专利名称：一种结晶器激光再制造成套设备的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器应用技术领域，特别是涉及一种结晶器激光再制造成套设备。
背景技术：
结晶器是炼钢中连铸钢的关键部件，连铸时钢水通过结晶器表面连续冷却而直接 铸出钢坯，结晶器的质量直接影响连铸坯表面质量、连铸机作业率和连铸坯成本及出钢吨 位等。高效连铸技术的发展对结晶器质量提出了更高的要求，高强度、高耐磨性、耐腐蚀性 和良好的导热性成为衡量结晶器质量的重要指标。目前，对结晶器表面处理常用的技术有 堆焊技术、熔接技术、电镀、化学镀、热喷涂、非金属镀技术、物理与化学气相沉积、化学热处 理、激光熔覆等。然而广泛应用的电镀、化学镀、热喷涂等表面处理方法虽然能提高结晶器 铜板的耐磨性，但由于制备的涂层与基体是机械结合，而不是冶金结合，在结晶器使用过程 中常会由于热疲劳镀层易于发生剥落起皮，引起结晶器铜板的报废和连铸停产；涂层存在 着疏松、气孔、夹杂等缺陷，显著影响涂层性能和使用寿命。近年来，出现了大功率0)2激光器在结晶器铜板表面进行激光熔覆工艺的研究；获 得的激光熔覆耐磨合金涂层为冶金结合，与电镀、热喷涂等涂层相比，具有结合强度高、熔 层组织细密均勻的特点。然而，目前结晶器激光熔覆的设备均采用大功率CO2激光器，该激 光器在金属对激光的吸收率和光束质量等方面与工业化高功率全固态激光器相比都存在 较大劣势。
发明内容针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种结晶器激光再制造成套设 备，满足结晶器表面进行激光熔覆工艺的可实施性，同时获得的激光熔覆涂层满足结晶器 恶劣的工作环境，最终可以提高结晶器的性能和使用寿命。本发明采用的技术方案如下本发明包括激光器、数控加工机床、激光加工头、送粉器、整机控制系统和安全防 护房，所述的激光器为全固态激光器，与机床上的激光加工头通过传输光纤连接。所述的送粉器包括存储粉末的料筒、驱动机构、密封箱和置于密封箱的第一刮粉 块、第二刮粉块、送粉盘，驱动机构与送粉盘连接，第一刮粉块和第二刮粉块对称置于送粉 盘的同一端面上，通过密封箱盖固定压紧，密封箱上设有通气管，料筒出料口与第一刮粉 块的进料口配合，第二刮粉块的出粉口与送粉管连接，在送粉盘与两刮粉块相接触的端面 上开有环形沟槽，在工作时，密封箱内通入惰性气体；环形沟槽的宽度为5-10mm，深度为 0. 5-lmm。本发明的有益效果本发明采用全固态激光器对结晶器进行表面熔覆，可以产生更高功率的激光束， 通过传输光纤与激光加工头连接，结构简单，适于铜合金对激光的吸收。本发明中的送粉器结构，使粉末从料筒出口依靠重力和气压作用落到送粉盘的环形沟槽内，均勻分布在环形沟槽内，载流气体通过吸粉嘴将粉末以流动的形式送出。粉末的 输送量由环形槽形状、尺寸和送粉盘的转速控制。粉末输送通过通气管连接密封箱的封闭 式载气结构，且通气管的通气方式采用压气式气力输送，利于粉末流动和混合。本发明根据结晶器的机械性能、失效情况和铜合金表面激光熔覆的特点而设计， 在结晶器表层获得耐磨、耐冲蚀的冶金结合熔覆层。
图1为本发明的结构示意图。图2为图1中激光器的结构示意图。图3为图1中激光头的结构示意图。图4为图1中送粉器的结构示意图。图5为结晶器合金的涂层结构示意图。图中1、谐振腔；2、放大单元；3、激光束；4、X轴执行机构；5、Y轴执行机构；6、龙 门立柱；7、Z轴执行机构；8、激光加工头；9、结晶器；10、背板；11、送粉器；12、送粉管；13、 安全防护房；14、电控柜；15、工作台；16、龙门横梁；17、水冷机；18、传输光纤；19、激光器； 20、整机控制台；21、数控操作台；22、光纤连接器；23、激光准直单元；24、激光聚焦单元； 25、送粉头；26、料筒；27、第一刮粉块；28、送粉盘；29、密封箱，30、耦合器，31、第二刮粉块； 32、合金涂层；33、环形沟槽，34、通气管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例1 如图1所示，本发明包括激光器19、数控加工机床、激光加工头8、送粉 器11、整机控制系统和安全防护房，所述的激光器19为全固态激光器，与机床上的激光加 工头8通过传输光纤18连接，工作时，结晶器9安装在机床上激光加工头的下方。