作者：武漢武鋼華工激光大型裝備有限公司

摘要

本文研制了一種新智能化半導(dǎo)體激光裝備，該裝備半導(dǎo)體激光器、六軸機(jī)器人及龍門機(jī)床組成，輔以溫度傳感器、激光測(cè)距儀等，達(dá)到了處理距離、溫度、軌跡、效果可控的目的，在激光先進(jìn)性制造工藝專家系統(tǒng)支持下，成功實(shí)現(xiàn)了激光處理過(guò)程中的智能化功能，能滿足復(fù)雜曲面的智能化、柔性化激光表面處理的需求，在模具、石化、冶金等行業(yè)取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)；智能化；激光表面處理；

1.引言

近十余年來(lái)，激光表面強(qiáng)化技術(shù)不僅在研究和開(kāi)發(fā)方面迅速發(fā)展,在工業(yè)應(yīng)用方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，成為表面處理和表面工程一個(gè)十分活躍的新興領(lǐng)域^[1,7]。目前，用于實(shí)現(xiàn)零件表面強(qiáng)韌化及再制造的激光設(shè)備主要是CO₂激光成套設(shè)備，然而，該類設(shè)備具有能量利用率低、CO₂設(shè)備體積龐大、能量分布均勻性較差、無(wú)法實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，很難勝任復(fù)雜零件的曲面強(qiáng)化加工和再制造，而且CO₂激光器的功率穩(wěn)定性較差，其功率的變化也會(huì)引起功率密度分布形式和范圍的變化，給工藝制定帶來(lái)極大不便^[8]。與傳統(tǒng)高功率CO₂激光不同，高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、輕便靈活、電光轉(zhuǎn)換效率高、能量分布均勻、與材料交互作用的吸收率高、能實(shí)現(xiàn)溫度-功率閉環(huán)控制等特點(diǎn)^[9-12]，因此，新型半導(dǎo)體激光器可以直接通過(guò)機(jī)器人手臂前端固定，由此組合的新型激光裝備能處理其它方法無(wú)法處理的大型復(fù)雜工件的表面，具有無(wú)污染、易操控、高柔性、硬度均勻、強(qiáng)韌性好、變形小、耐磨性高，后續(xù)加工量小等特點(diǎn)。同時(shí)，與車載系統(tǒng)組合，可組成移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)表面強(qiáng)韌化及再制造裝備，適用于大型不易拆卸工件的現(xiàn)場(chǎng)表面強(qiáng)化及再制造；與龍門機(jī)床組合，可組成汽車模具表面強(qiáng)韌化及再制造裝備。本文報(bào)道了該類激光表面強(qiáng)化裝備的研制和應(yīng)用。

2.半導(dǎo)體激光智能化裝備的研制

2.1 半導(dǎo)體激光智能化裝備的構(gòu)成

圖1是我公司在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)的一套半導(dǎo)體激光表面強(qiáng)化及再制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、六軸機(jī)器人系統(tǒng)、龍門機(jī)床及專業(yè)控制系統(tǒng)等組成，將機(jī)器人倒掛在龍門機(jī)床的頂部，并且于機(jī)器人手臂前端固定半導(dǎo)體激光器，溫度傳感器固定于激光器的一側(cè)。在龍門機(jī)床內(nèi)可擺放一系列工件，通過(guò)龍門機(jī)床及六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效、精確的加工，可對(duì)任意復(fù)雜曲面的工件表面進(jìn)行強(qiáng)化。龍門機(jī)床尺寸可根據(jù)工件尺寸按需定制也可根據(jù)需求選擇是否配備專用于激光熔覆的送粉器。

圖1  半導(dǎo)體激光智能化裝備

2.2 半導(dǎo)體激光智能化裝備的控制系統(tǒng)

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

通過(guò)加裝溫度傳感裝置，激光測(cè)距儀，再輔以激光先進(jìn)性制造工藝專家系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)激光加工過(guò)程的距離、溫度、軌跡、處理效果的智能化控制，控制系統(tǒng)的示意圖如圖2。

首先，在中央控系統(tǒng)輸入激光表面強(qiáng)化及再制造所要達(dá)到的效果，系統(tǒng)自動(dòng)從激光表面強(qiáng)化及再制造工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)^[13]調(diào)出工藝參數(shù)，然后通過(guò)中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令給激光器、機(jī)器人系統(tǒng)、紅外測(cè)溫儀以及距離傳感器。機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)給出的指令調(diào)用程序，激光器輸出功率參數(shù)，距離傳感器及紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控激光加工區(qū)的溫度以及加工距離。然后，距離傳感器以及紅外測(cè)溫儀根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫度及加工距離數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再通過(guò)與中央控制系統(tǒng)的連接將信號(hào)傳輸給中央控制系統(tǒng)；中央控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫度及加工距離信號(hào)數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算，反饋出信息給激光器和機(jī)器人系統(tǒng)，激光器和機(jī)器人根據(jù)反饋的信號(hào)調(diào)整功率輸出和加工距離，這樣就實(shí)現(xiàn)了溫度-功率閉環(huán)控制和加工距離智能化控制，實(shí)現(xiàn)了激光加工過(guò)程的智能化控制。

3 工藝實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用實(shí)例

近年來(lái)，利用研發(fā)的智能化設(shè)備，開(kāi)展了大量激光強(qiáng)韌化及再制造的工藝實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大量的工程應(yīng)用，取得了很好的效果。

3.1 工藝實(shí)驗(yàn)

1）典型材料的激光表面淬火

通過(guò)不斷的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出了幾種有代表性的材料半導(dǎo)體激光淬火獲得的硬度及最佳的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 典型材料淬火獲得的硬度及工藝參數(shù)

