CN202954065U - 一种光纤激光淬火装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及金属零部件表面硬化处理领域，尤其涉及一种光纤激光淬火装置。它包括光纤激光光源（1）、机器人（3）、淬火射出头（4）和气体保护系统（7）；其中，光纤激光光源（1）与淬火射出头（4）相连并提供光束，淬火射出头（4）夹持在机器人（3）的头部，气体保护系统（7）固定于淬火射出头（4）的旁侧。本实用新型的设备结构简单、紧凑，工艺过程易于控制，淬火层均匀、性能稳定，且整套设备可靠性高，节省能源，不产生环境污染。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属零部件表面硬化处理领域，尤其涉及一种光纤激光淬火装置。
背景技术
光纤激光表面淬火技术是一项集激光技术、自动控制技术、精密机械、材料科学、材料加工于一体的高新技术。激光加工技术的研究始于20世纪60年代，但直到20世纪70年代初在研制出大功率激光器之后才获得实际的应用。美国通用汽车公司于同期率先通过对齿轮转向器箱体内孔、齿轮、轴承座、离合器等进行了激光表面淬火加工获得了较大的经济效益，材料包含多种钢材和铸铁，采用的是不同功率的CO2激光器，这引起了相关企业及科研人员的极大关注。之后日本、法国、德国相继开始引进该项技术，并用于汽车、钢铁等加工制造工业。我国第一汽车制造厂在20世纪90年代初对发动机气缸体成功的进行了激光淬火，使发动机寿命提高了一倍以上。目前，我国很多冶金企业都进行过轧辊激光淬火的应用，如武钢、太钢、柳钢、昆钢、马钢、重钢等，主要应用对象为球墨铸铁、无限冷硬白口铸铁以及铸钢热轧辊。
目前表面淬火常用的方法根据加热方式不同有电感应加热法表面淬火（感应淬火）、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电子束表面淬火和CO2或Nd：YAG激光表面淬火等。工业上应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火，其缺点在应用中显露无疑：实现感应加热的设备较贵，较复杂，不易调整好，消耗电能较大，维护费用较高，移动也不方便，设备效率也不够高；而使用火焰加热进行表面淬火，较难实现机械化流水生产，大部分是手工操作和凭肉眼观察来掌握温度，不易稳定地控制质量，表面容易烧化、过热与淬裂，很难达到均匀的淬火层与高的表面硬度。目前使用较多的激光淬火是CO2或Nd：YAG激光表面淬火，但也存在一些不可避免的缺点：电光转换效率低、晶体热效应严重、关键部件需经常更换、体积庞大。激光淬火设备稳定性差，不能适应规模化生产的要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种光纤激光淬火装置，该装置结构简单、紧凑，工艺过程易于控制，淬火层均匀、性能稳定，且整套设备可靠性高，节省能源，不产生环境污染。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种光纤激光淬火装置，其特征在于：它包括光纤激光光源1、机器人3、淬火射出头4和气体保护系统7；其中，光纤激光光源1与淬火射出头4相连并提供光束，淬火射出头4夹持在机器人3的头部，气体保护系统7固定于淬火射出头4的旁侧。
所述淬火射出头4通过光纤输出激光，用于对无预涂层的待加工工件8表面直接实施淬火作业。
所述光纤激光光源1使用光纤激光器，输出的光束为连续或脉冲模式，激光波长1.07μm，功率调节范围为0-4000W。
所述气体保护系统7可实现侧吹淬火保护气体喷嘴位置的三维调节，侧吹气体种类和气流量由气体控制柜9控制。
所述淬火射出头4内部有集成的光束整形装置，将聚焦的光束整形为截面光强能量均匀分布的矩形光斑，该矩形光斑宽度为5-20mm。
该装置由控制系统5控制，所述控制系统5控制整个淬火设备按程序设定步骤进行淬火作业，并可外接其他辅助设备；通过编制的接口程序，控制系统5分别连接光纤激光器1、机器人3、淬火机床6，使得光纤激光器1、机器人3、淬火机床6配合完成加工动作。
该装置还包括淬火机床6，用于放置并固定待加工工件8，完成二维或三维淬火作业。
本实用新型与传统的火焰加热和高频加热的表面硬化方法相比，其有益效果是：(a)能量密度大，作用时间短，总的热输入低，因而工件的变形小，工件激光淬火后通常可如原始状态使用；(b)淬硬深度较浅，基体的性能（如韧性）得以保持不变；(c)可进行局部淬火而不影响周围的区域；(d)激光功率、扫描速度、激光光斑尺寸等工艺参数容易调节，且控制精度高；(e)激光可通过光学器件的适当配置抵达其他方法难于加工的部位；(f)使用该装置进行表面硬化作业时，不需要预涂层处理，更避免了由此带来的众多问题；(g)高质高效低成本的特性。光纤激光的能量密度、加工质量和效率均倍数高于同类功用工艺设备，还由于其较高的光电转换率以及免维护性使其运行成本低，对水、电、气的消耗较低。
