专利名称：用于细小狭长管状工件内表面激光强化加工的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及金属材料的激光表面强化的技术，特别是涉及用于细小狭长管状工件内表面的激光强化处理的装置。
目前，对金属管状工件内表面的激光强化方法之一为相变强化方法，如文献(1)“金属热处理”杂志中的“汽油机缸体的激光淬火”(李泉华)一文所述，在该技术资料中描述了利用CO2气体激光对管状工件内表面进行激光相变强化方法，该方法是采用CO2激光器、光学变换系统及激光淬火机床所组成的激光相变强化装置。然而，该装置存在以下主要缺点(1)只能处理具有较短长度的工件，如工件长度小于等于500mm；(2)只能处理内径大于40mm的零件。为使金属材料对激光有效吸收从而获得激光加工效果，该装置在激光相变强化处理之前必须在材料表层预涂吸光涂层，目前常用的预涂方法为磷化法，涂敷液为磷化液，具有毒性及污染环境的缺点，该工艺的实施还需配合一定的温度及较长的时间。同时，该装置所采用GaAs或ZnSe制造的透射聚焦及反射镜组成的光学系统，该光学系统中需使用设备比较复杂的水、气冷却部件，而且气冷效果也不好，另外用GaAs或ZnSe制造的透射聚焦镜片因温度场的变化产生热透镜效应，导致激光功率、焦点位置及光斑直径的变化，使激光加工质量稳定性差，无法进行较长工件的加工，同时透镜易因温变梯度过大而炸片，且不能重复使用。
本实用新型目的在于克服已有技术的缺点，为了提供一种适合细小狭长管状工件，特别是超长抽油泵管的内表面的激光强化加工以此提高其表层组织在高压复杂多相流工作环境下的耐磨损性能和疲劳性能；从而提供一种自动化程度高、运行成本低的用于细小狭长管状工件内表面激光强化加工装置。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型提供的用于细小狭长管状工件内表面强化加工装置包括激光器、气动光闸、光学扩束镜、光学限束镜、CCD监视器和探头、用于固定被加工工件的激光淬火机床、其特征在于还包括反射聚焦光学系统、预涂敷机，其中激光器前方光路上安置气动光闸，按图3的光路顺序安置光学扩束镜、光学限束镜，反射聚焦光学系统；其中反射聚焦光学系统由一非球面反射镜固定在圆筒支撑器上，非球面反射镜内腔有循环水冷结构，在圆筒支撑器的圆筒内壁打有均匀排列的通气孔，和圆筒支撑器的壁上开有通光孔，其通光孔的大小以以确保激光束自由通过为宜，圆筒支撑器的壁上有一气路结构，以便在圆筒支撑器和工件之间行成气帘，减少在加工过程中产生的高温废气对非球面反射镜污染；圆筒支撑器上有可调节角度的定位螺钉，在进行工件管壁加工时，被加工的管状工件由小车带动套在整个反射聚焦光学系统外；整个反射聚焦光学系统固定在激光淬火机床的固定支撑架上，固定支撑架在激光淬火机床台面上的后部，为了保持细小狭长管状工件的水平状态，固定支撑架具有多个气压或液压支撑柱(气压或液压支撑柱通过传感器与计算机连接，由计算机控制其升降)，在激光淬火机床的前部台面上安有导轨，导轨上滑配载有小车，小车一端安装一用于固定工件的气动或电动卡盘与尾座，电动卡盘与尾座的中心有一通光孔，其通光孔的大小以确保激光束自由通过，小车中部有2个以上V形气动或液压卸载工件的结构，它由一立拄的上部用轴活动连接两卡片，轴还可与计算机连接，当轴放松时两卡片自动掉下，工件随之而掉；当两卡片成V形状时把轴拧紧工件被夹在上面。
其反射聚焦光学系统后方安置CCD监视器的探头；还包括计算机控制部分，激光器、气动光闸、激光淬火机床、CCD监视器及相应的冷却水和辅助气体开关均由计算机控制。
其中所述的预涂敷机由机身支架上固定一用来调节工件倾角和起支撑工件作用的工件倾角调节器，工件固定在一转速调节器上，再安装于机身支架上，电源连接转速调节器，一储液罐的两输出口各连接一根软管，每一根软管的另一端连接工件的一端，在胶质软管上设置一流量调节阀，预涂敷机与计算机电连接；还包括预涂敷机与激光淬火机床之间有一可运送工件的传送机构，如传送带、天车等。
还包括一激光准直系统放在扩束限束光路上，可放在扩束限束镜之间或扩束限束光路之后的地方。
管状工件首先放在预涂敷机上，当工件内表面预涂敷处理完工后，用天梯运送工件到激光淬火机床上进行激光强化加工，也可将工件人工放到激光淬火机床上；其中非球面反射镜使用高纯度金属材料，如用高纯无氧铜制做，该金属镜具有可擦洗重复使用之特征，可利用圆筒支撑架上的定位螺丝在一定范围内调节聚焦在工件内表面的光斑直径大小。
其中激光器可采用CO2气体激光器或YAG固体激光器；CCD监视器的探头及监视器、激光淬火用机床、计算机控制部分的微机、气动光闸、扩束、限束镜片均采用常规使用的部件，以及激光准直用氦氖激光器。
