CN209798107U - 一种轮轴激光熔覆钼表面改性系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了轮轴激光熔覆钼表面改性系统，包括激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置，所述轮轴夹持在回转台上，所述激光熔覆集成模块悬于轮轴的轮座上方，所述控制装置控制激光熔覆集成模块与回转台的协同工作。本轮轴激光熔覆钼表面改性系统，将激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置形成一体，激光熔覆集成模块的喷涂的工艺参数与回转台的旋转速度相互配合，有效控制轮轴表面激光熔覆的质量，使激光束将粉末与轮轴表面产生牢固、良好的冶金结合；大幅提高熔覆质量。并且从根本上克服了传统的氧‑乙炔火焰丝材喷涂工艺对轮轴进行喷钼处理过程产生的环境污染以及结合强度弱等问题；更适用于推广。

Description

一种轮轴激光熔覆钼表面改性系统

技术领域

本实用新型发明属于激光表面改性技术领域，具体地，涉及一种轮轴激光熔覆钼表面改性系统。

背景技术

轮轴是轨道交通车辆(机车、地铁、动车组、高铁、轻轨等)的关键部件，其质量性能直接关系到整车的运行安全，而轮轴的轮座部位工作环境非常恶劣，容易出现疲劳裂纹，影响轮轴的使用寿命周期，甚而带来车辆运行安全事故。另外，轮轴与轮饼在安装和退轮过程中，经常出现轮轴被拉伤而只能报废或返修的情况，造成非常大的资源浪费。目前国内轨道交通车辆制造企业多按照德国铁道行业标准BN918260《轮对轴轮座上喷钼处理规范2004.8》，采用氧-乙炔火焰丝材喷涂工艺对轮轴进行喷钼处理，以大幅改善轮轴轮座部位的耐磨性和使用寿命周期。氧-乙炔火焰丝材喷涂利用氧-乙炔产生的环形高温火焰将喷嘴处的钼丝进行热熔，然后被压缩空气雾化成喷射粒子加速喷射到轮座基体表面，形成耐磨性较好的堆积涂层。由于喷射粒子是在高速撞击下与基体相结合，属于物理结合，结合强度受到限制，且由于喷涂过程靠无数变形粒子相互交错堆叠，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹渣，使得轮轴使用过程中涂层存在开裂脱落的风险。另外，氧-乙炔火焰丝材喷涂工艺过程产生的污染烟尘对人体有非常大的伤害，因此在环保方面也一直受到诟病。

激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将粉末材料熔覆在零件的表面，以获得优良力学性能涂层的一种激光表面改性技术。激光束将粉末熔化后形成的液态合金由于基体材料的迅速导热而产生极高的冷却速度而快速凝固结晶，不但产生牢固、良好的冶金结合，而且还获得细小均匀的显微组织(即涂层微观组织优良)，因此可获得具有非常优异力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面涂层。

申请号为CN2017210976851的《一种用于圆柱体增材加工的激光熔覆系统》，公开了增加高频感应加热圈以及高频感应加热电源，在熔覆之前进行高频局部预热，提高熔覆效率的同时减少裂纹的产生；此种结构耗能较高，设备较复杂，受影响因素多，熔覆产品的质量得不到有效控制。

现有技术中，暂未发现一种适合轮轴激光熔覆钼表面改性的专用系统，能针对轮轴的结构特征，得到高性能的轮轴涂层。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种轮轴激光熔覆钼表面改性系统，该系统可以显著改善和改进覆层结合强度、覆层组织性能、工艺效率、环保水平的轮轴表面改性技术，从而为我国轨道交通装备制造综合水平的提升提供重要技术支撑。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

本轮轴激光熔覆钼表面改性系统，包括激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置，所述轮轴夹持在回转台上，所述激光熔覆集成模块悬于轮轴的轮座上方，所述控制装置控制激光熔覆集成模块与回转台的协同工作；

所述激光熔覆集成模块包括激光器、送粉器、惰性气体容器、水冷机和熔覆头，所述激光器与所述熔覆头通过光纤连接；

所述惰性气体容器通过管路一和管路二分别向所述送粉器和所述熔覆头输送惰性气体；所述送粉器通过粉管与所述熔覆头连接；

所述水冷机通过水管一和水管二分别向所述激光器和所述熔覆头提供冷却水。

本轮轴激光熔覆钼表面改性系统，将激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置形成一体，激光熔覆集成模块的喷涂的工艺参数与回转台的旋转速度相互配合，有效控制轮轴表面激光熔覆的质量，使激光束将粉末与轮轴表面产生牢固、良好的冶金结合，而且还获得细小均匀的显微组织(即涂层微观组织优良)，因此可获得具有非常优异力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面涂层。