送粉器11的工作情况直接决定粉末流量的稳定性与均勻性，从而影响金属功能 零件成形的全过程。如图4所示，本例所述的送粉器11包括存储粉末的料筒沈、驱动机构、 密封箱四和置于密封箱四的第一刮粉块27、第二刮粉块31、送粉盘观，驱动机构由电机 减速机组成，其驱动电机通过减速机与送粉盘观连接，第一刮粉块27和第二刮粉块31对 称置于送粉盘观的同一端面上，通过密封箱盖固定压紧，密封箱四上设有通气管34，料筒 26出料口与第一刮粉块27的进料口配合，确保粉末出口精确定位，并流入刮粉块的锥形内 腔，第二刮粉块31的出粉口与送粉管12连接，在送粉盘观与两刮粉块相接触的端面上开 有环形沟槽33，所述环形沟槽33的宽度为5-10mm、深度为0. 5_lmm，本例宽度为5mm，深度 为1mm。在工作时，密封箱四内通入惰性气体，本例通入氩气。其中两刮粉块的材料均采用 尼龙制品。由驱动电机通过减速机带动送粉盘28转动，粉末从料筒沈的出口依靠重力和 气压作用落到送粉盘观的环形沟槽33内，均勻分布在环形沟槽33内，载流气体通过吸粉 嘴将粉末以流动的形式送出。粉末的输送量由环形槽形状、尺寸和送粉盘的转速控制。其 中，通气管34通过减压阀连接到高压惰性气体气瓶，使密封箱四内产生0. 2^0. 4MPa的压 力，实现气动送粉效果。如图2所示，为本发明采用的全固态激光器，该激光器采用的半导体泵浦的Nd YAG激光器。激光器采用六个单元模块，其中四个单元模块用于激光谐振，组成谐振腔1， 两个单元模块用于一次激光放大，组成放大单元2。半导体采用环形阵列的形式对晶体 棒进行泵浦。晶体棒的直径为Φ8-Φ12πιπι，长度为18-22mm，激光晶体中Nd+掺杂浓度为 1. 2%-1. 4% ο本例采用的数控加工机床、激光加工头均为外购件，其中数控加工机床为动横梁 式龙门机床，选配专用CAD/CAM自动编程、排料套料软件，计算机通过CNC系统可直接通讯。 机床配有废料收集装置，方便收集较小工件或废料。床身配有分段除尘装置，激光熔覆过程 中产生的气体、烟尘可有效排出，使工作环境得到有效改善。如图1所示，工作台上的背板 10可防止板料移动，保证零件加工精度。X轴、Y轴和Z轴执行器4、5、7在三个方向运动的 范围能够满足宽板和窄板结晶器的加工要求。数控加工机床最大定位速度> 20m/min，定位 精度彡士0. 05mm/m，重复定位精度彡0. 01_。如图3所示，激光加工头8包括送粉头25、激光准直单元23和激光聚焦单元对，激 光准直单元通过光纤连接器22连接到全固态激光器19输出的传输光纤18，用于实现激光 熔覆所需光束的汇聚，激光聚焦单元M端连接送粉头25，所述送粉头25与激光束3同轴。 其中为使粉末汇聚程度高，粉末利用率高、制造精度高，本例所述的送粉头25采用专利号 为ZL200820014633. 8的一种三维同轴激光送粉头。激光准直单元23和激光聚焦单元M 均为通用型零部件，购置依据为准直单元和聚焦单元最大可承受激光功率均为6kW，准直器 焦距为150mm，聚焦镜焦距250mm，焦点光斑1. 3mm。整机控制系统为与机床配套的三轴控制系统，为现有技术，包括整机控制台20、启 动盒及控制电缆，分别通过电缆与机床和激光器19连接。该系统不仅可以控制机床的运 动，还可以控制激光器19的功率和工作方式。安全防护房能绝对屏蔽和防止激光泄漏，可以保证激光加工安全的进行，实现清 洁的激光加工环境。操作人员可以在安全房外操作设备运转，大大提高了操作人员的安全 性。安全防护房四周的罩板均可设计成可拆卸罩板，并设有安全防护门，使设备的维护等更 加方便；罩板上配有安全防护视窗，可使透过防护视窗的激光辐照量低于人眼最大允许照 射量限值，不仅可以隔离对人眼有害的激光辐射，还能使工作人员在外部观测激光加工过 程。本发明的工作过程本发明在工作时，将待加工的结晶器9通过背板10装夹在加工激光床上，然后通 过机床上各个轴的移动完成激光对结晶器9整个待加工面的扫描。熔覆层的形成具体如 下如图1、图2所示，激光器的谐振腔1通过电控柜14外接380V工业用电源，在电激励作 用下产生3kw激光，经放大单元2加强，激光功率达到6kw，经耦合器30将波长为1. Οθμπι 的6kw大直径激光(25mm)耦合到直径800 μ m的传输光纤18中，实现激光的长距离柔性传 输，最终传输到图3所示的光纤连接器22，进入激光准直单元23，获得大直径平行激光束， 激光束3直径达到45mm，再经激光聚焦单元M，获得聚焦光束，其焦点直径为1. 