一种宽光束、可调送粉角的快速高效半导体激光熔覆装置的制作方法

本发明属于高效高功率半导体激光器激光表面改性技术领域，更具体地，涉及一种宽光束、可调送粉角的快速高效半导体激光熔覆装置，尤其是一种针对超大型轴类工件表面的半导体激光表面处理。

背景技术：

超大型液压缸活塞杆结构被广泛利用于石油管道、海洋装备、天然气输气、采矿、隧道掘进等各大工业领域中。由于机械的工作环境中往往与的泥沙和具有腐蚀性质的溶液直接接触，因此对诸如活塞杆这些大型杆状工件外表面的耐腐蚀和耐磨性质有着极高的要求。因为一旦此类部件的耐磨、耐腐蚀功能失效，构件的损坏极有可能影响到整个设备的功能，而且传统的用于此类部件的修复技术耗时很长，导致修复此类部件造成的生产停工也会带来巨大的经济损失。

目前针对大型活塞杆外表面的表面处理技术主要如下：

镀硬铬技术：镀硬铬技术是将工件浸泡在50至65摄氏度的酸性电化学浴中，游离的铬离子在电解液中析出附着在工件表面。然而由于涂层不是冶金结合到工件表面上的，因此涂层容易脱落。同时为了得到100～300微米的足够厚的保护层，工件往往需要进行多次电镀处理，这一过程将消耗大量的能量，还会产生有毒的致癌废液。因此近年来国内外纷纷出台有关法律法规限制电镀铬技术的实施。

热喷涂技术：热喷涂是利用高温燃料将燃烧室中的涂层材料融化并加速至每秒600至1000米的速度，然后喷涂到待涂覆的工件表面。但是此技术明显的缺点是涂层与基体之间的结合强度弱，同时涂层的孔隙率较大，导致涂层的寿命不长。而且涂覆过程会消耗大量的材料和气体，涂层材料的利用率不高。

常规激光熔覆技术：激光熔覆技术是利用高能激光术照射涂层材料与基体，是二者融化，涂层材料与基体之间形成紧密的冶金结合，具有热影响区小，工件变形小，层晶粒细小，结构致密的特点，而且工艺过程往往不受涂层材料的限制。因此激光熔覆技术往往用于生产高质量切牢固的涂层，十分适合于大型钢管在海洋平台、石油矿场等恶劣生产坏境下的工件修复工作。但是，常规的激光熔覆技术其激光扫描速度低，提高激光功率会导致区域热输入大，熔覆层内部热应力会导致熔覆层产生微观裂痕，影响涂层质量。

小光斑高速激光熔覆：小光斑高速激光熔覆技术是在常规激光熔覆技术的基础上，通过适当的控制手段使大部分粉末在空间流动过程中吸收激光能量达到材料熔点，从而减少熔池中粉末熔化时间，因而提高熔覆速度。然而由于而小光斑高速激光熔覆采用的是直径φ1mm～2mm的圆形小光斑，尽管熔覆线速度很高但是单位时间熔覆的面积提升不大。同时，小光斑高速激光熔覆所采用的光斑能量分布通常满足高斯分布，其特点为光斑在中心小范围能量高，远离中心能量迅速下降，由于这种光斑能量分布的不均匀，会出现大量粉末颗粒无法充分吸收光能量的问题。同时驱动大型轴型工件进行高速旋转对于车床来说负担大，危险性极高。因此目前的超高速激光熔覆只适用于φ1000mm以下的中小型工件加工，针对直径大于1000mm(如φ2000mm)、长度不低于10m的超长大型钢管表面处理的难度极大。

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宽光束、可调送粉角的快速高效半导体激光熔覆装置，通过对关键组件的结构及其设置方式，各个组件之间的相互配合工作方式等进行改进，可针对石油管道、海洋装备、天然气输气、采矿、隧道掘进等大型轴型工件进行外表面强化与表面修复，适用于直径大于1000mm(尤其是直径大于等于2000mm)、且长度不低于10m的大型轴型工件，该高功率高速高效宽带半导体激光高效熔覆技术为选定工件强化表面耐磨耐腐蚀等性能，大幅度提高其使用寿命。并且，区别于常规小光斑高速度激光熔覆，本发明尤其通过对能量匀化的宽光斑半导体激光器与可调送粉角的宽带送粉头进行进一步优选设置，可针对部分粒度和不同密度的金属粉末材料，相应的调制参数可对粉斑均匀加热并熔化，达到高速高效熔覆的要求，粉末利用率高，熔覆层厚度在0.2mm～0.5mm，适用于超大型轴型工件表面强化处理，具有取代工业镀铬技术的能力。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种宽光束、可调送粉角的快速高效半导体激光熔覆装置，其特征在于，包括功率不低于3kw的高功率半导体激光器(1)、光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)、送粉角可调且送粉宽度至少为15mm的宽光带送粉头(3)、送粉器(6)、转速在1转/分～60转/分连续可调的高速机床(5)、六轴联动机器人(4)以及中央控制系统(9)，其中，

