激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置和方法，装置包括：激光熔覆装置，用于通过第一机械手对工件进行激光熔覆；激光冲击强化装置，与激光熔覆装置连接，用于通过第二机械手对工件进行激光冲击强化；三轴运动机床，用于带动放置工件的操作台，使工件位于激光熔覆装置、激光冲击强化装置操作范围内，实现工件复合表面处理。本发明专利技术可将熔覆组织结构由铸态转变为锻态，产生有益的残余压应力层，消除由于凝固冷却而产生的拉应力，有效地抑制疲劳裂纹的萌生。

Composite Surface Processing Device and Method for Laser Induced Plasma Shock Cladding Layer

The present invention relates to a composite surface treatment device and method for laser-induced plasma impact cladding layer. The device includes: a laser cladding device for laser cladding of workpieces through a first manipulator; a laser shock strengthening device for connecting with a laser cladding device for laser shock strengthening of workpieces through a second manipulator; and a three-axis moving machine tool for driving and placing workpieces. The workpiece is located in the operating range of laser cladding device and laser shock hardening device to realize compound surface treatment of workpiece. The invention can change the structure of the cladding structure from as-cast to as-forged, produce beneficial residual compressive stress layer, eliminate the tensile stress caused by solidification cooling, and effectively inhibit the initiation of fatigue cracks.

【技术实现步骤摘要】
激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置和方法
本专利技术涉及激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置和方法，具体地说是一种利用激光冲击强化对激光熔覆层表面微锻造的装置和方法，是调控激光熔覆层组织和力学性能的有效手段，同时具有非接触、无热影响区、可控性强等突出优点。
技术介绍
激光束的快速加热，使得熔覆层完全熔化，热量来不及传递开来，使得基材温度远低于熔覆层的温度，这就在熔覆层和基材材料间产生很大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中产生较大的热应力，微观组织晶界位错、空位增多，原子排列极不规则，形成气孔、夹杂等缺陷。激光冲击采用短脉冲、高峰值功率密度的激光辐射金属表面，产生高温、高压的等离子体，形成高强度压力冲击波，诱导工件表面发生超高应变率塑性形变，通过调整工艺参数和运动机构调控零件表层的强度及应力状态，进而能够调控零件的综合性能，引入残余压应力(大小可控)、引发表面组织晶粒细化(厚度可控)；激光冲击部位得以强化，有效的调控裂纹、气孔、夹杂等缺陷，从而达到提高材料机械性能的目的。
技术实现思路
