一种大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置的制作方法

本发明属于高功率半导体激光器激光表面改性技术领域，更具体地，涉及一种大型长筒型工件内壁的半导体激光表面处理装置，采用望远镜扩束系统，适用于大型长筒工件内壁表面处理，工件长度可达10m及以上，是一种大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置。

背景技术：

大型钢管工件在石油管道、海洋装备、排水、天然气输气、采矿、隧道掘进等各大工业领域中占据重要地位。与工件的外壁相比，大型钢管由于其管内所运输物质的化学腐蚀与物理冲蚀，内壁的磨损往往更为严重，直接导致了工件的使用寿命大大缩短。激光表面处理提高工件耐腐蚀性与耐磨性，使用寿命。但是由于大型钢管的形状与重量等条件限制，如何对大型钢管的内壁进行表面处理仍是一大难题。

目前针对大型钢管内壁的表面处理技术主要如下：

热喷涂技术：热喷涂是通过对喷涂材料经过高温照射基体结合形成熔覆层，具有高硬度耐磨特性。但是随着时间的推移，当涂层磨损以后，偏磨现象依然存在，同时喷涂涂设备难以进入较小的长筒内壁。

渗氮技术：有些工件利用渗氮在ni基合金涂层表面原位合成氮化物固体润滑膜层，是解决ni基合金涂层自润滑问题的良好途径，由于设备条件限制，渗氮技术在大型钢管的内壁的表面处理受到限制。

电镀化学涂层：电镀化学涂层与基体具有良好的冶金结合性能，但是电镀涂层时通常需要将待镀件浸入电镀液中，不太适用于大型钢管内壁。

激光表面处理：通过改变激光参数，可解决不同的表面处理工艺问题。可以进行激光上釉、激光重熔、激光合金化、激光涂敷和去除处理(如激光清洗)。例如油管内壁激光相变处理能够得到更加细化的晶粒组织，耐磨耐蚀性能提高。激光熔覆具有热影响区小，工件变形小，层晶粒细小，结构致密。由于其加工效率高、速度快，十分适合于大型钢管在海洋平台、石油矿场等较恶劣的外部环境下的就地维护工作。

然而由于受到光路系统的限制，目前激光表面处理主要集中于零部件外壁表面，对于内壁处理一般主要是3米长度工件，针对10米超长度的大型钢管内壁的激光表面处理装置难度极大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置，其中通过对装置内各组件的设置方式、内部结构及各个组件之间的相互配合工作方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决大型、超长、超重长筒型待加工管件的内壁加工问题，本发明旨在针对海洋装备、输油管道、化工装备、隧道掘进、煤炭开采等大型长筒工件内壁，高功率半导体激光熔覆技术为选定工件内壁强化表面耐磨耐腐蚀等性能，大幅度提高其使用寿命。并且，本发明还优选对激光扩束器其具体结构及光学参量设置等进行控制，使在前的短焦距透镜其后焦面与在后的长焦距透镜其前焦面相重合，使激光光束具有更长的传输距离，从而适用于长度较大的长筒型工件的内壁表面处理，尤其适用于10m以上长度大型工件内壁表面处理。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置，其特征在于，包括激光产生组件、激光扩束器(5)和激光加工梁式中心转轴(13)，其中，

所述激光加工梁式中心转轴(13)使用时置于待加工管件(12)内，该激光加工梁式中心转轴(13)能够绕其中心轴线旋转，其中心轴线与所述待加工管件(12)的中心轴线两者重合；所述激光加工梁式中心转轴(13)具有轴中导光通道，该轴中导光通道与所述激光加工梁式中心转轴(13)的中心轴线相重合；所述激光产生组件用于产生激光，该激光经过所述激光扩束器(5)整形后由所述轴中导光通道传输；在所述激光加工梁式中心转轴(13)内还设置有平移机架(14)，该平移机架(14)能够随着所述激光加工梁式中心转轴(13)的转动而转动，该平移机架(14)上设置有聚焦组件，该聚焦组件包括聚焦透镜和激光转折镜，所述聚焦透镜与所述激光转折镜配合作用，用于使所述轴中导光通道内传输的激光束聚焦并投射到所述待加工管件(12)的内壁上；该平移机架(14)用于带动所述聚焦组件在所述激光加工梁式中心转轴(13)内进行平移；

