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體激光裝備，該裝備半導體激光器、六軸機器人及龍門機床組成，輔以溫度傳感器、激光測距儀等，達到了處理距離、溫度、軌跡、效果可控的目的，在激光先進性制造工藝專家系統(tǒng)支持下，成功實現(xiàn)了激光處理過程中的智能化功能，能滿足復雜曲面的智能化、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 半導體激光器系統(tǒng)；智能化；激光表面處理；

1.引言

近十余年來，激光表面強化技術(shù)不僅在研究和開發(fā)方面迅速發(fā)展,在工業(yè)應(yīng)用方面也取得了長足進步，成為表面處理和表面工程一個十分活躍的新興領(lǐng)域^[1,7]。目前，用于實現(xiàn)零件表面強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、無法實現(xiàn)光纖傳輸?shù)忍攸c，很難勝任復雜零件的曲面強化加工和再制造，而且CO₂激光器的功率穩(wěn)定性較差，其功率的變化也會引起功率密度分布形式和范圍的變化，給工藝制定帶來極大不便^[8]。與傳統(tǒng)高功率CO₂激光不同，高功率半導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、能實現(xiàn)溫度-功率閉環(huán)控制等特點^[9-12]，因此，新型半導體激光器可以直接通過機器人手臂前端固定，由此組合的新型激光裝備能處理其它方法無法處理的大型復雜工件的表面，具有無污染、易操控、高柔性、硬度均勻、強韌性好、變形小、耐磨性高，后續(xù)加工量小等特點。同時，與車載系統(tǒng)組合，可組成移動式現(xiàn)場表面強韌化及再制造裝備，適用于大型不易拆卸工件的現(xiàn)場表面強化及再制造；與龍門機床組合，可組成汽車模具表面強韌化及再制造裝備。本文報道了該類激光表面強化裝備的研制和應(yīng)用。

2.半導體激光智能化裝備的研制

2.1 半導體激光智能化裝備的構(gòu)成

圖1是我公司在國內(nèi)率先開發(fā)的一套半導體激光表面強化及再制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)由半導體激光器、六軸機器人系統(tǒng)、龍門機床及專業(yè)控制系統(tǒng)等組成，將機器人倒掛在龍門機床的頂部，并且于機器人手臂前端固定半導體激光器，溫度傳感器固定于激光器的一側(cè)。在龍門機床內(nèi)可擺放一系列工件，通過龍門機床及六軸機器人實現(xiàn)高效、精確的加工，可對任意復雜曲面的工件表面進行強化。龍門機床尺寸可根據(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  半導體激光智能化裝備

2.2 半導體激光智能化裝備的控制系統(tǒng)

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

通過加裝溫度傳感裝置，激光測距儀，再輔以激光先進性制造工藝專家系統(tǒng)，可以實現(xiàn)激光加工過程的距離、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)輸入激光表面強化及再制造所要達到的效果，系統(tǒng)自動從激光表面強化及再制造工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫^[13]調(diào)出工藝參數(shù)，然后通過中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令給激光器、機器人系統(tǒng)、紅外測溫儀以及距離傳感器。機器人系統(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溫儀實時監(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溫儀根據(jù)實時監(jiān)測到的溫度及加工距離數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成電信號，再通過與中央控制系統(tǒng)的連接將信號傳輸給中央控制系統(tǒng)；中央控制系統(tǒng)通過對溫度及加工距離信號數(shù)據(jù)的處理運算，反饋出信息給激光器和機器人系統(tǒng)，激光器和機器人根據(jù)反饋的信號調(diào)整功率輸出和加工距離，這樣就實現(xiàn)了溫度-功率閉環(huán)控制和加工距離智能化控制，實現(xiàn)了激光加工過程的智能化控制。

3 工藝實驗及應(yīng)用實例

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

3.1 工藝實驗

1）典型材料的激光表面淬火

通過不斷的優(yōu)化實驗，得出了幾種有代表性的材料半導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

通過不斷的優(yōu)化實驗，得出了幾種有代表性的材料半導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，海洋鉆井平臺用一軸類零件使用軸承部位磨損，尺寸減小，需對其進行尺寸修復。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，在長期使用過程中，螺紋會因為重復的擰動、摩擦而受損。當硬度較低時，螺紋部位會產(chǎn)生粘著磨損。激光表面淬火后，螺紋位置硬度可達HRC55-58，有效硬化層深度約0.8mm，抗咬合壽命從原來的2次提高到10次。