本实用新型的加工对象包括需要增强其内表面耐磨损和耐腐蚀性能的细小狭长管状工件，如整筒抽油泵筒，超长液压套筒、枪管、炮管等。
本实用新型具有如下优点(1)采用本实用新型可实现对超长、超细零件的内表面一次性强化加工，特别是细小狭长抽油泵管内表面的激光强化加工，所经强化处理后的工件表面(如45#钢)，其室温工作环境的硬度提高200-600Hv；在高温(500℃)环境下，硬度提高100-400Hv，耐摩损能力提高40-300％；耐烧蚀能力提高0.4-3.8倍。
(2)常规的光路聚焦系统为透射聚焦+反射式的光学系统，易因温差引起热透镜效应，改变聚焦后激光束的能量密度而使工件激光强化效果不稳定，所使用的GaAs透射聚焦镜片不可擦洗和重复使用，运行成本高。本实用新型采用非球面金属镜具有可擦洗重复使用、焦斑直径具有可在3-6mm范围内调节的优点。
(3)由于非球面金属镜使用的金属支撑管内壁设计有一系列通气孔组合可有效地防止污染及冷却，不仅保障了激光强化效果及其稳定性，而且提高了镜片的使用寿命。
(4)本实用新型在与计算机相连时可以全自动化操作，在计算机发生故障和进行检修时，整个装置仍然可以人工操作。
以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细地说明
图1为本实用新型的管状工件内表面激光强化装置组成平面图图2为本实用新型装置中的预涂敷机结构示意图图3为本实用新型装置中的自动卸载工件的结构示意图图4为本实用新型的光学扩束限束部分和反射聚焦光学系统结构示意图图5是经本实用新型处理后抽油泵管激光强化层深度图图6是经本实用新型处理后抽油泵管激光强化层显微硬度图图面说明如下
1-激光器2-光学扩束限束部分3-反射聚焦光学系统4-CCD监视器探头 5-工件6-激光淬火机床7-预涂敷机 8-CCD监视 9-传送机构10-转速调节器 11-电源 12-胶质软管13-机身支架 14-倾角调节器 15-储液罐16-流量调节阀 17-非球面反射镜 18-通气孔19-圆筒支撑架 20-水冷循环结构 21-气动光闸22-扩束镜片 23-限束镜片 24-氦氖激光准直镜25-计算机 26-通光孔 27气路28立拄 29轴 30卡片实施例1按
图1-3制作一台管状工件内表面激光强化处理装置。该装置包括HJ-4CO2激光器(1)、普通气动光闸(21)、φ26mm凸面镜做的扩束镜片(22)、φ52mm凹面镜做限束镜片(23)，氦氖激光器做准直镜(24)，安置在用限束镜片(23)上方；无氧铜制备的镜面具有抛物线型特征的非球面反射镜面(17)；Victor-2型CCD监视器探头(4)、常规的计算机；使用常规的激光淬火用机床(5)，并在其台面上的后部固定一金属支撑架，为了保持细小狭长管状工件的水平状态，固定支撑架具有多个气压或液压支撑柱，气压或液压支撑柱与计算机(25)连接，计算机(25)控制其升降；在激光淬火机床的前部台面上安有导轨，导轨上滑配载有小车，小车一端安装一用于固定工件的气动或电动卡盘与尾座，电动卡盘与尾座的中心有一通光孔，其通光孔的大小以确保激光束自由通过，既可卡住的工件又可让光束通过；其中激光器(1)前方按图3光路的顺序安置气动光闸(21)、限束镜片(22)、扩束镜片(23)以及氦氖激光准直镜(24)，其输出光前方放置反射聚焦光学系统，CCD监视器的探头(4)放在其后的光路上，光路上再放置激光淬火机床(6)；气动光闸(21)、激光器(1)，激光淬火机床、CCD监视器(8)与计算机(25)电连接。其中反射聚焦光学系统(3)由高纯无氧铜制做的非球面反射聚焦镜(17)内腔有循环水冷容器结构(20)，该镜用金属圆筒支撑架(19)固定，圆筒支撑架(19)内壁打有均匀排列的φ5mm的通气孔(18)，圆筒支撑架(19)壁上开有一φ35mm的通光孔(28)，其通光孔(28)的位置以保证聚焦束自由通过的地方；被加工的管状工件(5)由导轨上滑配载小车带动工件(5)套在反射聚焦光学系统(3)外；激光淬火机床(6)与预涂敷机(7)用一天车(9)连接，预涂敷机(7)的金属机身支架(13)上固定一工件倾角调节器(14)，用来调节工件的倾角并可起支撑工件的作用，在机身支架上安装着电源(11)，电源连接转速调节器(10)，一储液罐(15)的两端连接普通胶质软管(12)，胶质软管(12)再连接工件(9)的两端，在胶质软管(12)上设置一流量调节阀(16)。
