專利名稱：一種結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備。
背景技術(shù)：
結(jié)晶器是煉鋼中連鑄鋼的關(guān)鍵部件，連鑄時鋼水通過結(jié)晶器表面連續(xù)冷卻而直接 鑄出鋼坯，結(jié)晶器的質(zhì)量直接影響連鑄坯表面質(zhì)量、連鑄機作業(yè)率和連鑄坯成本及出鋼噸 位等。高效連鑄技術(shù)的發(fā)展對結(jié)晶器質(zhì)量提出了更高的要求，高強度、高耐磨性、耐腐蝕性 和良好的導(dǎo)熱性成為衡量結(jié)晶器質(zhì)量的重要指標。目前，對結(jié)晶器表面處理常用的技術(shù)有 堆焊技術(shù)、熔接技術(shù)、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、非金屬鍍技術(shù)、物理與化學(xué)氣相沉積、化學(xué)熱處 理、激光熔覆等。然而廣泛應(yīng)用的電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等表面處理方法雖然能提高結(jié)晶器 銅板的耐磨性，但由于制備的涂層與基體是機械結(jié)合，而不是冶金結(jié)合，在結(jié)晶器使用過程 中常會由于熱疲勞鍍層易于發(fā)生剝落起皮，引起結(jié)晶器銅板的報廢和連鑄停產(chǎn)；涂層存在 著疏松、氣孔、夾雜等缺陷，顯著影響涂層性能和使用壽命。近年來，出現(xiàn)了大功率0)2激光器在結(jié)晶器銅板表面進行激光熔覆工藝的研究；獲 得的激光熔覆耐磨合金涂層為冶金結(jié)合，與電鍍、熱噴涂等涂層相比，具有結(jié)合強度高、熔 層組織細密均勻的特點。然而，目前結(jié)晶器激光熔覆的設(shè)備均采用大功率CO2激光器，該激 光器在金屬對激光的吸收率和光束質(zhì)量等方面與工業(yè)化高功率全固態(tài)激光器相比都存在 較大劣勢。
發(fā)明內(nèi)容針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)晶器激光再制造成套設(shè) 備，滿足結(jié)晶器表面進行激光熔覆工藝的可實施性，同時獲得的激光熔覆涂層滿足結(jié)晶器 惡劣的工作環(huán)境，最終可以提高結(jié)晶器的性能和使用壽命。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明包括激光器、數(shù)控加工機床、激光加工頭、送粉器、整機控制系統(tǒng)和安全防 護房，所述的激光器為全固態(tài)激光器，與機床上的激光加工頭通過傳輸光纖連接。所述的送粉器包括存儲粉末的料筒、驅(qū)動機構(gòu)、密封箱和置于密封箱的第一刮粉 塊、第二刮粉塊、送粉盤，驅(qū)動機構(gòu)與送粉盤連接，第一刮粉塊和第二刮粉塊對稱置于送粉 盤的同一端面上，通過密封箱蓋固定壓緊，密封箱上設(shè)有通氣管，料筒出料口與第一刮粉 塊的進料口配合，第二刮粉塊的出粉口與送粉管連接，在送粉盤與兩刮粉塊相接觸的端面 上開有環(huán)形溝槽，在工作時，密封箱內(nèi)通入惰性氣體；環(huán)形溝槽的寬度為5-10mm，深度為 0. 5-lmm。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用全固態(tài)激光器對結(jié)晶器進行表面熔覆，可以產(chǎn)生更高功率的激光束， 通過傳輸光纖與激光加工頭連接，結(jié)構(gòu)簡單，適于銅合金對激光的吸收。本發(fā)明中的送粉器結(jié)構(gòu)，使粉末從料筒出口依靠重力和氣壓作用落到送粉盤的環(huán)形溝槽內(nèi)，均勻分布在環(huán)形溝槽內(nèi)，載流氣體通過吸粉嘴將粉末以流動的形式送出。粉末的 輸送量由環(huán)形槽形狀、尺寸和送粉盤的轉(zhuǎn)速控制。粉末輸送通過通氣管連接密封箱的封閉 式載氣結(jié)構(gòu)，且通氣管的通氣方式采用壓氣式氣力輸送，利于粉末流動和混合。