所述高功率半导体激光器(1)用于输出功率不低于3kw的高功率激光，该激光经过所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)后输出到所述可调宽光带送粉头(3)，所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)用于使该激光整形并聚焦成光斑宽度至少为15mm的宽光带激光；所述可调宽光带送粉头(3)与所述送粉器(6)相连，用于向待表面激光熔覆处理的大型轴型工件其表面同时输送粉末及所述宽光带激光；所述高速机床(5)用于承载该待表面激光熔覆处理的大型轴型工件，并用于带动该大型轴型工件以转速不低于1转/分钟的转速进行旋转；所述中央控制系统(9)与该高速机床(5)相连，用于控制该高速机床(5)带动所述大型轴型工件旋转的转速；

所述中央控制系统(9)还与所述六轴联动机器人(4)相连，用于控制所述六轴联动机器人(4)进而带动所述高功率半导体激光器(1)、所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)和所述可调宽光带送粉头(3)整体移动，实现宽光带激光与输送的粉末沿所述大型轴型工件的中轴线方向移动，如此配合该大型轴型工件的旋转即可实现粉末在宽光带激光的作用下熔融成液滴，最终以整体为螺旋线的形式先后落在该大型轴型工件表面，从而实现对该大型轴型工件表面的激光熔覆处理；

此外，所述待表面激光熔覆处理的大型轴型工件其直径大于1000mm，长度不低于10m。

作为本发明的进一步优选，所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)包括菲涅尔透镜(13)和柱透镜(14)，其中，所述高功率半导体激光器(1)输出的准直光束先经过所述菲涅尔透镜(13)使快轴方向的光束进行分割重排，使光斑在快轴方向能量均匀分布，并聚焦至预先设定的且宽度不小于15mm的宽度a，再经过所述柱透镜(14)对慢轴光束进行聚焦，从而输出一个光截面尺寸为b×a的矩形且光束能量均匀分布的宽光带激光，其中，b为预先设定的长度，且b≤a；并且，该宽光带激光其光斑的宽度方向平行于所述高速机床(5)的主轴方向，长度方向垂直于所述高速机床(5)的主轴方向；

优选的，预先设定的宽度a为15mm，预先设定的长度b为2mm。

作为本发明的进一步优选，所述六轴联动机器人(4)用于控制所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)，使整形后的激光聚焦在所述大型轴型工件的表面。

作为本发明的进一步优选，所述高功率半导体激光器(1)、所述光束整形与菲涅尔聚焦系统(2)和所述可调宽光带送粉头(3)整体移动具体是沿所述高速机床(5)的主轴方向进行所述大型轴型工件每旋转一圈平移距离为a/3～a的同步移动。

作为本发明的进一步优选，所述可调宽光带送粉头(3)包括多路同步送粉管(11)和2个扇状宽光带送粉斗(21)，所述多路同步送粉管(11)位于出射激光宽度边长之外、且以出射激光为中心对称设置，所述2个扇状宽光带送粉斗(21)同样位于出射激光宽度边长之外、且以出射激光为中心对称设置，所述多路同步送粉管(11)用于向这2个扇状宽光带送粉斗(21)输送粉末，而这2个扇状宽光带送粉斗(21)其俯角则受转轴系统控制可调；

所述可调宽光带送粉头(3)与所述中央控制系统(9)相连，该中央控制系统(9)用于根据使用的粉末密度、材料具体种类和颗粒大小来调整所述扇状宽光带送粉斗(21)的转轴系统，进而调整所述扇状宽光带送粉斗(21)的俯角，以控制两侧粉末的会聚的高度，从而控制粉末与激光的作用时间，进而使固体粉末颗粒能够充分吸收激光能量并融化成悬浮液滴，落在工件表面形成熔覆层。