本专利技术是一种激光同轴送粉熔覆层激光微锻造方法，是一种调控激光熔覆层组织和力学性能的有效手段，有效的消除裂纹、气孔、夹杂等缺陷，从而达到提高材料机械性能的目的，同时具有非接触、无热影响区、可控性强等突出优点。本专利技术采用的技术方案如下：激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，包括：激光熔覆装置，用于通过第一机械手对工件进行激光熔覆；激光冲击强化装置，与激光熔覆装置连接，用于通过第二机械手对工件进行激光冲击强化；三轴运动机床，用于带动放置工件的操作台，使工件位于激光熔覆装置、激光冲击强化装置操作范围内，实现工件复合表面处理。所述激光熔覆装置包括CO2激光器、激光熔覆头、送粉装置、机器人，氩气保护装置；所述第一机械手末端设有激光熔覆头，激光熔覆头与CO2激光器、送粉装置、氩气保护装置连接；所述CO2激光器发出的激光、同轴送粉装置输出的粉、氩气保护装置输出的氩气分别经光纤内的管路从激光熔覆头输出，用于实现激光熔覆。所述激光冲击强化装置包括激光器、柔性导光臂；所述柔性导光臂一端与激光器连接，另一端与第二机械手末端连接；所述激光器发出的激光经柔性导光臂内部输出至工件熔覆层表面，用于实现激光冲击强化。所述第二机械手末端设有红外测温仪，用于检测激光强化光束所在位置的熔覆层温度，使其表面温度为800℃-850℃。激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理方法，包括以下步骤：检测激光熔覆过程中加工位置的温度，寻找激光冲击强化温度的初始值；设定激光熔覆的工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；根据加工路径控制两只机器手的同步运动；开启激光熔覆的送粉装置、氩气保护装置、CO2激光器；控制第一机械手使激光熔覆头运动到指定位置；开启激光冲击的激光器，控制第二机械手使柔性导光臂输出激光的一端运动到起始位置；调整两束光斑的相对位置；开启CO2激光器和激光器的两束激光光源，同时控制两只机械手运动，使第一机械手完成熔覆后且检测的激光冲击强化温度达到初始值，开始设定时间的激光冲击强化，完成双束激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理加工。所述检测激光熔覆过程中加工位置的温度，寻找激光冲击强化温度的初始值包括以下步骤：根据熔覆的温度与时间的关系曲线，选取用于激光冲击强化温度范围700℃-800℃中的某温度值作为激光冲击强化的初始值温度，并将所对应的时间段内的设定时间作为激光冲击强化时间。所述调整两束光斑的相对位置指控制激光熔覆的激光光斑与激光强化的激光光斑相切。加工过程中实时检测红外测温仪的温度，调整激光冲击光束的光斑位置，步骤如下：在加工前根据加工轨迹控制机械手完成熔覆过程，并通过红外测温仪测得温度与熔覆激光束位移的关系，并绘制位置-温度曲线；在曲线中选取温度为800℃对应的位置作为激光冲击光斑的中心位置，激光冲击光斑的中心位置与熔覆激光束的中心位置之间的距离作为强化光斑与熔覆光斑的相对位置，并根据相对位置控制机械手使两光束的光斑相对位置保持固定。在工件操作台上设置永磁体，通过永磁体实现激光冲击强化等离子体冲击波的约束，包括以下步骤：(1)采用高能激光诱导工件表面吸收层产生等离子体冲击波，当激光辐照工件表面时，使工件表面的吸收保护层气化电离，形成的等离子体作为冲击波能量载体；(2)利用永磁体形成强磁场约束激光诱导产生的等离子体分离，使正离子附着在牺牲层表面，形成一种带电的等离子体约束层；(3)利用强磁场将激光诱导产生的等离子的正、负离子分离，形成一层带电的约束层；(4)通过在操作台上设置的永磁体，使磁场线方向与工件表面一致，等离子体中的正离子作为约束层吸附在牺牲层表面，电子则在磁场的作用下移动工件另一侧，实现对激光冲击强化的等离子体冲击波的约束。所述磁场线方向与工件表面保持一致具体为：磁场线方向与工件表面平行，且工件表面位于磁场内。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术适用于调控激光熔覆后熔覆层组织和残余应力，覆层金属表面产生较大的塑性变形，产生有益的残余压应力层，消除由于凝固冷却而产生的拉应力。2.本专利技术可使熔覆层表面组织结构由铸态转变为锻态，使其发生晶粒细化，晶体取向发生偏转，甚至形成纳米晶。3.本专利技术可有效地抑制疲劳裂纹的萌生，调控熔覆层应力分布和组织形貌，冲击部位晶粒得到细化、表层硬度、耐磨损性能提高，可实现激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理。4.以等离子体正离子作为约束层进行激光冲击强化，可有效约束等离子体冲击波向金属内部传播。5.以等离子体正离子作为约束层进行激光冲击强化，相比于未施加约束层的强化(残余应力约为-100MPa)，可获得较深的残余应力层(残余应力约为-450MPa)。6.以等离子体正离子作为约束层进行激光冲击强化，与水作为约束层的强化效果基本相当(水约束强化形成的残余应力约为-500MPa)。7.采用磁感应强度大于0.5T的板装永磁体，磁感线方向平行于试样表面，使得等离子体中的正离子作为约束层吸附在牺牲层表面，电子则在磁场的作用下移动工件另一侧，实现对激光冲击强化的等离子体冲击波的约束。