮气加热器连通，其内圈外壁外壳体固接，热氮喷管周向均匀布置于壳体外侧，上端与环形管连通，下端与冷热盘连通，冷热盘采用可折叠链板型腔组，盘底设针孔面板，面板上布有温度传感器，传感器与氮喷管上的温控阀及上位机连接，热氮可通过环形管及热氮喷管进入冷热盘腔，并根据设定温度利用温控阀调控输入每个腔的热氮量，通过冷热盘将热氮喷射到金属零件表面完成对零件表面的精准温控下的热处理；冷处理时，液氮压力容器外接液氮罐，将来自液氮罐的液氮加压压入环形管及液氮喷管，同时可以储存一定容量的液氮，壳体外侧周向均匀布置的液氮喷管，上端与环形管连通，下端与冷热盘连通，液氮可通过环形管与液氮喷管进入冷热盘腔，通过冷热盘将液氮喷射到金属零件表面，实现对零件表面的低温处理；氮喷管采用万向竹节蛇形管，可通过手动控制氮喷管的弯曲形状，冷热盘采用可折叠组合型链板腔组，可通过手动控制链板腔的折叠角度控制冷热盘的形状，通过控制冷热盘及氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，实现对不同形状复杂曲面的冷热处理，通过温度控制系统，调控冷热腔的氮气喷射量，实现精准温控下的冷热处理。

电机转动控制工具头位置，通过电机转动控制工作工具头的切换从而实现激光熔覆头与滚压工具头的作业配合，进而实现对需进行表面强化或修复的金属零件如碗状复杂薄壁件进行激光熔覆、滚压强化、冷热处理等改性工艺的顺序复合高效加工。

实施案例一：

以具有复杂曲面特征的碗状复杂薄壁件为例详细说明本发明对复杂表面熔覆—滚压复合制造的具体过程。

1、根据该碗状复杂薄壁件的熔覆要求，将薄壁件复杂表面划分为熔覆区域与无需熔覆区域；

2、将零件置于工作台夹具上固定；

3、启动电机将激光熔覆工具头切换为工作工具头；

4、控制液压缸活塞运动使激光头由非工作位置运动到工作位置；

5、通过控制机械臂带动激光头按熔覆路径对零件进行激光熔覆再制造，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在零件上熔融沉积，直至在零件上加工出熔覆层；

6、激光熔覆再制造停止后，控制液压缸活塞运动使激光头由工作位置运动到非工作位置；

7、碗状复杂薄壁件熔覆完成，启动电机将滚压工具头切换为工作工具头；

8、控制液压缸活塞运动使滚压工具头由非工作位置运动到工作位置；

9、保持熔覆后的薄壁件原位固定，通过控制机械臂运动带动滚压工具头按设定滚压力对熔覆层进行恒压滚压加工，直至滚压完成；

10、滚压完成后，控制液压缸活塞运动使滚压工具头由工作位置运动到非工作位置。

实施案例二：

以具有复杂曲面特征的碗状复杂薄壁件为例详细说明本发明对复杂曲面熔覆前预热处理及熔覆的具体过程。

1、根据该碗状复杂薄壁件的再制造要求，将薄壁件复杂表面划分为熔覆区域与无需熔覆区域；

2、将零件置于工作台夹具上固定；

3、启动电机将滚压工具头切换为工作工具头；

4、控制液压缸活塞运动使滚压工具头由工作位置运动到非工作位置；

5、通过转动冷热盘座控制冷热盘距离金属表面的高度，通过手动控制链板腔的折叠角度控制冷热盘的形状，通过控制冷热盘的高度及冷热盘、氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，通过温度控制系统，调控冷热腔的氮气喷洒量，直至零件表面达到预热温度，完成精准温控下的预热处理；

6、碗状复杂薄壁件预热完成后，启动电机将熔覆工具头切换为工作工具头；

7、控制液压缸活塞运动使熔覆工具头由非工作位置运动到工作位置；

8、保持预热后的薄壁件原位固定，通过控制机械臂带动激光头按熔覆路径对零件进行激光熔覆再制造，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在零件上熔融沉积，直至在零件上加工出熔覆层；

9、激光熔覆再制造停止后，控制液压缸活塞运动使激光头由工作位置运动到非工作位置。

实施案例三：

以轴类零件为例详细说明本发明对零件温控滚压与淬火的具体过程。

1、将轴类工件置于卧式床身工作台上，利用装夹机构进行限位固定；

2、启动电机将滚压工具头切换为工作工具头；

3、控制液压缸活塞运动使滚压工具头由非工作位置运动到工作位置；

4、根据轴类工件的外形和尺寸，手动调整链板腔的折叠角度进而调整控制冷热盘的形状，将冷热盘分为预热区和后热区，以控制热氮的喷射区域及位置，通过温度控制系统，设定滚压预热温度和滚压后热温度，通过温控阀自动调控冷热盘的热氮喷射量控制加热温度，实现滚压前的预热和滚压后的缓冷处理；

4、接通工作台电路，利用装夹机构使轴类零件逆时针旋转；

5、利用液压杆推动滚压工具头沿中心轴线运动到轴工件表面，设定滚压力，通过电液伺服控制液压缸带动工具头按设定滚压力对熔覆层进行恒压滚压，直至滚压完成；

6、滚压完成后，控制液压缸活塞运动使滚压工具头由工作位置运动到非工作位置；

7、手动调整链板腔的折叠角度进而调整控制冷热盘的形状，将冷热盘分为加热区和冷却区，以控制热氮和液氮的喷射区域及位置，通过温度控制系统，设定冷热盘加热温度和冷却温度，通过温控阀自动调控冷热腔的氮气喷射量，实现加热和冷却的度都控制；

