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　　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;

　　中圖分類號(hào)： TG156.92

　　Investigation and Application of An Intelligentized Diode Laser System

　　AiHua Wang HenYan Mo ZhiHong Xiong FeiXing Lu

　　(Wuhan Huang Laser Engineering Co., Ltd Wuhan Hubei P.R. 430223)

　　Abstract

　　An intelligentized diode laser system consisting of a diode laser, a 6-axis robot and a gantry-type machine tool was investigated. A temperature sensor and a distance sensor were introduced into this system to achieve the effective control of processing distance, temperature, track and effect. Furthermore, an intelligentized laser system was accomplished with the assistance of a laser processing expert system to meet the requirement of complex laser processing process. The diode laser system has been successfully applied for many industrial fields such as mould & die, oil chemistry and metallurgy. Key words Diode laser system; Intelligentized, Laser surface treatment;
 

　　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

　　Fig.1. An intelligent equipment of diode laser

　　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

　　Fig.2 Schematic diagram of the control system
 

　　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。

　　

 

　　圖3 典型材料激光熔覆層裂紋情況
 

　　a)45 b)T10A c) SkT3 d) 7CrSiMnMoV e) Cr12MoV f) CrMo鑄鐵

　　Fig.3 The cladding crack of typical materials

　　a)45 steel b)T10A c) SkT3 d) 7CrSiMnMoV e) Cr12MoV f) CrMo cast iron

　　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

　　Fig.4 Diode Laser cladding for roller
 

　　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

　　Fig.5 Diode laser surface hardening for drill collar
 

　　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

　　Fig.6 Laser Surface Hardening for Dies
 

　　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

　　Fig.7 Diode laser surface hardening for automotive door Dies
 

　　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

　　Fig.8 Diode Laser Cladding for steam turbine rotor
 

　　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

　　Fig.9 Diode laser alloying for roller
 

　　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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