用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及用于小口徑管、孔內(nèi)壁的激光加工領域，特別涉及一種用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當前，在應用于管、孔內(nèi)壁的熱加工方法(如:堆焊、熱處理及表面合金化等)中，大多采用點狀或圓形熱源，需配合旋轉(zhuǎn)和直線兩個自由度的運動才能覆蓋整個管件的內(nèi)表面，如專利文獻CN2397126Y、CN1060424A及CN202741888U等報道。這些專利在實際應用中，由于旋轉(zhuǎn)加熱，往往會在管內(nèi)壁形成螺旋形的加工痕跡和重復加熱的搭接邊，不可避免地會影響加工面的粗糙度和成形質(zhì)量。另外，當工件不允許旋轉(zhuǎn)的情況下，需要在終端執(zhí)行機構(gòu)上設計包括電路/光路、冷卻水路及保護氣路等無極旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，其成本昂貴，結(jié)構(gòu)復雜，降低了設備的可靠性及適用范圍。此外，在傳統(tǒng)的管內(nèi)壁電弧堆焊技術(shù)中，焊槍、焊炬等需要伸入管內(nèi)，其固有的結(jié)構(gòu)限制了外形尺寸的縮小量和能夠加工管件的內(nèi)徑下限，使其在小口徑管內(nèi)加工中的應用受限。目前，幾乎沒有關(guān)于可用于口徑在20mm以下管件內(nèi)壁堆焊方法的報道，這就造成很少有商用的小口徑金屬復合管可供選擇。為了滿足服役性能的要求，往往采用不銹鋼、銅、鎳基合金等單一材料制作，從而造成這類管材加工難度大、制造成本高以及資源浪費嚴重等問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中小口徑管加工難度大的問題。
[0004]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置，其包括:
[0005]用于將發(fā)散形激光束轉(zhuǎn)變成截面形狀為圓環(huán)形、外徑小于待加工管件內(nèi)徑、能量分布均勻或周向能量分布均勻的中空、準直的光束的整形光路單元，整形光路單元由全反射整形光路或全透射整形光路構(gòu)成；
[0006]用于將由所述整形光路單元導出的光束進行周向偏轉(zhuǎn)反射形成聚焦光束的聚焦鏡，聚焦鏡的聚焦面為錐形弧面，聚焦鏡同軸設置于待加工管件的內(nèi)部；
[0007]以及驅(qū)動所述聚焦鏡沿待加工管件軸向作直線運動的直線運動機構(gòu)，
[0008]控制單元，所述整形光路單元、聚焦鏡和所述直線運動機構(gòu)均與所述控制單元相連。
[0009]優(yōu)選的，還包括冷卻單元，冷卻單元包括冷卻器以及與冷卻器相連的用于冷卻所述整形光路單元的第一回路和用于冷卻所述聚焦鏡的第二回路，所述第二回路包括與所述聚焦鏡后端相連的冷卻塊和與冷卻塊相連的冷卻管，所述冷卻管由同軸設置的內(nèi)外兩管構(gòu)成，內(nèi)管作為冷卻介質(zhì)流出通道，內(nèi)外管之間的間隙作為冷卻介質(zhì)流入通道;所述直線運動機構(gòu)與所述冷卻管相連。
[0010]優(yōu)選的，所述冷卻管與所述冷卻塊相連的一端具有暫存冷卻介質(zhì)用的換熱腔，所述換熱腔由所述內(nèi)管短于所述外管形成;所述冷卻管的另一端處所述內(nèi)管長于所述外管，且通過端蓋將所述外管和所述內(nèi)管相連，端蓋上設有冷卻介質(zhì)進口，所述內(nèi)管的端口作為冷卻介質(zhì)出口。
[0011]優(yōu)選的，還包括向待加工管件內(nèi)輸送保護氣體的氣體保護單元，所述氣體保護單元與所述待加工管件的一端接觸并且相連通。
[0012]優(yōu)選的，所述氣體保護單元置于光束進入所述待加工管件的一端，所述氣體保護單元為側(cè)壁上具有進氣孔的管件，管件的一端與所述待加工管件緊密接觸并且連通，管件的另一端設有密封用的隔離鏡。
[0013]優(yōu)選的，所述氣體保護單元置于背離光束射入所述待加工管件的一端，所述氣體保護單元為側(cè)壁上具有進氣孔的通氣管，所述通氣管的一端與待加工管件緊密接觸且相通，所述通氣管的另一端密封套設在所述冷卻管上，且通氣管與冷卻管可相對滑動。
[0014]優(yōu)選的，所述聚焦鏡的工作端為帶弧度的實心圓錐體，錐面為精加工的反射聚焦面，實心圓錐體的尖端削平，聚焦鏡的非工作端為實心圓柱。
[0015]優(yōu)選的，整形光路單元為由準直反射鏡、凸錐面反射鏡和凹錐面反射鏡構(gòu)成的全反射整形光路。
[0016]優(yōu)選的，所述整形光路單元為由準直透鏡和兩片平凸錐透鏡構(gòu)成的全透射整形光路。
[0017]優(yōu)選的，還包括設置在所述整形光路單元和所述聚焦鏡之間的光束變徑單元。