作为本发明的进一步优选，所述高功率半导体激光器(1)用于输出功率为3kw～10kw的高功率激光。

作为本发明的进一步优选，所述高功率半导体激光器(1)还与水冷系统(8)相连。

作为本发明的进一步优选，对于任意一个扇状宽光带送粉斗(21)，其俯角是以其旋转中心到所述宽光带激光光斑中心的射线为一边、以旋转中心到出粉口中心的射线为另一边对应形成的角度，并且所述俯角在5度～15度可调。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，针对大型轴型工件表面强化的半导体激光表面处理，利用高功率半导体激光器、光束整形与菲涅尔聚焦系统、可调宽光带送粉头及高速机床等组件之间的整体配合，产生宽光带激光，使粉末在宽光带激光的作用下熔融成液滴，最终以整体为螺旋线的形式先后落在待处理的大型轴型工件表面，实现对该大型轴型工件表面的激光熔覆处理，适用于直径大于1000mm(尤其是直径大于等于2000mm)、长度不低于10m的超长大型钢管。

具体说来，本发明具有以下有益效果：

(1)大幅度提高超高速熔覆的单道熔覆面积，减轻对机床的转动负担。本发明采用预先设定大小的b×a(如，2mm×15mm)的半导体激光光束作为超高速激光熔覆技术的光源，弥补了常规高速激光熔覆的小光斑光束(如直径1mm的圆光斑)在加工超大轴型工件时熔覆单位面积速率低的问题，在实现与超高速激光熔覆相同熔覆效果的同时，大幅度提高单道熔覆的熔覆层宽度，适当降低线速度从而降低机床的转速，既解决了大型机床无法驱动大型工件高速转动的关键问题，大大降低了工件超高速旋转下产生的危险性，还保证了熔覆过程的高速性。

(2)对不同种类粉末的适应性广。针对市面上的涂层粉末颗粒大小不一致，粉末材料密度不同的问题，采用可变送粉角度的喷粉头进行送粉，根据不同重量的粉末调整不同的送粉角度，从而可以控制粉末在光束中的飞行时间，保证粉末材料在激光辐射下充分吸收光能融化，达到实现高速激光熔覆的必要条件。

(3)实现了激光功率的均匀分布与合理分配。本发明采用菲涅尔聚焦技术对光束进行分割重排，输出光束能量均匀分布的矩形光束。当匀化的矩形光斑高速移动时，由于单位时间、单位工件面积吸收的激光能量十分有限，有限的激光能量只能在工件表面形成薄薄的熔池，因此熔覆过程的热响应区小，减少了激光能量向工件内部的耗散。而且，由于激光能量均匀分布，因此产生熔池与热响应区也是均匀的厚度，使熔池热量均匀地向工件内部扩散，降低热应力对熔覆层的影响，使获得的熔覆层在表面与边界发生开裂的概率更低，提高了熔覆层的质量。

(4)采用均匀的送粉方式，大幅度提高了粉末的利用率。本发明设计的多管送粉的送粉头可以使宽带下的粉末均匀分布，粉斑内的粉末颗粒都可以充分吸收光能而升温至熔点，使粉末到达工件表面时发生弹性碰撞而丢失的概率更低，极大地避免了粉末的浪费，同时还能获得厚度均匀的熔覆薄层，提高了粉末的利用率，降低此技术的材料成本，体现了本发明的高效性。

以宽光带激光的光截面尺寸为2mm×15mm的矩形为例，高速移动扫描利用中央控制系统驱动六轴联动机器人使光斑焦点处在工件表面，控制车车床转速可以实现激光扫描线速度为5～50m/min，控制机器人沿着车床主轴方向运动进行5～15mm/转的同步移动，可以实现激光光斑沿着不同的螺纹线对工件表面进行扫描。

在固体粉末颗粒充分吸收激光能量并融化成悬浮液滴、落在工件表面形成熔覆层这一过程中，主要的激光能量作用于飞行粉末使其融化，并以液态的形式落入熔池，因此不需要降低激光线速度以向熔池输入大量用于融化粉末的激光能量，从而激光扫描的线速度得以大幅度提高。同时，由于系统使用能量分布均匀的半导体激光宽光束，因此单位时间内可熔覆的面积更大，粉斑可均匀吸收激光能量，熔覆层厚度更加均匀，粉末利用率更高。