本实用新型利用光纤激光相比CO2气体或Nd：YAG固体激光的优势在于：(a)由于光纤激光波长比CO2激光波长短一个数量级，金属材料对光纤激光有更高的吸收率，更为有效地降低了淬火设备对激光器输出功率的要求，生产过程中也不需要像CO2激光淬火那样为了提高吸收率而进行预涂层处理；(b)光纤激光淬火工艺简单，整机成本比CO2激光淬火设备低很多；(c)电光转换效率高，比传统激光淬火设备的光电转换效率提高5倍以上；(d)维护成本低；(e)结构紧凑、体积小、可移动、更耐久。
附图说明
图1本实用新型的光纤激光淬火装置示意图。
附图标记
1 光纤激光光源
2 水冷机组
3 机器人
4 淬火射出头
5 控制系统
6 淬火机床
7 气体保护系统
8 工件
9 气体控制柜
具体实施方式
下面根据附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
本实用新型是用于对零部件进行表面硬化的一种光纤激光淬火设备。
如图1所示，为本实用新型的光纤激光淬火装置示意图，该光纤激光淬火装置包括：光纤激光光源1、机器人3、淬火射出头4和气体保护系统7。其中，光纤激光光源1与淬火射出头4相连并提供光束；淬火射出头4夹持在机器人3的头部，激光通过光纤输出到安装在机器人头部的淬火射出头4直接实施淬火作业；气体保护系统7固定于淬火射出头4的旁侧，旁轴侧吹淬火保护气体，如氩气；待加工工件8放置并固定在淬火机床6上，待加工工件8表面不需要预涂层处理。
其中，光纤激光光源1带有与其配套的水冷机组2，该光纤激光光源1使用光纤激光器，输出的光束可为连续或脉冲模式，激光波长1.07μm，功率调节范围为0-4000W；机器人3作为淬火执行机构，按程序设定路径以一定速度执行淬火操作；夹持于机器人3头部的淬火射出头4，内部集成有光束整形装置，通过积分镜的调制，可将聚焦的光束整形为截面光强能量均匀分布的矩形光斑，通常采用宽度为5-20mm的矩形光斑；气体保护系统7可以三维空间调节，实现气吹喷嘴到激光工作光斑的角度和距离调节，侧吹气体种类和气流量气体由控制柜9控制。
控制系统5是光纤激光淬火装置的总控制台，控制整个淬火装置按程序设定步骤进行淬火作业，并可外接其他辅助设备。该控制系统5通过触摸屏实现人机交互，方便用户操作执行机构和选择淬火工艺参数。可设置参数包括：激光功率、扫描速度、行进轨迹等。激光扫描速度是指激光束与工件相对的移动速度；行进轨迹指机器人根据工件形状行进的空间轨迹。通过编制接口程序，控制系统5建立与光纤激光器1、机器人3、淬火机床6的通信，控制系统5发出各项指令，光纤激光器1执行激光功率设定、光闸打开/关闭等工作，机器人3按照扫描速度和行进轨迹执行加工行进等动作，淬火机床6执行工件移动、旋转等动作，共同配合完成加工过程。
实施例
采用本实用新型的装置对某高镍铬铸铁轧辊进行光纤激光淬火，选择激光功率为1500W，光斑尺寸为10×1mm，激光扫描速度10mm/s，产生表层淬硬区，且硬度可达800HV，耐磨性能也得到大幅提高。淬火作业前首先对轧辊表面进行除锈、除油等处理，随后将轧辊固定于机床，设置淬火参数和机器人作业路径后保存设置程序，最后开始淬火作业。在淬火机床控制轧辊旋转的同时激光作用点沿轧辊轴线做直线运动，从而对轧辊的全部工作面进行淬火处理。
Claims (7)
1.一种光纤激光淬火装置，其特征在于：它包括光纤激光光源（1）、机器人（3）、淬火射出头（4）和气体保护系统（7）；其中，光纤激光光源（1）与淬火射出头（4）相连并提供光束，淬火射出头（4）夹持在机器人（3）的头部，气体保护系统（7）固定于淬火射出头（4）的旁侧。
2.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：所述淬火射出头（4）通过光纤输出激光，用于对无预涂层的待加工工件（8）表面直接实施淬火作业。
3.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：所述光纤激光光源（1）使用光纤激光器，输出的光束为连续或脉冲模式，激光波长1.07μm，功率调节范围为0-4000W。
4.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：所述气体保护系统（7）可实现侧吹淬火保护气体喷嘴位置的三维调节，侧吹气体种类和气流量由气体控制柜（9）控制。
5.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：所述淬火射出头（4）内部有集成的光束整形装置，将聚焦的光束整形为截面光强能量均匀分布的矩形光斑，该矩形光斑宽度为5-20mm。
6.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：该装置由控制系统（5）控制，所述控制系统（5）控制整个淬火设备按程序设定步骤进行淬火作业，并可外接其他辅助设备；通过编制的接口程序，控制系统（5）分别连接光纤激光器（1）、机器人（3）、淬火机床（6），使得光纤激光器（1）、机器人（3）、淬火机床（6）配合完成加工动作。
7.根据权利要求1所述的光纤激光淬火装置，其特征在于：该装置还包括淬火机床（6），用于放置并固定待加工工件（8），完成二维或三维淬火作业。
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