[0018]如上所述，本實用新型的用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置，具有以下有益效果:通過本實用新型對小口徑管內(nèi)壁進行加工，無旋轉(zhuǎn)動作，無需考慮搭接量，不存在重復加熱的問題，不但消除了螺旋形重復加熱所產(chǎn)生的搭接邊，而且取消了旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和工藝中的轉(zhuǎn)速參數(shù)，僅通過一維的直線運動就可以實現(xiàn)對整個管內(nèi)壁進行加工。因此，可以在節(jié)約成本和簡化工藝的同時大幅提高加工的質(zhì)量和效率。由于聚焦鏡為帶錐面的圓柱體，實際上是一個實心的無氧純銅塊，結(jié)構(gòu)非常簡單，可縮小的范圍較大，而準直的中空光束也可以根據(jù)實際需求通過光束變徑單元來縮小直徑，因此，本實用新型的裝置比傳統(tǒng)電弧焊方法可適用的管徑更小。
【附圖說明】
[0019]圖1顯示為本實用新型的用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置的光路原理示意圖。
[0020]圖2顯示為本實用新型的用于小口徑管內(nèi)壁的激光熱加工裝置示意圖。
[0021 ]圖3a、圖3b顯示為本實用新型施加保護氣體的示意圖。
[0022]圖4顯示為本實用新型所述冷卻塊和冷卻管的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5a顯示為整形光路單元采用全反射光路的示意圖。
[0024]圖5b、圖5c分別為圖5a中的AA、BB處的光路截面示意圖。
[0025]圖6a、圖6b顯示為整形光路單元采用全透射光路的示意圖。
[0026]圖7顯示為聚焦鏡處的聚焦光路放大圖。
[0027]圖8顯示為焦斑的形狀圖。
[0028]元件標號說明
[0029]I待加工管件
[0030]2整形光路單元
[0031]21準直反射鏡
[0032]22凸錐面反射鏡
[0033]23凹錐面反射鏡
[0034]24準直透鏡
[0035]25平凸錐透鏡
[0036]26平凹錐透鏡
[0037]27凸透鏡
[0038]28凹透鏡
[0039]3聚焦鏡
[0040]4直線運動機構(gòu)[0041 ]5光纖接口
[0042]6發(fā)散形光束
[0043]7中空、準直光束
[0044]71中空發(fā)散光束
[0045]72準直實心光束
[0046]8聚焦光束
[0047]9焦斑
[0048]10堆焊層
[0049]11熔池
[0050]12襯管[0051 ]13冷卻塊
[0052]14冷卻管
[0053]141外管
[0054]142內(nèi)管
[0055]143端蓋
[0056]144支撐塊
[0057]145冷卻介質(zhì)進口
[0058]146鎮(zhèn)靜腔
[0059]147冷卻介質(zhì)流入通道
[0060]148換熱腔
[0061]149冷卻介質(zhì)流出通道
[0062]1410冷卻介質(zhì)出口
[0063]15驅(qū)動機構(gòu)
[0064]16激光器
[0065]17控制單元
[0066]18冷卻器
[0067]26氣體保護單元
【具體實施方式】
[0068]以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。
[0069]請參閱圖1至圖8。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本實用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術(shù)內(nèi)容所能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當亦視為本實用新型可實施的范疇。
[0070]本實用新型充分利用加工對象一一小口徑管的幾何形狀特點和激光傳輸特性，通過改變光路設計，將傳統(tǒng)的點狀或圓形焦斑改變?yōu)樵诠軆?nèi)壁周向聚焦的圓環(huán)形焦斑。焦斑形狀的改變首先要考慮其能量密度能否滿足金屬熱加工的要求，對于需要在管內(nèi)壁聚焦的環(huán)形焦斑，其能量密度的計算公式為PAdw，其中，P為激光功率，d為管件內(nèi)徑，w為光斑的寬度，π為圓周率。顯然，環(huán)形焦斑的能量密度與待加工管的內(nèi)徑d密切相關(guān)，隨著管內(nèi)徑的增大激光能量密度降低，但應用于小口徑管件加工時，其優(yōu)勢就能夠很好地體現(xiàn)。例如，激光功率P為4kW，焦斑寬度為0.3mm時，加工對象為口徑30mm的管件，焦斑的能量密度高達1.4 X104W/cm2。而在常用的氬弧焊工藝中，當電流為100A時，電弧的能量密度大約為0.5 X 14W/cm2。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)，采用5kW以上