本發(fā)明根據(jù)結(jié)晶器的機械性能、失效情況和銅合金表面激光熔覆的特點而設(shè)計， 在結(jié)晶器表層獲得耐磨、耐沖蝕的冶金結(jié)合熔覆層。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中激光頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖1中送粉器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為結(jié)晶器合金的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、諧振腔；2、放大單元；3、激光束；4、X軸執(zhí)行機構(gòu)；5、Y軸執(zhí)行機構(gòu)；6、龍 門立柱；7、Z軸執(zhí)行機構(gòu)；8、激光加工頭；9、結(jié)晶器；10、背板；11、送粉器；12、送粉管；13、 安全防護房；14、電控柜；15、工作臺；16、龍門橫梁；17、水冷機；18、傳輸光纖；19、激光器； 20、整機控制臺；21、數(shù)控操作臺；22、光纖連接器；23、激光準直單元；24、激光聚焦單元； 25、送粉頭；26、料筒；27、第一刮粉塊；28、送粉盤；29、密封箱，30、耦合器，31、第二刮粉塊； 32、合金涂層；33、環(huán)形溝槽，34、通氣管。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1 如圖1所示，本發(fā)明包括激光器19、數(shù)控加工機床、激光加工頭8、送粉 器11、整機控制系統(tǒng)和安全防護房，所述的激光器19為全固態(tài)激光器，與機床上的激光加 工頭8通過傳輸光纖18連接，工作時，結(jié)晶器9安裝在機床上激光加工頭的下方。送粉器11的工作情況直接決定粉末流量的穩(wěn)定性與均勻性，從而影響金屬功能 零件成形的全過程。如圖4所示，本例所述的送粉器11包括存儲粉末的料筒沈、驅(qū)動機構(gòu)、 密封箱四和置于密封箱四的第一刮粉塊27、第二刮粉塊31、送粉盤觀，驅(qū)動機構(gòu)由電機 減速機組成，其驅(qū)動電機通過減速機與送粉盤觀連接，第一刮粉塊27和第二刮粉塊31對 稱置于送粉盤觀的同一端面上，通過密封箱蓋固定壓緊，密封箱四上設(shè)有通氣管34，料筒 26出料口與第一刮粉塊27的進料口配合，確保粉末出口精確定位，并流入刮粉塊的錐形內(nèi) 腔，第二刮粉塊31的出粉口與送粉管12連接，在送粉盤觀與兩刮粉塊相接觸的端面上開 有環(huán)形溝槽33，所述環(huán)形溝槽33的寬度為5-10mm、深度為0. 5_lmm，本例寬度為5mm，深度 為1mm。在工作時，密封箱四內(nèi)通入惰性氣體，本例通入氬氣。其中兩刮粉塊的材料均采用 尼龍制品。由驅(qū)動電機通過減速機帶動送粉盤28轉(zhuǎn)動，粉末從料筒沈的出口依靠重力和 氣壓作用落到送粉盤觀的環(huán)形溝槽33內(nèi)，均勻分布在環(huán)形溝槽33內(nèi)，載流氣體通過吸粉 嘴將粉末以流動的形式送出。粉末的輸送量由環(huán)形槽形狀、尺寸和送粉盤的轉(zhuǎn)速控制。其 中，通氣管34通過減壓閥連接到高壓惰性氣體氣瓶，使密封箱四內(nèi)產(chǎn)生0. 2^0. 4MPa的壓 力，實現(xiàn)氣動送粉效果。如圖2所示，為本發(fā)明采用的全固態(tài)激光器，該激光器采用的半導(dǎo)體泵浦的Nd YAG激光器。激光器采用六個單元模塊，其中四個單元模塊用于激光諧振，組成諧振腔1， 兩個單元模塊用于一次激光放大，組成放大單元2。半導(dǎo)體采用環(huán)形陣列的形式對晶體 棒進行泵浦。晶體棒的直徑為Φ8-Φ12πιπι，長度為18-22mm，激光晶體中Nd+摻雜濃度為 1. 2%-1. 4% ο本例采用的數(shù)控加工機床、激光加工頭均為外購件，其中數(shù)控加工機床為動橫梁 式龍門機床，選配專用CAD/CAM自動編程、排料套料軟件，計算機通過CNC系統(tǒng)可直接通訊。 機床配有廢料收集裝置，方便收集較小工件或廢料。