所述待加工管件(12)的长度为10米以上。

作为本发明的进一步优选，所述激光扩束器(5)包括两个前后排列设置的不同焦距的透镜，其中，位于光路前部的焦距较短，为短焦距透镜；位于光路后部的焦距较短，为长焦距透镜；所述激光产生组件产生的激光先经过该短焦距透镜聚焦，并且聚焦后形成的光斑落在所述长焦距透镜的前焦面上；

优选的，所述短焦距透镜的焦距不超过入射高斯光束其瑞利长度的十分之一。

作为本发明的进一步优选，所述平移机架(14)包括一根传动丝杆、以及端面按正多边形多个顶点分布的多根并列固定支杆，该平移机架(14)还包括同时套设在这多根固定支杆上的左滑动支撑板和右滑动支撑板，所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板用于在所述传动丝杆的传动下沿着所述固定支杆滑动，所述聚焦组件至少与所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板中的一者相连；

此外，这些传动丝杆及固定支杆的两端分别固定于所述激光加工梁式中心转轴(13)两端的轴板上，能够随着所述激光加工梁式中心转轴(13)的转动而转动；此外，所述激光加工梁式中心转轴(13)两端的轴板还分别通过支撑架支撑。

作为本发明的进一步优选，所述聚焦组件中的所述聚焦透镜和所述激光转折镜按先后顺序设置在光路上，所述轴中导光通道内传输的激光束是依次经由所述聚焦透镜和所述激光转折镜，最终投射到所述待加工管件(12)内壁上的；所述聚焦透镜和所述激光转折镜均位于所述激光加工梁式中心转轴(13)的中心轴线上，所述激光转折镜设置在所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板之间；

在所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板中的一个上设置有调焦手轮(27)，另一个上设置有调焦丝杆座(26)，所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板之间还连接有调焦丝杆，利用所述调焦手轮(27)能够通过调焦丝杆调节所述聚焦透镜的位置，进而进行调焦。

作为本发明的进一步优选，所述聚焦组件中的所述激光转折镜和所述聚焦透镜按先后顺序设置在光路上，所述轴中导光通道内传输的激光束是依次经由所述激光转折镜和所述聚焦透镜，最终投射到所述待加工管件(12)内壁上的；所述激光转折镜位于所述激光加工梁式中心转轴(13)的中心轴线上、且设置在所述左滑动支撑板和所述右滑动支撑板之间，所述聚焦透镜设置在所述激光加工梁式中心转轴(13)的中心轴线之外；

所述聚焦透镜与调焦丝杆相连，利用调焦手轮(27)能够通过调焦丝杆调节所述聚焦透镜的位置，进而进行调焦。

作为本发明的进一步优选，所述多根并列固定支杆具体为三根并列固定支杆，这三根并列固定支杆其端面按等边三角形三个顶点分布的。

作为本发明的进一步优选，所述传动丝杆是通过行星齿轮(16)构成的轴承与驱动电机相连，所述驱动电机设置在所述激光加工梁式中心转轴(13)一端的轴板上；优选的，所述行星齿轮(16)通过弹簧拨环离合器(15)与所述驱动电机相连，该弹簧拨环离合器(15)用于切换所述行星齿轮(16)与所述驱动电机啮合与非啮合的状态；

所述驱动电机还与中轴齿轮(17)相连，该中轴齿轮(17)用于带动所述激光加工梁式中心转轴(13)绕其中心轴线旋转。

作为本发明的进一步优选，所述激光产生组件包括固体激光器(4)及分别与该固体激光器(4)相连的冷水组件(1)、激光机电源(2)、工作气源(3)，其中，所述冷水组件(1)用于冷却该固体激光器(4)，所述激光机电源(2)用于向该固体激光器(4)提供电源，所述工作气源(3)用于向该固体激光器(4)提供工作气体。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)整体上可以实现不同长度不同直径内壁处理，工件可以不运动。本发明采用半导体激光器直接输出，可以适合矩形光斑表面处理，能量密度分布均匀、设备结构紧凑。优选的，同丝杆和可调聚焦光筒配合起来，容易实现任意长度与内径的大型长筒型工件的内壁的表面处理，解决大型工件太重无法实现转动的关键问题。