附图说明

图1是本发明一种宽光束可调送粉快速高效激光熔覆装置的整体结构图。

图2是光束整形与菲涅尔聚焦系统原理图，其中a为慢轴方向系统光路，b为快轴方向系统光路。

图3是可调角度宽带送粉头的结构图，其中(a)对应光斑快轴方向，(b)对应光斑慢轴方向。

图4是加装工艺端板进行螺旋带熔覆的示意图。

图5是先熔覆一环状带再进行螺旋带处理的熔覆示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为高功率半导体激光器，2为光束整形与菲涅尔聚焦系统，3为可调角度宽光带送粉头，4为六轴联动机器人，5为高速机床，6为送粉器，7为氩气保护气，8为水冷系统，9为中央控制系统，10为轴型工件，11为多路同步送粉管(如2*4)，12为宽带熔覆层，13为菲涅尔透镜，14为柱透镜，15为系统聚焦焦平面，16为保护气入口，17为送粉器俯角调节钮，18为送粉斗俯角调节范围α，19为送粉斗俯角调节驱动弹簧，20为送粉斗转轴，21为送粉斗(即，扇状宽光带送粉斗)，22为送粉斗定位端板，23为半导体激光光斑—慢轴(宽w＝15mm)，24为起始端熔覆工艺板管(宽wg≥w)，25为终止端熔覆工艺端板(终止端)，26为工件转动方向(顺时针ω＝2π/t)，27为光斑移动方向(v＝w/t)，28为点焊线(端板与工件接触线)，29为预处理熔覆环(未重叠部分)，30为预处理熔覆环(与螺纹覆层重叠部分)，31为终止端预处理熔覆环。

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。

本发明设计的专用装置目的非常明确，就是解决超大轴型工件表面改性效率的激光表面处理装置及工艺难题，能够适用于对直径大于1000mm、且长度不低于10m的大型轴型工件其表面进行激光熔覆处理。

具体实施方式如下：

1、如图1所示，将经过表面清洁处理后的被加工轴型工件放在高速机床5上，调整工件轴线与车床主轴线重合。控制中央控制系统9将挂载在六轴联动机器人4上的高功率半导体激光器1移动至工件上方。中央控制系统可以调节机器人手臂，使熔覆头的中心光轴垂直于工件中轴线，同时激光器的输出激光经过光束整形与菲涅尔聚焦系统2可以在工件表面聚焦形成一个2*15mm的光斑，其中光斑15mm的长边与工件中轴线平行，2mm的短边与工件中轴线垂直。当车床驱动工件转动时，激光沿着光斑的2mm短边方向(既工件中轴线方向)进行扫描。

2、驱动工件转动并规划激光扫描路径。工件表面的熔覆层需要通过机床与机器人联动完成。机床可以驱动工件进行高速转动，此时挂载激光器的机器人沿着工件转动的中轴线，从工件的一端向工件的另一端匀速平移。其中，工件每转动一圈，光斑的移动距离不超过此方向上光斑的最大尺寸(即15mm)。二者协同下，光斑在工件表面的扫描路径即为一均匀的螺旋线。中央控制系统9内置了车床转动与光斑平移的联动程序，根据对熔覆层的加工要求，选择合适的转动速度、平移速度与搭接率，使激光对整个工件表面进行熔覆。其中，考虑到加工工件常为大型的轴型工件，工件重量达数吨甚至数十吨，考虑到此类工件在高转速下潜在的危险，需控制车床转速使激光扫描速度为5～50m/min(相较于常规激光熔覆，此速度仍为高速)，光斑平移速度为5～15mm/转。