床身配有分段除塵裝置，激光熔覆過程 中產(chǎn)生的氣體、煙塵可有效排出，使工作環(huán)境得到有效改善。如圖1所示，工作臺上的背板 10可防止板料移動，保證零件加工精度。X軸、Y軸和Z軸執(zhí)行器4、5、7在三個方向運動的 范圍能夠滿足寬板和窄板結(jié)晶器的加工要求。數(shù)控加工機床最大定位速度> 20m/min，定位 精度彡士0. 05mm/m，重復(fù)定位精度彡0. 01_。如圖3所示，激光加工頭8包括送粉頭25、激光準直單元23和激光聚焦單元對，激 光準直單元通過光纖連接器22連接到全固態(tài)激光器19輸出的傳輸光纖18，用于實現(xiàn)激光 熔覆所需光束的匯聚，激光聚焦單元M端連接送粉頭25，所述送粉頭25與激光束3同軸。 其中為使粉末匯聚程度高，粉末利用率高、制造精度高，本例所述的送粉頭25采用專利號 為ZL200820014633. 8的一種三維同軸激光送粉頭。激光準直單元23和激光聚焦單元M 均為通用型零部件，購置依據(jù)為準直單元和聚焦單元最大可承受激光功率均為6kW，準直器 焦距為150mm，聚焦鏡焦距250mm，焦點光斑1. 3mm。整機控制系統(tǒng)為與機床配套的三軸控制系統(tǒng)，為現(xiàn)有技術(shù)，包括整機控制臺20、啟 動盒及控制電纜，分別通過電纜與機床和激光器19連接。該系統(tǒng)不僅可以控制機床的運 動，還可以控制激光器19的功率和工作方式。安全防護房能絕對屏蔽和防止激光泄漏，可以保證激光加工安全的進行，實現(xiàn)清 潔的激光加工環(huán)境。操作人員可以在安全房外操作設(shè)備運轉(zhuǎn)，大大提高了操作人員的安全 性。安全防護房四周的罩板均可設(shè)計成可拆卸罩板，并設(shè)有安全防護門，使設(shè)備的維護等更 加方便；罩板上配有安全防護視窗，可使透過防護視窗的激光輻照量低于人眼最大允許照 射量限值，不僅可以隔離對人眼有害的激光輻射，還能使工作人員在外部觀測激光加工過 程。本發(fā)明的工作過程本發(fā)明在工作時，將待加工的結(jié)晶器9通過背板10裝夾在加工激光床上，然后通 過機床上各個軸的移動完成激光對結(jié)晶器9整個待加工面的掃描。熔覆層的形成具體如 下如圖1、圖2所示，激光器的諧振腔1通過電控柜14外接380V工業(yè)用電源，在電激勵作 用下產(chǎn)生3kw激光，經(jīng)放大單元2加強，激光功率達到6kw，經(jīng)耦合器30將波長為1. Οθμπι 的6kw大直徑激光(25mm)耦合到直徑800 μ m的傳輸光纖18中，實現(xiàn)激光的長距離柔性傳 輸，最終傳輸?shù)綀D3所示的光纖連接器22，進入激光準直單元23，獲得大直徑平行激光束， 激光束3直徑達到45mm，再經(jīng)激光聚焦單元M，獲得聚焦光束，其焦點直徑為1. 3mm,并在 外離焦位置作用于結(jié)晶器9表面，瞬間在結(jié)晶器表面形成一個熔池，用激光斑點的尺寸為 Φ 3mm-Φ 5mm，達到激光熔覆對激光束的要求；同時，熔覆用的合金粉末通過送粉器11輸送 至同軸送粉頭25，并從激光束3外圍匯集粉末到激光斑點處，即獲得同軸送粉效果。待激光 掃過后，在結(jié)晶器9表面形成一層合金涂層。[0028]本發(fā)明制備結(jié)晶器激光熔覆的合金涂層主要技術(shù)參數(shù)指標1.涂層厚度0. 8-1. Omm2. 涂層的顯微硬度≥HV0. !3003. 涂層與基材的結(jié)合力≥200 MPa4. 涂層的抗拉強度≥310 MPa在上述激光產(chǎn)生和傳輸過程中，通過水冷機17將諧振腔1、放大單元2、耦合器30、 激光準直單元23、激光聚焦單元M和送粉頭25產(chǎn)生的熱量帶走。具體送粉過程，如圖4所示，首先送粉器11的密封箱四內(nèi)連接壓力位0. 2-0. 4MPa 的壓縮惰性氣體，氣體可以選擇氮氣和氬氣；然后，將合金粉末裝入送粉器料筒沈，依靠自 重，粉末流入第一刮粉檔塊27和送粉盤觀圍成的腔體內(nèi)，然后依靠電機帶動送粉盤觀轉(zhuǎn) 動，將粉末輸送到第二刮粉檔塊27，然后依靠密封箱四內(nèi)外壓力差，惰性氣體將粉末吹入 送粉管12，該送粉管12為塑料軟管，連接到送粉頭25，經(jīng)匯聚輸送到激光束3與結(jié)晶器9 作用的激光斑點處。