一种超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置的制作方法

本实用新型涉及一种制备磨粒砂轮的装置，尤其涉及一种感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置。

背景技术：

磨粒工具以其高效、稳定、耐用等优异磨削特性，在天然岩石、工程陶瓷、半导体等硬脆性难加工材料的高效和精密磨削加工中发挥着无可替代的支柱作用。磨粒工具是利用结合剂把持下的众多磨粒实现无数微细切削进而完成工件材料去除。如何有效把持磨粒历来都是磨粒工具制备的前提。采用烧结或电镀工艺制作的磨粒工具时，磨粒只是被机械地包裹、镶嵌在结合剂层中，把持力较小，当负荷较重的加工中容易导致磨粒过早脱落，降低使用寿命。钎焊磨粒工具是利用活性钎料与磨粒在高温下界面上形成的化学冶金结合方式将磨粒牢固连接工具基体上。钎焊工具的磨粒强把持力、高出刃度和大容屑优势彻底避免了传统电镀、烧结金刚石工具的把持不足、低出刃、易堵塞和易烧伤等问题，同时磨粒排布可控更是使业界多年来的主动构造锐利磨具工作地貌梦想得以实现。为此，钎焊磨粒技术被业界誉为磨粒工具制备的革命性技术。

近些年来，国内外的研究者提出了激光钎焊磨粒工艺，其出发点是以激光束作为热源加热熔化活性钎料从而实现对磨粒的有效连接。与传统炉中加热、感应加热等方法相比，激光加热钎焊技术具有光斑直径小，能量密度高，热影响范围小，钎焊效率高；同时激光束易于聚焦，灵活性高，配合现代数控技术，通过光斑区域选择性加热钎焊实现磨粒有效排布工具的快速制备。

近年来，尤其是在国内南京航空航天大学、华中科技大学、华侨大学等单位相关研究团队的努力下，对激光加热参数、连接机理和热损伤方面都进行了大量的研究，纷纷报道了激光加热下已经能够在金刚石/钎料界面形成碳化物连接，成果鼓舞人心。但也发现，与传统加热相比，该方法存在连接界面不紧密，热冲击、残余应力大，石墨化严重等问题。使用中不仅存在上述的高比例非正常失效，还出现了常规加热钎焊中少有的磨粒脱落现象。究其根本原因在于：现有激光加热钎焊磨粒工艺都是通过激光束将待加热区温度从室温迅速加热到活性钎料熔化温度以上，随后又迅速冷却至冷却室温，激光加热区内外温差过大(高达900摄氏度以上)，速热速冷不仅给磨粒带了强烈的热冲击，更是会在磨粒上留下巨大焊接残余应力，其结果导致应用中出现上述缺陷是在情理之中。毫无疑问，有效破解激光加热方式的速热速冷所带来的问题是充分发挥激光加热优势实现高性钎焊磨粒工具的关键。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置，通用型强，可以高效、高质量的实现磨粒砂轮的钎焊制备。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置，包括：保护腔体系统、旋转轴、超声波加载系统、感应加热系统和激光加热系统；

所述旋转轴上固定一待焊砂轮；所述感应加热系统的感应线圈贴近于所述待焊砂轮的外周表面，其与所述待焊砂轮外周表面的距离小于所述感应线圈的有效加热距离；

所述激光加热系统的激光束光斑聚焦于所述待焊砂轮的外周表面，并沿着所述旋转轴的转动方向位于所述感应线圈的后方；

所述超声波加载系统中的超声波变幅杆末端加载点位于激光束光斑聚焦作用区的砂轮侧面；

所述待焊砂轮、感应线圈、激光束光斑和超声波加载点位于气氛保护系统的保护腔体中。

在一较佳实施例中：所述的保护腔体系统还包括与所述保护腔体连接的保护氛围发生器；所述保护氛围发生器使所述保护腔体处于真空状态或充满惰性气体。

在一较佳实施例中：所述的感应加热系统还包括与所述感应加热线圈相连的感应加热电源。

在一较佳实施例中：所述的激光加热系统包括位于同一光路上的激光器、激光导光装置和激光聚焦装置。

在一较佳实施例中：所述的超声波加载系统包括超声波电源、声波发生器、超声波变幅杆和滚轮；超声波发生器与超声波变幅杆连接，超声波变幅杆另一端上固定所述滚轮，超声波发生器与超声波电源相连；所述滚轮压紧于激光束光斑作用区的砂轮侧面。