8.本专利技术采用两只机械臂同步运动，根据预处理阶段测定熔覆过程的温度场分布特征，找到最佳的激光冲击强化微锻造的温度对应的位置，确定熔覆光斑与强化光斑两光束的相对随从位置关系，这样确定激光冲击强化最适宜的加工位置。附图说明图1为激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置结构示意图。图2为激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理双臂机器人示意图。图3为激光诱导熔覆微锻造温度选择原理。图4为激光冲击光斑位置的确定示意图。图5为激光诱导熔覆微锻造工艺流程图。图6是本专利技术激光冲击强化示意图。图7是本专利技术等离子体爆炸离子运动示意图。图8在磁场作用下等离子体偏转示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术包括逐点测试激光熔覆的过程中周围的温度，寻找锻造温度的指定位置；根据金属粉末和加工需求，设定激光熔覆的工艺参数(激光功率、光斑直径、熔覆速度、离焦量、送粉速度、扫描速度、预热温度)；根据强化效果和加工需求，设定激光冲击强化的工艺参数(脉冲频率、脉冲宽度、单脉冲能量，光斑直径)；设计加工路径，并对其进行轨迹进行模拟矫正；调控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，其特征在于包括：激光熔覆装置，用于通过第一机械手对工件进行激光熔覆；激光冲击强化装置，与激光熔覆装置连接，用于通过第二机械手对工件进行激光冲击强化；三轴运动机床，用于带动放置工件的操作台，使工件位于激光熔覆装置、激光冲击强化装置操作范围内，实现工件复合表面处理。

【技术特征摘要】
1.激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，其特征在于包括：激光熔覆装置，用于通过第一机械手对工件进行激光熔覆；激光冲击强化装置，与激光熔覆装置连接，用于通过第二机械手对工件进行激光冲击强化；三轴运动机床，用于带动放置工件的操作台，使工件位于激光熔覆装置、激光冲击强化装置操作范围内，实现工件复合表面处理。2.根据权利要求1所述的激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，其特征在于所述激光熔覆装置包括CO2激光器、激光熔覆头、送粉装置、机器人，氩气保护装置；所述第一机械手末端设有激光熔覆头，激光熔覆头与CO2激光器、送粉装置、氩气保护装置连接；所述CO2激光器发出的激光、同轴送粉装置输出的粉、氩气保护装置输出的氩气分别经光纤内的管路从激光熔覆头输出，用于实现激光熔覆。3.根据权利要求1所述的激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，其特征在于所述激光冲击强化装置包括激光器、柔性导光臂；所述柔性导光臂一端与激光器连接，另一端与第二机械手末端连接；所述激光器发出的激光经柔性导光臂内部输出至工件熔覆层表面，用于实现激光冲击强化。4.根据权利要求1所述的激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理装置，其特征在于所述第二机械手末端设有红外测温仪，用于检测激光强化光束所在位置的熔覆层温度，使其表面温度为800℃-850℃。5.激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：1)检测激光熔覆过程中加工位置的温度，寻找激光冲击强化温度的初始值；2)设定激光熔覆的工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；3)根据加工路径控制两只机器手的同步运动；4)开启激光熔覆的送粉装置、氩气保护装置、CO2激光器；控制第一机械手使激光熔覆头运动到指定位置；5)开启激光冲击的激光器，控制第二机械手使柔性导光臂输出激光的一端运动到起始位置；6)调整两束光斑的相对位置；7)开启CO2激光器和激光器的两束激光光源，同时控制两只机械手运动，使第一机械手完成熔覆后且检测的激光冲击强化温度达到初始值，开始设定时间的激光冲击强化，完成双束激光诱导等离子冲击熔覆层的复合表面处理加工。6.根据权利要求5所述的激光诱导等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆莹，赵吉宾，王文斌，乔红超，孙博宇，李松夏，胡太友，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21