(2)特别适合于长筒内壁处理。采用望远镜扩束系统对激光束进行扩束，使光束具有更长的传输距离，从而适用于长度较大的长筒型工件的内壁表面处理，适用于10m长度大型工件内壁表面处理。即，本发明通过优选采用特定结构设置的激光扩束器组件，光束准直，适合远距离传输，后续的聚焦组件可将激光合适地聚焦于待加工工件的内壁表面上。

(3)可以实现光束转动、工件不运动。采用不同长度的传动丝杆及固定支杆，对机架采用两头支撑固定，使其构成梁型结构，激光头可以在导杆上前进和转动，工件不需要运动。通过驱动电机优选经过行星齿轮可以驱动转轴内平移机架在直线轨道上运动并调节运行速度。

(4)焦距可调，适合于不同直径的长筒内壁处理。通过调节调焦手轮，调节激光转折镜与聚焦透镜的距离，从而使光束稳定聚焦在工件内壁表面。不因为工件内径的不同而影响本装置对工件内壁的表面处理质量，本专利甚至可以通过该方式对内径长度仅100mm的管状工件的内壁进行表面处理(也就是说，本发明适用于各种内径大于等于100mm的待加工管件)。

本发明所采用的平移机架可优选主要由一根传动丝杆、三根固定支杆、左右两个滑动支撑板构成(当然，固定支杆也可以是多根)。可以根据待加工工件的长度来选择长度合适传动丝杆及固定支杆，使本装置可适用于不同长度的长筒形/管型工件。同时将传动丝杆及固定支杆的两端分别固定于两侧的轴板，并用支撑架分别支撑两端轴板，使其和平移机架构成一个横梁型结构，大大提高了平移机架的稳定性。并且通过合理调节支撑架的高度，使激光加工梁式中心转轴的中心旋转轴也即整个平移机架的轴线(该轴线即经过多根并列固定支杆分布的端面正多边形的形心，且垂直于端面的轴线)始终保持与待加工工件内孔同轴。

本发明可以通过行星齿轮构成的轴承连接驱动电机和传动丝杆，使其构成连动，从而在驱动电机工作时经行星齿轮、传动丝杆带动固定于平移机架上的激光熔覆头沿待加工工件内壁中心轴所在直线上进行移动，同时亦能带动激光熔覆头以待加工内壁中心轴为轴心进行旋转。同时可通过调节驱动电机的旋转方向，控制激光熔覆头的移动方向和旋转方向。

本发明可以将聚焦光筒设为长度可调的形式，通过转动调焦手轮，调节聚焦光筒中聚焦透镜和激光转折镜之间的距离，改变聚焦深度，使激光熔覆头的出光可以稳定聚焦在待加工工件的内壁表面，从而使本装置可适用于不同内径的大型长筒型/管型工件的内壁表面处理上。具体说来，由于本装置所使用的光源波长和聚焦透镜可以都是固定的，所以焦距f固定，从而聚焦所需距离也是固定的；而通过转折镜我们可以将这段距离分解成沿工件轴心方向(长度为聚焦透镜和转折镜间的距离a)和沿工件半径方向(长度为转折镜和焦点间的距离b)两个部分，由于这两部分距离之和始终等于焦距，而要将光束聚焦在工件内壁表面，则沿工件半径方向的长度必须等于该工件内壁半径r，所以我们可以通过调节手轮改变聚焦透镜和转折镜之间的距离a。即a+b＝f，通过调节a＝f-r，使b＝r，其中f为聚焦为固定值，r为工件内壁半径。当该装置先后与用于内壁半径长度不同的工件或工件内壁半径长度改变时，我们只需调节聚焦透镜和转折镜之间的距离这一个参数即可保证熔覆光束聚焦在工件内壁上，并且这一距离是一个一维参数也十分便于调节。