在一较佳实施例中：所述保护腔体包括与所述转轴同轴设置的腔体座和腔盖，其相对密闭组合后形成保护腔体；所述腔盖的表面设有一透明窥视孔。

在一较佳实施例中：激光束光斑为圆形或椭圆形或矩形，光斑面积为0.5-100mm²，且小于感应线圈的面积。

在一较佳实施例中：所述的超声波变幅杆加载可以为1个或多个。

在一较佳实施例中：所述超声波的振动频率为20～100kHz，功率为30～ 1600W，超声波变幅杆末端振幅为3-50um。

在一较佳实施例中：所述激光束为连续或脉冲，平均功率为0.1kW-20kw。

在一较佳实施例中：所述激光束光斑为圆形或椭圆形或矩形，光斑面积小于感应加热预热区，为0.5-100mm²。

在一较佳实施例中：所述待焊砂轮在旋转过程中，所述激光束光斑沿砂轮轴线方向往复运动。

在一较佳实施例中：活性结合剂为含有质量分数为0.1-15％，且能与磨粒发生化学结合元素的预合金粉末。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：

本实用新型所述的一种感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的方法和装置，通过感应加热和激光加热的双温度场耦合构造实现局部钎焊连接磨粒的温度场条件，相比现有的激光加热方式，其优势体现在：

(1)通过感应线圈加热方式预热，大幅缩小激光钎焊时的熔池内外温度差，即将工件待钎焊区温度预热至预焊温度(在这个温度下活性钎料并未熔化)，在此基础上通过激光加热只需将待焊区温度进一步作少量提升即可实现磨粒钎焊连接，有效避免了熔池内温度差过大所带来弊端；

(2)由于预热作用，采用低功率激光束即可实现钎焊区温度的提升，有效避免的高功率激光所带来的热冲击过大，热流失控等问题。

(3)在激光加热熔化活性结合剂连接磨粒时，借助超声波辅助振动，促进活性结合剂粉末熔化与粘结，加速液态熔池；进而借助超声波强压空穴效应，促进熔融液态活性结合剂流动，降低固液表面张力，促进磨粒/结合剂界面化学连接形成，加速结合剂爬升磨粒，从而缩短磨粒暴露于高温区时间，缩短磨粒化学腐蚀。在连接后冷却过程中，利用超声波高频搅拌阻止晶粒长大和细化晶 粒，缓解组织应力,借助超声波高频振动进行高温振动时效处理，促使钎料合金发生蠕变并发生微屈服流动，缓解热应力，以从源头上减少残余应力的形成。

此外，借助感应加热的局部优势和激光束光斑加热区域选择性优势，再搭以工件旋转运动，实现了通过局部组合热源与工件相对运动实现了砂轮整体钎焊制备。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的原理示意图；

图2为本实用新型优选实施例的一种超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置示意图；

图3为图1的S—S截面视图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。

参考图1-3，本实用新型为了解决现有激光加热制备钎焊磨粒时熔池内外温度场过大以及激光束功率过大的等问题，提供一种超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的方法和装置，通过感应加热预热工件待焊加热区使激光加热方式的弊端得到有效控制。

一种超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的装置，包括待焊砂轮1、旋转轴2、感应加热系统3和激光加热系统4、气氛保护系统5和超声波加载系统。