3mm,并在 外离焦位置作用于结晶器9表面，瞬间在结晶器表面形成一个熔池，用激光斑点的尺寸为 Φ 3mm-Φ 5mm，达到激光熔覆对激光束的要求；同时，熔覆用的合金粉末通过送粉器11输送 至同轴送粉头25，并从激光束3外围汇集粉末到激光斑点处，即获得同轴送粉效果。待激光 扫过后，在结晶器9表面形成一层合金涂层。[0028]本发明制备结晶器激光熔覆的合金涂层主要技术参数指标1.涂层厚度0. 8-1. Omm2. 涂层的显微硬度≥HV0. !3003. 涂层与基材的结合力≥200 MPa4. 涂层的抗拉强度≥310 MPa在上述激光产生和传输过程中，通过水冷机17将谐振腔1、放大单元2、耦合器30、 激光准直单元23、激光聚焦单元M和送粉头25产生的热量带走。具体送粉过程，如图4所示，首先送粉器11的密封箱四内连接压力位0. 2-0. 4MPa 的压缩惰性气体，气体可以选择氮气和氩气；然后，将合金粉末装入送粉器料筒沈，依靠自 重，粉末流入第一刮粉档块27和送粉盘观围成的腔体内，然后依靠电机带动送粉盘观转 动，将粉末输送到第二刮粉档块27，然后依靠密封箱四内外压力差，惰性气体将粉末吹入 送粉管12，该送粉管12为塑料软管，连接到送粉头25，经汇聚输送到激光束3与结晶器9 作用的激光斑点处。上述激光产生、传输、整形和汇聚及粉末的输送和汇聚构成激光熔覆的基本功能 单元，为了在结晶器9表面获得连续大面积的激光熔覆效果，需要在数控操作台20协调控 制下实现数控龙门机床带动激光加工头8精密扫描，具体控制方式如下首先，将结晶器9 固定在背板10上，然后，根据结晶器需要熔覆位置、尺寸和激光斑点宽度进行扫描轨迹编 程，其次，用整机控制台21启动程序，数控操作台20通过对X轴运动执行机构4、龙门立柱 5、Y轴运动执行机构6、Ζ轴运动执行机构7联动控制，实现激光加工头8的精确扫描，并在 激光束3和合金粉末共同作用下，最终实现在结晶器9表面激光熔覆工艺的实施，形成需要 的合金涂层32。其中，在激光熔覆过程中，通过安全防护房13进行激光辐射的防护。实施例2 本例整体结构与实施例1相同，不同的是本例送粉器11上开有的环形 沟槽33的宽度为10mm，深度为0. 5mm，在工作时，密封箱四内通入氮气。实施例3 本例整体结构与实施例1相同，不同的是本例送粉器11上开有的环形 沟槽33的宽度为8mm，深度为0. 7mm。实施例4 本例整体结构与实施例1相同，不同的是本例送粉器11上开有的环形 沟槽33的宽度为7mm，深度为0. 8mm。
权利要求1.一种结晶器激光再制造成套设备，包括激光器、数控加工机床、激光加工头、送粉器、 整机控制系统和安全防护房，其特征在于所述的激光器为全固态激光器，与机床上的激光 加工头通过传输光纤连接。
2.根据权利要求1所述的结晶器激光再制造成套设备，其特征在于所述的送粉器包 括存储粉末的料筒、驱动机构、密封箱和置于密封箱的第一刮粉块、第二刮粉块、送粉盘，驱 动机构与送粉盘连接，第一刮粉块和第二刮粉块对称置于送粉盘的同一端面上，通过密封 箱盖固定压紧，密封箱上设有通气管，料筒出料口与第一刮粉块的进料口配合，第二刮粉块 的出粉口与送粉管连接，在送粉盘与两刮粉块相接触的端面上开有环形沟槽，在工作时，密 封箱内通入惰性气体。
3.根据权利要求2所述的结晶器激光再制造成套设备，其特征在于所述环形沟槽的 宽度为5-10_，深度为0. 5-1_。
专利摘要一种结晶器激光再制造成套设备，属于激光焊接技术领域。包括包括激光器、数控加工机床、激光加工头、送粉器、整机控制系统和安全防护房，所述的激光器为全固态激光器，与机床上的激光加工头通过传输光纤连接。本实用新型采用全固态激光器对结晶器进行表面熔覆，可以产生更高功率的激光束，通过传输光纤与激光加工头连接，结构简单，适于铜合金对激光的吸收。本实用新型中的送粉器结构，使粉末从料筒出口依靠重力和气压作用落到送粉盘的环形沟槽内，均匀分布在环形沟槽内，载流气体通过吸粉嘴将粉末以流动的形式送出。粉末输送通过通气管连接密封箱的封闭式载气结构，且通气管通过减压阀连接高压惰性气体气瓶，这种压气式气力输送，利于粉末流动和混合。
文档编号C23C24/10GK201883147SQ20102064751
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者张翼飞, 徐国建, 罗勇, 邢飞, 陈昭 申请人:杭州中科新松光电有限公司