8、通过控制机械臂运动带动冷热盘按淬火路径行进，直至淬火完成；

9、加工停止后，断开工作台电路，关闭热氮管及液氮管上的开关。

本发明提出的可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，可通过激光熔覆、滚压强化、热处理、冷处理的交替或复合作用实现两种或多种工艺的组合，满足多种改性功能，解决了激光熔覆改性设备布置分散，结构繁琐，功能单一的问题。可利用激光头的熔覆与滚压头的滚压交替顺序作用实现对金属零件的激光熔覆与滚压强化的复合高效制造，可广泛应用于板类、轴类、球类及具有复杂曲面特征的金属零件的表面改性或修复及改性处理；可通过控制冷热盘及氮喷管的形状以控制冷热氮的喷射区域及位置，实现对不同形状复杂曲面的冷热处理；通过温度控制系统，调控冷热腔的热氮或液氮的喷射量，实现精准温控下的冷热处理；可通过热氮的可调控喷射实现对金属零件的精准温控热处理，将热处理与滚压工艺组合，实现中高温环境下的滚压强化，增大材料在滚压中的塑性变形，提高熔覆层组织和表面性能的改善效果，解决了室温条件下滚压对熔覆层的改性效果不显著，又易造成熔覆层过度硬化和开裂的问题；可通过热氮与液氮的可调控喷射交替实现精准温控热处理与冷处理，实现零件可控温的表面淬火功能，解决了淬火加热过程易过热、冷却温度难控制的问题。

上述示例仅为本发明适用的简单案例，证明本发明具有以上几部分功能，此外本发明可通过激光熔覆、激光热处理、滚压、氮气热处理、氮气冷处理的交替或复合作用实现两种或多种功能的组合，可根据需要进行功能组合，满足多种改性工艺。上述示例并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，其特征在于，包括激光熔覆模块、激光头驱动模块、工具头转换模块、滚压模块和冷热处理模块，所述的工具头转换模块包括转动盘和固定盘，所述的转动盘与固定盘之间转动连接，在所述的转动盘上设置第一接口和第二接口，第一接口与激光熔覆模块相连，第二接口与滚压模块连接，在滚压工具头的外圈设置冷热处理模块，所述的冷热处理模块包括冷热盘、热氮装置、冷氮装置，所述的冷热盘转动安装在滚压工具头壳体上，冷热盘包括盘座、型腔链，多个型腔链布置在盘座的外圈，与盘座铰接，型腔链可绕盘座中心转动，整体可呈辐射状布置；每个型腔链包括多个依次铰接的型腔，每个型腔底为针孔面板，面板上布有温度传感器；冷热盘的形状能根据零件的形状进行调整，型腔链分别与热氮装置、冷氮装置相连通；

所述的滚压模块包括滚压杆、滚压球，滚压杆下端安装滚压球，液压控制系统根据设定压力 控制滚压杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，从而实现恒压滚压；

所述的工具头转换模块还包括电机、蜗杆、蜗轮，其中电机安装在固定盘内壁上，电线通过 固定盘上的小孔外接电源，蜗杆与电机连接作为其输出轴，蜗轮与转动盘做成一体，电机输出动力带动蜗杆转动并通过蜗杆蜗轮的啮合带动转动盘转动，实现工具头的切换；

所述的热氮装置，包括氮气加热器、热氮环形管、热氮管、热氮喷管和氮气罐，其中，氮气加热器与氮气罐连接，热氮环形管设置在壳体外圈，热氮环形管与氮气加热器之间通过热氮 管相连，沿着热氮环形管的圆周方向设置与其连通的热氮喷管，热氮喷管与所述的冷热盘 相连通；

所述的冷氮装置，包括冷氮环形管、冷氮管、冷氮喷管和液氮罐，所述的液氮罐与冷氮管相连，冷氮管与冷氮环形管相连，冷氮环形管设置在壳体外圈，沿着冷氮环形管的圆周方向设 置与其连通的冷氮喷管，冷氮喷管与所述的冷热盘相连通；

在所述的冷氮喷管、热氮喷管上还安装有分开关及温控阀，温控阀与温度传感器、上位机连接，根据上位机设定温度与温度传感器反馈信号通过温控阀调控输入每个腔内的液氮或者氮气温度。

2.如权利要求1所述的可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，其特征在于，所述的激光熔覆模块包括喷嘴、激光头和送粉管，所述的喷嘴与激光头相连，送粉管位于激光头的外圈；所述的激光头驱动模块驱动激光熔覆头上下移动，实现激光头工作位置与非工作位置的固定。

3.如权利要求2所述的可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，其特征在于，所述的激光熔覆模块还包括光纤、冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管、光纤激光器、送粉器，其中光纤激光器通过光纤与激光头上端相连，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头下端连接冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管，第一送粉管和第二送粉管外接送粉器，实现同步送粉。

4.如权利要求2所述的一种可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，其特征在于，所述的激光头驱动模块包括液压缸、活塞、导杆，三个部件同处于一轴线，活塞与导杆上端固连，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，实现导杆与激光头同步运动。

5.如权利要求1所述的可滚压与冷热处理协同改性的激光熔覆制造装置，其特征在于，所述的滚压模块还包括壳体、上位机、电液伺服阀、液压缸、活塞、导杆，液压缸与壳体上端内面固连，导杆一端与活塞固连，另一端与滚压杆连接，滚压杆下端安装滚压球，实现导杆与滚压球同步运动，滚压杆内设压力传感器，根据上位机设定的滚压力与压力传感器反馈的信号通过电液伺服阀调控液压缸导杆的伸缩，带动滚压球的轴向移动，直至对零件表面的滚压力到达设定压力。