待焊砂轮1由砂轮基体13及涂覆在其外面圆表面的活性结合剂11和磨粒12构成。

感应加热系统3由感应线圈31及与其相连的感应加热电源32构成。

激光加热系统4是由激光器42、激光导光装置43和激光聚焦装置44位于同一光路上构成，激光束45由激光器42产生，经过激光导光装置43和激光聚焦装置44后在待焊砂轮1表面形成激光束光斑41的作用区。

气氛保护系统5由密闭的气氛保护腔体51和与其相连的气氛保护发生器52构成，其中密闭的气氛保护腔体51由腔体座511和腔盖512构成，腔盖512上设置有透明窥视孔513，用于观察腔体的工作情况。

所述的超声波加载系统包括超声波电源64、超声波发生器63、超声波变幅杆62和滚轮61；超声波发生器63与超声波变幅杆62连接，超声波变幅杆62的另一端上固定有所述滚轮61，超声波发生器63与超声波电源64相连。所述滚轮压紧于激光束光斑作用区的砂轮基体13侧面。

所述感应加热系统3的感应线圈31贴近于所述待焊砂轮1的外周表面，其与所述待焊砂轮1外周表面的距离小于所述感应线圈31的有效加热距离；

所述激光加热系统4的激光束光斑聚焦于所述待焊砂轮1的外周表面，并沿着所述旋转轴2的转动方向位于所述感应线圈31的后方。

所述待焊砂轮1、感应线圈31、激光束光斑41和超声波加载点位于所述气氛保护系统5的保护腔体51中。

使用时，将涂覆有活性结合剂11和磨粒12的待焊砂轮1固定在旋转轴2的轴端21上，调整感应线圈31与待焊砂轮1的距离，调整激光束光斑41作用区在待焊砂轮1上的作用位置。使得激光束光斑41聚焦于所述待焊砂轮1的外周表面，并沿着所述旋转轴2的转动方向位于所述感应线圈31的后方。

启动气氛保护系统5，启动旋转轴2，使其带动待焊砂轮1以均匀旋转。同时，启动超波电源64激励超声波发生器63产生超声波并通过超声波变幅杆62 放大后通过滚轮61施加在砂轮基体13上；启动感应加热电源32和激光器42，感应线圈31和激光束聚焦光斑41对待焊砂轮1表面进行耦合加热，即旋转运动使待焊砂轮1局部表面经过感应预热区因感应加热达到预焊温度，经预热的待焊砂轮1局部表面因旋转运动继续经过激光束聚焦光斑41加热钎焊区。位于激光束光斑41作用区内的待焊砂轮1表面温度快速从预焊温度上升到钎焊温度，在此温度下位于激光束光斑41作用区内的活性结合剂11发生熔化、形成熔池后进而将位于熔池内的磨粒12通过化学键合方式钎焊连接在砂轮基体13上。在此耦合加热连接磨粒过程中，利用超声波效应一方面促进激光加热升温过程活性结合剂与磨粒界面的化学键合和润湿爬升效应，另一方面，对离开激光加热光斑区的已连接好的磨粒进行高频振动从而使其热应力得到有效释放。

旋转轴2带动待焊砂轮1相对感应加热区和激光聚光光斑作用区旋转完整一周时，即完成了对整个待焊砂轮1的感应预热和激光钎焊，关闭激光器42、感应加热电源32和超声波电源64，冷却至室温后拆下得到所制备的磨粒砂轮，也可以在关闭激光器42后，通过旋转轴2提高砂轮旋转速度并继续维持一段感应加热电源32和超声波电源64的工作，使得砂轮基体13按一定的降温速度缓慢冷却至室温。旋转轴2带动待焊砂轮1相对感应加热区和激光聚光光斑作用区旋转完整一周时，即完成了对整个待焊砂轮1的感应预热和激光钎焊，关闭激光器42和感应加热电源32，冷却至室温后拆下即可得到所制备的磨粒砂轮，也可以在关闭激光器42后，通过旋转轴2提高砂轮旋转速度并继续维持一段感应加热电源32和超声波电源64的工作，使得砂轮基体13按一定的降温速度缓慢冷却至室温。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。