此外，当加工件内径或位置不同时，可以调节聚焦透镜的位置使聚焦透镜在激光转折镜的后方，以保证激光加工区处在合理的焦深范围内；此时，相应的可将调焦手轮和焦丝杆座等调焦部分由工件内壁轴心方向重新装配到工件内壁半径方向(例如，可将激光转折镜仍设置在激光加工梁式中心转轴的中心轴线上、且使其位于在左滑动支撑板和右滑动支撑板之间，而将聚焦透镜设置在激光加工梁式中心转轴的中心轴线之外，通过调节聚焦透镜沿管件半径方向上的位置进行调焦，这样轴中导光通道内传输的激光束可依次经由激光转折镜和聚焦透镜最终投射到待加工管件的内壁上)。而通过优选控制驱动电机等的安装位置，使本该安装在中心转动体外侧会影响转体转动的一切外挂件，除了有足够空间供其转动的丝杆行星齿轮外，都转移到了床头机架上去，中线转轴和机架固定件间的牵挂都解除了。本发明通过设置弹簧拨环离合器，可以通过调节弹簧拨环离合器让行星齿轮与中轴齿轮分离，使其处于静止状态。没有中轴齿轮与行星齿轮的相互作用，丝杆虽然仍在绕中轴转动，但其已不具备带动平移机架的能力了，对系统的干扰也就排除了。

附图说明

图1是本发明一种多功能全工位长筒内壁半导体激光表面处理装置的整体结构图。

图2是扩束系统原理光路图。

图3是平移运动机构负载半导体激光熔覆头的结构图。

图4是激光头转动系统结构图。

图5为本发明在各种不同条件下管内激光表面处理示意图；其中，(a)是管筒自转管内激光熔覆示意图，(b)是管筒内全方位激光熔覆示意图，(c)是管筒上进行激光熔覆加工示意图，(d)为管筒内壁激光淬火示意图，(e)为管筒内全方位激光淬火示意图，(f)为在管筒上方进行激光淬火加工示意图，(g)为将原本聚焦镜转移到激光折射镜的后方后的管筒内壁激光熔覆示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为冷水机组，2为激光机电源，3为工作气源(该工作气源用于工作气体)，4为固体激光器，5为激光扩束器，6为激光束转折镜，7为三维机械工作台，8为操作控制器，9为下工位激光熔覆双通道宽带送粉器，10为全方位激光熔覆粉料喷涂器，11为涡轮传动轴中导光机架，12为待加工管件，13为激光加工梁式中心转轴(简记为梁式中心转轴)，14为转动轴内置平移机架(简记为平移机架)，15为行星齿轮弹簧拨环离合器(简记为弹簧拨环离合器)，16为行星齿轮，17为中轴齿轮(即，中心齿轮)，18为加工机尾架，19为行星齿轮驱动电机，20为管件支撑旋转架，21为加工平台，22为左轴板丝杆轴承座，23为传动插销孔，24为丝杆滑环套，25为聚焦及保护镜座，26为调焦丝杆座，27为调焦手轮，28为滑轴套环，29为三滑动导向支架杆，30为丝杆固定螺母，31为右轴板外伸中轴，32为右轴板丝杆轴承座，33为左轴板并导光中轴，34为转轴保护罩，35为平移机架左支承滑板(简记为左滑板)，36为伸缩导光筒，37为45°激光转折镜，38为平移机架右支承滑板，39为水冷镜座，40为平移机架驱动丝杆，41为转动轴右支承板，42为右轴板丝杆滑动轴承，43为保护罩加工窗口，44为聚焦透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中所设计的大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置，目的非常明确，就是解决大型长筒型工件内壁表面改性的激光表面处理装置及工艺难题。