圖5 鉆鋌的半導體淬火

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，導致沖壓件被拉傷，生產(chǎn)過程中需要花費大量時間對模具工作型面進行推磨拋光，在線維修率達10%，經(jīng)激光表面強化后，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300～500件提高到1000件以上，且激光淬火后的工件表面光亮，沒有任何氧化，后續(xù)機加工量非常小，大大節(jié)約加工時間和成本。

圖6 模具的半導體激光淬火

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

圖7 汽車門模具的半導體激光淬火

3） 電力設(shè)備

圖8所示，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子在長期使用中導致軸承部位磨損，尺寸減小，需對其進行尺寸修復。激光熔覆加工后，熔覆層硬度為HRC55-60，熔覆層無裂紋、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轉(zhuǎn)子使用壽命提高了2-3倍。

圖8 汽輪機轉(zhuǎn)子半導體激光熔覆

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 軋輥的半導體激光合金化

4 結(jié)論

本文研發(fā)的半導體激光表面強化及再制造裝備可實現(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)高效地對任意復雜曲面的工件進行激光表面強化，大幅度提高工件表面的硬度和耐磨性能，延長工件的使用壽命，解決諸多傳統(tǒng)高功率CO₂激光表面強化裝備無法解決的問題，并建立了典型材料的半導體激光表面淬火及熔覆的工藝數(shù)據(jù)庫。該半導體激光智能化裝備已經(jīng)在汽車模具、石油機械、電力設(shè)備、冶金設(shè)備等行業(yè)進行了工程化應(yīng)用，大幅提高了工件的壽命和生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了十分可觀的綜合經(jīng)濟和社會效益，增加了產(chǎn)品附加值，提高了產(chǎn)品的整體競爭力。

參考文獻:

[1]吳鋼,宋光明,黃婉娟.激光淬火工藝參數(shù)對層深及硬度影響敏感性研究[J].激光器技術(shù)，2007,31（2）:163-165.

[2]王兆龍,王喜全,徐宏偉. 紡錠桿激光淬火新工藝研究[J]. 紡織器材,2008,35(2):93-94.

[3]蔡軍,梁海峰,劉國林.汽車大型覆蓋件模具激光表面強化技術(shù)的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)， 2008,(7):25-26.

[4]丁陽喜,李 軍. 模具鋼激光表面改性技術(shù)的研究進展[J]. 模具工業(yè),2007,33(9):65～68.

[5]李寶靈,劉旭紅,馮樹強,等.鐵基合金粉末激光熔覆的顯微硬度分析[J].應(yīng)用激光,2008, 28(4):271-273.

[6] A. H. Wang, C. S. Xie, J. H. Nie. Bond strength of a laser-clad iron-base alloy coating on Al–Si alloy substrate and its fracture behavior[J]. Materials characterization, 2001, 47:1-7.

[7] Xin Tong , Fu-haiLi, Min Liu, et al.Thermal fatigue resistance of non-smooth cast iron treated by laser cladding with different self-fluxing alloys, Optics & Laser Technology, 2010,42 :1154–1161.

[8] 羅玉梅.激光淬火工藝的現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].邵陽學院學報(自然科學版),2004,1(3):49-51.

[9] L.A. DOBRZA´NSKI, M. BONELK, E. HAJDUCZWK, et al. Application of high power diode laser (HPDL) for alloying of X40CrMoV5-1 steel surface layer by tungsten carbides[J]. Journal of Materials Processing Technology 155–156 (2004):1956–1963.

[10] HENRIKKI PANTSARA , VELI KUJANPA¨A. Diode laser beam absorption in laser transformation hardening of low alloy steel[J]. JOURNAL OF LASER APPLICATIONS,2004,16(3):147-153.

[11] I.R.PASHBY, S.BARNES, B.G.BRYDEN. Surface hardening of steel using a high power diode laser [J]. Journal of Materials Processing Technology, 139 (2003):585–588.

[12] E. KENNEDY, G. BYRNE, D.N.COLLINS. A review of the use of high power diode lasers in surface hardening[J].Journal of Materials Processing Technology, 155–156 (2004):1855–1860

[13]閔大勇,王愛華,熊志紅,等.模具半導體激光強韌化工藝研究[J].激光技術(shù)，2012，36(3):364-364.