并且本系统无需其他辅助结构，如高频感应加热圈等来减少涂层裂纹的产生，整体结构经济适用；并且从根本上克服了传统的氧-乙炔火焰丝材喷涂工艺对轮轴进行喷钼处理过程产生的环境污染以及结合强度弱等问题；更适用于推广。

进一步地，所述回转台的整体为凹形结构，所述凹形结构的两侧内壁相对设置卡盘和顶针。卡盘和顶针是专门适用于装夹轮轴，通过卡盘夹持所述轮轴一端，并在另一端通过顶针顶住定位孔。

进一步地，所述卡盘设有夹持槽与所述轮轴一端相适配，所述顶针的端部与轮轴另一端的定位孔相适配。

进一步地，所述熔覆头与所述轮座上表面的竖直距离为5～25mm。所述送粉器选用同步转盘式双筒送粉器。熔覆头与轮座上表面的距离设置，是为了激光熔覆过程中，激光束将粉末熔化后形成的液态合金能准确涂覆到金属零件上，不易出现飞溅现象，减少粉末的损失量，保证高速运转的金属零件的喷涂质量。

更进一步地，所述管路一和管路二上分别安装有控制惰性气体流量的流量计和控制阀。

进一步地，所述送粉器的送粉量为1～20g/min，所述激光器的激光熔覆扫描速度为5～25mm/s。

进一步地，所述激光器的激光功率为0.5～10kW。

根据送粉量的大小和激光熔覆速度与轮轴旋转速度向配合；激光熔覆速度和功率一定时，送粉量越大，层高越高，激光功率和送粉量一定时，激光熔覆速度越小，熔覆厚度越厚。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本轮轴激光熔覆钼表面改性系统，将激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置形成一体，激光熔覆集成模块的熔覆的工艺参数与回转台的旋转速度相互配合，有效控制轮轴表面激光熔覆的质量，使激光束将粉末与轮轴表面产生牢固、良好的冶金结合；大幅提高熔覆质量。

本轮轴激光熔覆钼表面改性系统无需其他辅助结构，如高频感应加热圈等来减少涂层裂纹的产生，整体结构经济适用；并且从根本上克服了传统的氧-乙炔火焰丝材喷涂工艺对轮轴进行喷钼处理过程产生的环境污染以及结合强度弱等问题；更适用于推广。

另外，激光熔覆属于绿色环保工艺，将激光熔覆技术用于轮轴的表面改性将会有以下三大优势：

1.通过冶金结合的方式显著改进轮轴轮座部位的钼质覆层，提高新品制造的成品率和产品使用过程中的使用寿命周期及安全性；

2.利用激光热源输出稳定性和熔覆设备高度自动化的优点，提升工艺实施效率，从而降低工艺综合成本，满足大批量轮轴表面改性的产能需求；

3.提升轨道交通装备制造业的环保水平。

附图说明

图1为实施例1的轮轴激光熔覆钼表面改性系统的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示本轮轴激光熔覆钼表面改性系统，包括激光熔覆集成模块1、轮轴2、回转台3和控制装置4，轮轴2夹持在回转台3上，激光熔覆集成模块1悬于轮轴2的轮21座上方，控制装置4控制激光熔覆集成模块1与回转台3的协同工作。

其中，激光熔覆集成模块1包括激光器11、送粉器12、惰性气体容器13、水冷机14和熔覆头15，激光器11与熔覆头15通过光纤连接。

惰性气体容器13通过管路一131和管路二132分别向送粉器12和熔覆头15输送惰性气体；送粉器12通过粉管121与熔覆头15连接。

水冷机14通过水管一141和水管二142分别向激光器11和熔覆头15提供冷却水。水管一141和水管二142分别安装有控制惰性气体流量的流量计和控制阀。

本实施例中激光器11选用Laserline公司的4kw激光器，型号DM 4000-100，其功率输出稳定；送粉器12选用同步转盘式双筒送粉器，型号TD03-MH，送粉精度高，便于控制；水冷机14选用广州特域公司的CW-6300ET；熔覆头15选用直版激光熔覆头，型号LAMLH-S，此熔覆头可适应的激光功率范围大，光斑效果好。