本发明中大型长筒内壁的高功率半导体激光表面处理装置包括激光产生组件、激光扩束器5和激光加工梁式中心转轴13，其中，

所述激光加工梁式中心转轴13使用时置于待加工管件12内，该激光加工梁式中心转轴13能够绕其中心轴线旋转，其中心轴线与所述待加工管件12的中心轴线两者重合；所述激光加工梁式中心转轴13具有轴中导光通道，该轴中导光通道与所述激光加工梁式中心转轴13的中心轴线相重合；所述激光产生组件用于产生激光，该激光经过所述激光扩束器5整形后由所述轴中导光通道传输；在所述激光加工梁式中心转轴13内还设置有平移机架14，该平移机架14能够随着所述激光加工梁式中心转轴13的转动而转动，该平移机架14上设置有聚焦组件和激光转折镜，所述聚焦组件与所述激光转折镜配合作用，用于使所述轴中导光通道内传输的激光束聚焦并投射到所述待加工管件12的内壁上；该平移机架14用于带动所述聚焦组件与所述激光转折镜在所述激光加工梁式中心转轴13内进行平移；

所述待加工管件12的长度可以是10米以上的待加工管件12。

优选的，半导体激光经过转折镜(图1中未示出，属于激光产生组件的一部分)反射后，光束经图1所示的激光扩束器5整形后由轴中导光通道传输。激光扩束优选采取如图2所示的倒装望远镜系统，光束先经过一个短焦距透镜聚焦，短焦距透镜的焦距远小于入射高斯光束的瑞利长度时，其聚焦光斑的半径将会非常小。同时将该聚焦光斑恰好落在另一个长焦距透镜的前焦面上，光束准直，适合远距离传输，后续的聚焦组件可以将激光合适地聚焦于待加工工件的内壁表面上。

总体来说，本发明中针对大型长筒型工件的内壁的半导体激光表面处理装置，可优选主要包括高功率半导体激光器、反射传输、扩束准直、轴中导光通道、固定夹具、平移机架、长距离光束运动、行星齿轮、光束转动、焦距调整、支撑机构、端面固定等结构。

具体工作时，可以采用如下方式中的任意一种：

1、图1所示，将被加工管筒工件放在管件支撑旋转架20上，将梁式中心转轴13插入待加工管件12中，做好准备下，选定平移功能及工艺参数后即可开机，在工件自转和光筒平移状态下，可实现工件内壁的表面处理，激光光点轨迹为管螺旋线。

如图1-4所示，为在空间有限的管筒内部进行施工，我们在其中心部位架设了一个梁式中心转轴13。转轴内部有三滑动导向支架29以及实现平动功能的平移机架14，平移机架14是激光头的载体。平移机架14的平移运动是由平移机架驱动丝杆40拖动的。如此平移机架14在三滑动导向支架29上作平移运动，激光加工点的运行轨迹必然是一条支线了，平移机架14的运行方向和速度由丝杆转向和转速决定。

2、在图3-4所示，在工件不易转动时，选择系统平移机架14的平动功能和梁式中心转轴13的旋转功能，无须管筒自转即可完成管筒内激光加工。在平动和转动功能的共同作用下，可实现工件内壁的激光表面处理，激光光电的运动轨迹为一空间螺旋线。

3、驱动梁式中心转轴并调节转动方向和速度

图1中的梁式中心转轴13是一个中心导光，内置激光聚焦镜、光束转折镜、三直线导轨、平移机架和驱动丝杆等多项功能部件的长筒式中心转动轴，梁式中心转轴13的回转中心与筒内光轴的中心一致(当然，此时聚焦透镜44是位于激光加工梁式中心转轴13的中心轴线上)，对管筒式加工件而言，待加工管件12的几何中心也必须与上述中心重合。

在这里提及的丝杆转动有三个不同转动形式：

(1)当驱动梁式中心转轴13内的平移机架14在直线轨道上运动时，丝杆在行星齿轮驱动电机19的驱动下是绕着自身的中心轴转动的，在此姑且称之为自转，丝杆自转产生了对平移机架14推拉力，使平移机架14在三滑动导向支架29上移动，这是实现驱动运动功能的必备条件。