3、调节粉末的汇聚位置与送粉量。均匀可调角度送粉利用中央控制系统打开送粉装置，向可调角度宽带送粉头3送粉。

熔覆层的性能是工件表面的抗磨、抗腐蚀特性来源，因此加工过程中往往需要根据工件的工作环境采用不同特性的粉末。超高速熔覆技术中，粉末接受激光束辐射的时间是决定粉末是否以液滴的形式落入工件表面的熔池的重要因素之一，然而粉末种类的不同使粉末材料的密度、颗粒大小及熔点均不统一，导致在同样条件下不同粉末颗粒在激光束中的飞行时间不同。本发明中通过改变粉末的汇聚位置，进而改变粉末落入熔池的飞行距离，从而控制粉末在激光束中的飞行时间。中央控制系统可以内置数据库，例如内置包含了熔覆不同类型粉末要求的粉末喷射角数据库，加工前需要根据数据库的可调幅角度α，从而控制熔池上方粉末汇聚的位置，以达到超高速激光熔覆的必要条件，即粉末以液态的形式落入熔池。由于系统采用的宽带快速高效激光熔覆获得的熔覆层厚度较常规激光熔覆层厚度薄，但是在能量均匀分布的光斑与均匀送粉系统的协同作用下，直接熔覆获得的熔覆层厚度均匀，足以满足对工件的保护要求。同时熔覆过程得益与均匀送粉系统与光束匀化系统的协同配合，粉末的利用率可以达到90％。因此加工过程中按需调节粉末送粉量为15～60g/min。

4、全方位激光加工对系统的运行条件。

(1)中央控制系统可以能够对激光输出功率、光斑运动、车床转动、送粉开关进行协同控制。进行全方位激光加工时，必须按照要求的开关顺序启动各个运动部分，即按照机床转动、送粉开关、光斑运动、激光输出的顺序依次打开控制接口。当加工完成时，同样需要按照，既按照激光器、光斑运动、送粉开关、机床转动的顺序关闭加工系统。

(2)开始加工前必须先开启保护气并吹气2～3分钟。采用惰性气体氩气作为保护气，可以在熔池上方形成一稳定的惰性气体氛围，防止高温粉末颗粒与基体表面接触空气氧化。同时加工前保持吹气2～3分钟可以使送粉头内部充满氩气，避免加工过程中有粉末颗粒飞入送粉头内部接触光束整形匀化系统。

(3)在开始加工轴型工件前与结束加工后，均需对工件起始端与终止端进行单独处理。

5、起始端与终止端的分区处理方式。

由于此发明采用15mm的宽光带激光光源，以螺纹轨迹的方式熔覆轴型工件，因此在工件起始端与终止端存在未熔覆的区域。对此采用分区处理的方式使工件获得全方位的处理。主要处理策略如图4、图5所示。

(1)通过在两端加装熔覆工艺板管的方式。如图4所示，与工件半径相等的环形工艺端板以点焊的方式安装在工件两端，同时端板的中心轴与工件中心轴共线，端板一端与工件紧密接触，二者间距小于0.5mm，端板的宽度wg≥w(光斑的宽度)。工件在机床驱动下围绕中心主轴做顺时针高速旋转，同时光斑沿着工件中心轴线方向平移，工件转动角速度ω与光斑平移线速度v之间存在如图4所示的关系，二者在中央控制系统下协同运动。加工开始时，确保光斑只照射在起始端工艺板管而未照射工件，此时打开系统使光斑在工件上做螺旋扫描，直到光斑移动至终止端工艺板管并完全离开工件后停止，再将两端的工艺板管切下。此时工件表面将获得全方位的激光熔覆，即，不存在未熔覆的区域。

(2)通过在工件两端进行圆环形熔覆预处理的方式。如图5所示，在开始螺纹线扫描时，首先移动光斑至工件起始端，调整光斑使光斑照射在工件表面且光斑一侧短边超出工件一端约1mm，设置光斑移动速度为零，打开机床转动一周，使激光在工件端头熔覆一层均匀环形熔覆环，此熔覆环宽度wp略小于光斑宽度。其次移动光斑至工件终止端，以相同的操作熔覆一层均匀环形熔覆环。最后移动光斑至工件起始端，并确保光斑左侧至工件起始端头的距离x小于熔覆环宽度wp，打开中央控制系统使光斑进行螺纹线扫描，当光斑左侧至工件终止端距离x小于熔覆环宽度wp时停止扫描，此时工件表面获得全面的激光熔覆。

上述实施例仅以宽光带激光为2*15mm为例(其中，15mm为光斑的宽度，2mm为光斑的长度)，具体应用时，根据实际要求，也可以选择大于15mm的其他宽度值作为宽光带激光预先设定的宽度值，长度值相似，也可以灵活调整，只要不超过宽度值即可。

本发明中所采用的六轴联动机器人、中央控制系统等组件均可直接参考相关现有技术；相关控制方法也可以参考现有技术设置。

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。