优选回转台的整体为凹形结构，凹形结构的两侧内壁相对设置卡盘和顶针。卡盘和顶针是专门适用于装夹轮轴，卡盘设有夹持槽与所述轮轴一端相适配，所述顶针的端部与轮轴另一端的定位孔相适配。通过卡盘夹持所述轮轴一端，并在另一端通过顶针顶住定位孔。使装夹轮轴与回转台底部平行。

熔覆头与轮座上表面的竖直距离为5～25mm，本实施例中选用的竖直距离为10mm。熔覆头与轮座上表面的距离设置，是为了激光熔覆过程中，激光束将粉末熔化后形成的液态合金能准确涂覆到金属零件上，不易出现飞溅现象，减少粉末的损失量，保证高速运转的金属零件的喷涂质量。

本系统的控制柜内置控制程序，控制激光熔覆集成单元实现普通激光熔覆或者超高速激光熔覆，控制回转台夹持轮轴按照计算的协同转速进行匀速回转；轮轴自身回转、激光熔覆集成单元协同熔覆过程中实现轮座部位表面涂层质量性能优良的熔覆层。

送粉器的送粉量为1～20g/min，本实施例中选用的送粉量为10g/min；激光器的激光熔覆扫描速度为5～25mm/s，本实施例中选用的扫描速度为15mm/s。激光器的激光功率为0.5～10kW，本实施例中选用的激光功率为5kW。

本轮轴激光熔覆钼表面改性系统的工作原理为：

轮轴夹持到回转台后，激光熔覆头校准到轮轴的轮座上方合适间距位置，由控制装置联动控制激光器、水冷机、送粉器以及回转台的开启，熔覆头沿着轴向匀速直线运动，回转台夹持轮轴匀速旋转，从而实现熔覆头相对轮轴的轮座表面形成匀速的螺旋位移，达到单道熔覆、螺旋搭接，最后完成整个轮座外圆面的冶金结合熔覆层。

将实施例1的轮轴激光熔覆钼表面改性系统，用于轨道交通的轮轴零件，由于本系统环保程度高、安全性好，可适应于轨道交通装备的各类生产车间环境，而氧-乙炔丝材火焰喷涂因氧-乙炔气瓶的安全因素以及火焰喷涂的污染因素，必须单独立建设隔离间。本系统熔覆的钼熔覆层经检测，表面洛氏硬度在HRC65以上，金相组织致密性好，并且与轮座基材形成良好的冶金结合层，远远超过氧-乙炔火焰丝材喷涂工艺的物理结合层。国内每年新造轨交车辆车轴的需求数量几万根，老旧车辆废旧车轴维修或换新的需求量也非常大，初步估计，本系统技术大规模推广后，每年可产生几千万元的产值，同时为我国轨交车辆的运营节省大量的运营成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，包括激光熔覆集成模块、轮轴、回转台和控制装置，所述轮轴夹持在回转台上，所述激光熔覆集成模块悬于轮轴的轮座上方，所述控制装置控制激光熔覆集成模块与回转台的协同工作；

所述激光熔覆集成模块包括激光器、送粉器、惰性气体容器、水冷机和熔覆头，所述激光器与所述熔覆头通过光纤连接；

所述惰性气体容器通过管路一和管路二分别向所述送粉器和所述熔覆头输送惰性气体；所述送粉器通过粉管与所述熔覆头连接；

所述水冷机通过水管一和水管二分别向所述激光器和所述熔覆头提供冷却水。

2.根据权利要求1所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述回转台的整体为凹形结构，所述凹形结构的两侧内壁相对设置卡盘和顶针。

3.根据权利要求2所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述卡盘设有夹持槽与所述轮轴一端相适配，所述顶针的端部与轮轴另一端的定位孔相适配。

4.根据权利要求1所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述熔覆头与所述轮座上表面的竖直距离为5～25mm。

5.根据权利要求1所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述送粉器选用同步转盘式双筒送粉器。

6.根据权利要求1～5任意一项所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述管路一和管路二上分别安装有控制惰性气体流量的流量计和控制阀。

7.根据权利要求6所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述送粉器的送粉量为1～20g/min，所述激光器的激光熔覆扫描速度为5～25mm/s。

8.根据权利要求1～5或7任意一项所述轮轴激光熔覆钼表面改性系统，其特征在于，所述激光器的激光功率为0.5～10kW。