Table1 The surface hardness and the laser hardening parameters of typical materials

2）典型材料的激光熔覆

通過(guò)不斷的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出了幾種有代表性的材料半導(dǎo)體激光熔覆的最佳的工藝參數(shù)如表2所示，激光熔覆層硬度HRC58-60。

表2 典型材料激光熔覆工藝參數(shù)及熔覆層硬度

Table2 The laser cladding parameters and cladding hardness of typical materials

激光熔覆層形貌如圖3所示，熔覆層無(wú)裂紋，與基材呈冶金結(jié)合。

a) 45               b)T10A          c)SkT3

d) 7CrSiMnMoV        e) Cr12MoV     f)CrMo cast iron

圖3 典型材料激光熔覆層裂紋情況

3.2 典型應(yīng)用

1）石油化工行業(yè)應(yīng)用

如圖4所示，海洋鉆井平臺(tái)用一軸類零件使用軸承部位磨損，尺寸減小，需對(duì)其進(jìn)行尺寸修復(fù)。傳統(tǒng)的堆焊方法容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，且結(jié)合強(qiáng)度較差，易產(chǎn)生脫落，熱影響區(qū)大。激光熔覆加工后，熔覆層硬度為HRC58-60，熔覆層無(wú)裂紋、氣孔，且與基材呈冶金結(jié)合，熔覆層組織致密，耐磨性能高。經(jīng)使用后表明，激光熔覆后該軸的使用壽命提高了2-3倍。

圖4 軸類的半導(dǎo)體激光熔覆

圖5為鉆鋌螺紋接頭，該鉆鋌材質(zhì)為35CrMo合金鋼，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，螺紋會(huì)因?yàn)橹貜?fù)的擰動(dòng)、摩擦而受損。當(dāng)硬度較低時(shí)，螺紋部位會(huì)產(chǎn)生粘著磨損。激光表面淬火后，螺紋位置硬度可達(dá)HRC55-58，有效硬化層深度約0.8mm，抗咬合壽命從原來(lái)的2次提高到10次。

圖5 鉆鋌的半導(dǎo)體淬火

2） 模具行業(yè)應(yīng)用

圖6汽車頂蓋拉延模，模具為Mo-Cr合金鑄鐵汽車頂蓋拉深模，激光處理前表面硬度為HRC40-45.由于拉深模工作表面硬度不夠，其工作表面易于工件產(chǎn)生粘著磨損，導(dǎo)致沖壓件被拉傷，生產(chǎn)過(guò)程中需要花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)模具工作型面進(jìn)行推磨拋光，在線維修率達(dá)10%，經(jīng)激光表面強(qiáng)化后，模具表面硬度可提高到HRC58-62，處理后硬化層深度約為0.6-0.8mm，激光處理后模具使用壽命提高2-3倍，一次修磨拋光后的沖壓零件數(shù)已由原來(lái)300～500件提高到1000件以上，且激光淬火后的工件表面光亮，沒(méi)有任何氧化，后續(xù)機(jī)加工量非常小，大大節(jié)約加工時(shí)間和成本。

圖6 模具的半導(dǎo)體激光淬火

圖7汽車車門模具，模具材料為7CrSiMnMnV。該模具在激光淬火前進(jìn)行過(guò)傳統(tǒng)的熱處理，并且采用傳統(tǒng)的堆焊方法進(jìn)行過(guò)模具改道，但是由于傳統(tǒng)堆焊的熱影響區(qū)大，導(dǎo)致了淬火后的模具出現(xiàn)了回火現(xiàn)象，模具的硬度下降，無(wú)法滿足使用要求。該模具采用激光淬火后，硬度恢復(fù)到可使用的水平。對(duì)各種原因造成的模具硬度下降，均可采用激光淬火來(lái)提高或恢復(fù)其硬度。

圖7 汽車門模具的半導(dǎo)體激光淬火

3） 電力設(shè)備

圖8所示，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在長(zhǎng)期使用中導(dǎo)致軸承部位磨損，尺寸減小，需對(duì)其進(jìn)行尺寸修復(fù)。激光熔覆加工后，熔覆層硬度為HRC55-60，熔覆層無(wú)裂紋、氣孔，且與基材呈冶金結(jié)合，熔覆層組織致密，耐磨性能高，經(jīng)使用后表明，激光熔覆后的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子使用壽命提高了2-3倍。

圖8 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子半導(dǎo)體激光熔覆

4）冶金行業(yè)的應(yīng)用

圖9所示，軋輥材料為中NiCr，經(jīng)激光合金化后，表面硬度可達(dá)HV900-950，合金化層深度約為0.5-0.7mm，表面粗糙度為Ra2～3μm，使用壽命提高1-2倍。

圖9 軋輥的半導(dǎo)體激光合金化

4 結(jié)論

本文研發(fā)的半導(dǎo)體激光表面強(qiáng)化及再制造裝備可實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)距離、溫度、軌跡、處理效果的智能化控制，可高質(zhì)高效地對(duì)任意復(fù)雜曲面的工件進(jìn)行激光表面強(qiáng)化，大幅度提高工件表面的硬度和耐磨性能，延長(zhǎng)工件的使用壽命，解決諸多傳統(tǒng)高功率CO₂激光表面強(qiáng)化裝備無(wú)法解決的問(wèn)題，并建立了典型材料的半導(dǎo)體激光表面淬火及熔覆的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。該半導(dǎo)體激光智能化裝備已經(jīng)在汽車模具、石油機(jī)械、電力設(shè)備、冶金設(shè)備等行業(yè)進(jìn)行了工程化應(yīng)用，大幅提高了工件的壽命和生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)了十分可觀的綜合經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，增加了產(chǎn)品附加值，提高了產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

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