上述激光產(chǎn)生、傳輸、整形和匯聚及粉末的輸送和匯聚構(gòu)成激光熔覆的基本功能 單元，為了在結(jié)晶器9表面獲得連續(xù)大面積的激光熔覆效果，需要在數(shù)控操作臺20協(xié)調(diào)控 制下實現(xiàn)數(shù)控龍門機床帶動激光加工頭8精密掃描，具體控制方式如下首先，將結(jié)晶器9 固定在背板10上，然后，根據(jù)結(jié)晶器需要熔覆位置、尺寸和激光斑點寬度進行掃描軌跡編 程，其次，用整機控制臺21啟動程序，數(shù)控操作臺20通過對X軸運動執(zhí)行機構(gòu)4、龍門立柱 5、Y軸運動執(zhí)行機構(gòu)6、Ζ軸運動執(zhí)行機構(gòu)7聯(lián)動控制，實現(xiàn)激光加工頭8的精確掃描，并在 激光束3和合金粉末共同作用下，最終實現(xiàn)在結(jié)晶器9表面激光熔覆工藝的實施，形成需要 的合金涂層32。其中，在激光熔覆過程中，通過安全防護房13進行激光輻射的防護。實施例2 本例整體結(jié)構(gòu)與實施例1相同，不同的是本例送粉器11上開有的環(huán)形 溝槽33的寬度為10mm，深度為0. 5mm，在工作時，密封箱四內(nèi)通入氮氣。實施例3 本例整體結(jié)構(gòu)與實施例1相同，不同的是本例送粉器11上開有的環(huán)形 溝槽33的寬度為8mm，深度為0. 7mm。實施例4 本例整體結(jié)構(gòu)與實施例1相同，不同的是本例送粉器11上開有的環(huán)形 溝槽33的寬度為7mm，深度為0. 8mm。
權(quán)利要求1.一種結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備，包括激光器、數(shù)控加工機床、激光加工頭、送粉器、 整機控制系統(tǒng)和安全防護房，其特征在于所述的激光器為全固態(tài)激光器，與機床上的激光 加工頭通過傳輸光纖連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備，其特征在于所述的送粉器包 括存儲粉末的料筒、驅(qū)動機構(gòu)、密封箱和置于密封箱的第一刮粉塊、第二刮粉塊、送粉盤，驅(qū) 動機構(gòu)與送粉盤連接，第一刮粉塊和第二刮粉塊對稱置于送粉盤的同一端面上，通過密封 箱蓋固定壓緊，密封箱上設(shè)有通氣管，料筒出料口與第一刮粉塊的進料口配合，第二刮粉塊 的出粉口與送粉管連接，在送粉盤與兩刮粉塊相接觸的端面上開有環(huán)形溝槽，在工作時，密 封箱內(nèi)通入惰性氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備，其特征在于所述環(huán)形溝槽的 寬度為5-10_，深度為0. 5-1_。
專利摘要一種結(jié)晶器激光再制造成套設(shè)備，屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域。包括包括激光器、數(shù)控加工機床、激光加工頭、送粉器、整機控制系統(tǒng)和安全防護房，所述的激光器為全固態(tài)激光器，與機床上的激光加工頭通過傳輸光纖連接。本實用新型采用全固態(tài)激光器對結(jié)晶器進行表面熔覆，可以產(chǎn)生更高功率的激光束，通過傳輸光纖與激光加工頭連接，結(jié)構(gòu)簡單，適于銅合金對激光的吸收。本實用新型中的送粉器結(jié)構(gòu)，使粉末從料筒出口依靠重力和氣壓作用落到送粉盤的環(huán)形溝槽內(nèi)，均勻分布在環(huán)形溝槽內(nèi)，載流氣體通過吸粉嘴將粉末以流動的形式送出。粉末輸送通過通氣管連接密封箱的封閉式載氣結(jié)構(gòu)，且通氣管通過減壓閥連接高壓惰性氣體氣瓶，這種壓氣式氣力輸送，利于粉末流動和混合。
文檔編號C23C24/10GK201883147SQ20102064751
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者張翼飛, 徐國建, 羅勇, 邢飛, 陳昭 申請人:杭州中科新松光電有限公司