采用本实施例的装置可对内径为44mm，57mm，90mm×长度如7300mm或3700mm抽油泵管进行内表面激光强化处理，图5及图6分别为本实施例利用气体CO2激光器对长7300mm、内径57mm的抽油泵管激光强化处理的强化层深度及强化层硬度图。实施例2其结构同实施例1相同，只是在激光淬火机床又增加一自动装卸工件的结构，自动装卸工件的结构安装在激光淬火机床台面导轨的小车中部，小车一端安装一用于固定工件的气动或电动卡盘与尾座，电动卡盘与尾座的中心有一通光孔，其通光孔的大小以确保激光束自由通过，小车中部有2个以上V形气动或液压装卸工件的结构，它由一立拄(28)的上部用轴活动连接两卡片(30)，轴(29)还可与计算机连接，当轴(29)放松时两卡片(30)自动掉下，工件随之而掉；当两卡片(30)实施例3其结构同实施例1的机械和光学结构相同，只是在整个装置中不用计算机，采用人工操作。其中使用YAG固体激光器；在预涂敷机与激光淬火机床之间有一可运送工件的传送带(9)。还包括一激光准直系统放在扩束限束镜之间或扩束限束光路之后的地方。
权利要求1 一种用于细小狭长管状工件内表面的激光强化加工的装置，包括激光器、气动光闸、光学扩束镜、光学限束镜、CCD监视器和探头、激光淬火机床，其特征在于还包括反射聚焦光学系统、预涂敷机，其中激光器前方光路上安置气动光闸，按图3的光路顺序安置光学扩束镜、光学限束镜，反射聚焦光学系统，其反射聚焦光学系统后方安置CCD监视器的探头；其中反射聚焦光学系统由一非球面反射镜固定在圆筒支撑器上，非球面反射镜内腔有循环水冷结构，在圆筒支撑器的圆筒内壁打有均匀排列的通气孔，和圆筒支撑器的壁上开有通光孔，以及外壁上有一气路结构，圆筒支撑器上有可调节角度的定位螺钉；整个反射聚焦光学系统固定在激光淬火机床的固定支撑架上，固定支撑架在激光淬火机床台面上的后部，可升降的固定支撑架具有多个气压或液压支撑柱；在激光淬火机床的前部台面上安有导轨，导轨上滑配载有小车，小车一端有一用于固定工件的气动或电动卡盘另一端有一尾座，电动卡盘与尾座的中心有一通光孔。
2 按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化加工的装置，其特征在于所述的预涂敷机由机身支架上固定一用来调节工件倾角和起支撑工件作用的工件倾角调节器，工件固定在一转速调节器上，再安装于机身支架上，电源连接转速调节器，一储液罐的两输出口各连接一根软管，每一根软管的另一端连接工件的一端，在胶质软管上设置一流量调节阀，预涂敷机与计算机电连接。
3 按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化加工的装置，其特征在于还包括一计算机，气动光闸、激光器、激光淬火机床、CCD监视器及相应的冷却水和辅助气体开关均受计算机控制。
4.按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化的装置，其特征在于还包括在激光淬火机床的前部台面上的导轨滑配载有小车，小车的中部有2个以上自动卸载工件的V形结构，它由一立拄的上部用轴活动连接两卡片，轴由计算机控制。
5.按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化的装置，其特征在于还包括预涂敷机与激光淬火机床之间有可运送工件的传送机构。
6.按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化的装置，其特征在于还包括在按图3的光路顺序安置光学扩束镜和光学限束镜之间或在光学扩束镜、光学限束镜后安置一激光准直系统。
7.按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化的装置，其特征在于所述的圆筒支撑器的壁上开有通光孔，其通光孔的位置在以保证聚焦光束自由通过的地方。
8.按权利要求1所述的一种管状工件内表面的激光强化的装置，其特征在于所述的激光器采用CO2激光器、YAG固体激光器。
专利摘要本实用新型涉及细小狭长管状工件内表面的微光强化装置。它包括激光器、光学扩束、限束镜、激光淬火机床、监测器,其特征在于:还包括气动光闸、反射聚焦光学系统、预涂敷机,其中激光器前方光路上顺序安置气动光闸,光学扩束镜、光学限束镜,反射聚焦光学系统和安置固定CCD监视器探头的激光淬火机床、预涂敷机;气动光闸、激光器、激光淬火机床、监测器均可受计算机控制,亦可采用手工操作。
文档编号C21D1/09GK2397126SQ9921163
公开日2000年9月20日 申请日期1999年6月2日 优先权日1999年6月2日
发明者陈光南, 武晓雷, 罗耕星, 张坤, 纪全, 孙传香 申请人:中国科学院力学研究所