(2)当驱动梁式中心转轴13转动时，梁式中心转轴13的转动是绕着梁架中心轴转动的，此时安装在转动轴筒内的全部器件(包括丝杆)都会同时绕着转动轴中心转动，在此姑且称之为公转。

(3)在部分特殊情况下，驱动梁式中心转轴13内的平移机架14并不运行，只单独启用驱动梁式中心转轴13转动在空间作独立圆加工，若此时丝杆行星齿轮16未能与梁架中轴齿轮17分离，丝杆行星齿轮16仍会绕着梁架中轴齿轮17转动，丝杆亦随之转动，在此姑且称为被转。

4、调节激光束焦点位置。图1、3、4所示，摇动调焦手轮27，让调焦丝杆顺时针或反时针方向转动，并对平移机架14上的左滑板35产生推力或拉力，使左滑板及其上固定的聚焦透镜44随之移动，当聚焦透镜位置改变时，其焦点的位置也随之改变，即激光加工的位置和正或负高焦量的大小都发生了变化。由此可见，当加工件内径或位置不同时，需要调节聚焦透镜的位置以保证激光加工区处在合理的焦深范围内。

图4所示，当大直径管筒内壁进行全方位激光加工时，若聚焦镜的焦距长度小于管筒半径，则可以通过改变聚焦镜的安装位置，即将原本安装45°激光转折镜前的聚焦镜转移到激光折射镜的后方去，并且留有调节空间使激光聚焦点落在管筒内壁上，从而满足全方位作业要求。

5、全方位激光加工对系统的运行条件

(1)全方位激光加工时，必须启动系统的平移和转动功能，为调焦方便，激光束应从中心导入。中线转动体外侧不应安装会影响转体转动的一切外挂件，与机架等立定件之间也不应有任何牵挂，包括管线和操作件等。

(2)在熔覆粉量不能停放的任何平面或曲面，都不能使用启动送粉器送粉。

6、丝杆的驱动电机(即，行星齿轮驱动电机19)固定在右床头机架的中心部位，与床头中心轴(即，右轴板外伸中轴31)相连。这个关键的中心轴有三个功能：一是电机驱动轴，二是电机传动齿轮轴，三是梁式中心转轴13在轴板外中轴的轴孔。如此，本该安装在中心转动体外侧会影响转体转动的一切外挂件，除了有足够空间供其转动的丝杆行星齿轮外，都转移到了床头机架上去，中线转轴和机架固定件间的牵挂都解除了。

7、丝杆行星齿轮绕中心转动轴公转所产生对系统的干扰是可以排除的。在管筒内进行激光独立圆环加工时，既然不需要平移机参与，图1中，可以通过调节弹簧拨环离合器15让行星齿轮16与中轴齿轮17分离，使其处于静止状态。没有中轴齿轮17与行星齿轮16的相互作用，丝杆虽然仍在绕中轴转动，但其已不具备带动平移机架14的能力了，对系统的干扰也就排除了。当然，在系统齿形螺旋轨迹的加工时，中心齿轮和杆上的行星齿轮运行状态是不一样的，丝杆的被转作用仍然存在，不过影响较小，还可以通过修改平移机的运行参数予以矫正。

8、对中心转动轴内一些需要冷却零件的冷水供应，可采用两密封滑板环-管道水的方法来实现，气体的运输也是如此。因该技术目前已经成熟且被广泛使用，故在此处未作图示。

另外，图1中示出的下工位激光熔覆双通道宽带送粉器9和全方位激光熔覆粉料喷涂器10，两者是二选一的关系，下工位激光熔覆双通道宽带送粉器9为一般情况下激光熔覆所用，提供粉状熔覆材料，而在送粉速度较快或送粉角度较偏等下工位激光熔覆双通道宽带送粉器9不便适用的情况下，采用全方位激光熔覆粉料喷涂器10提供糊状熔覆材料代替下工位激光熔覆双通道宽带送粉器9提供的粉状熔覆材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。