一種鋼管內(nèi)壁激光熔覆工藝裝置的研制

劉麗紅 李榮雪 魏亮 姚佳

一種鋼管內(nèi)壁激光熔覆工藝裝置的研制

劉麗紅 李榮雪 魏亮 姚佳

通過(guò)使用鋼管內(nèi)壁激光熔覆工藝裝置，可實(shí)現(xiàn)管件和滾珠絲杠同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平行架實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)激光器和送粉裝置實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了管件內(nèi)壁全長(zhǎng)范圍的激光熔覆。

1. 概述

目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一。一些企業(yè)對(duì)于管道內(nèi)壁的激光熔覆工藝，由于沒(méi)有合適的工藝裝置而無(wú)法進(jìn)行或無(wú)法滿足熔覆寬度要求。例如水泥廠非標(biāo)管道在風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽吸下，完成氣體或粉塵物料的輸送。在某些局部位置，非標(biāo)管道內(nèi)粉塵物料濃度高、風(fēng)速快或流向急劇改變等因素，致使該處易被高速運(yùn)動(dòng)的粉塵顆粒沖蝕磨損。這些部位零件更換的周期為半年，而其他部位的更換周期為2～3年。所以，企業(yè)迫切需要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆。

但國(guó)內(nèi)激光熔覆企業(yè)大都集中在零部件外表面（軸類、平面類）激光熔覆技術(shù)的研究，使外表面的激光熔敷技術(shù)已經(jīng)比較成熟，工裝相對(duì)而言比較完善；但對(duì)孔類零件內(nèi)壁的激光熔覆裝置研究較少。目前國(guó)內(nèi)內(nèi)孔激光熔覆的工藝方法主要是采用和外表熔敷相近的工藝裝備（見(jiàn)圖1）。

由圖1可知，由于激光器探入內(nèi)孔的長(zhǎng)度和送粉管長(zhǎng)度及傾斜角度的限制，所以只能對(duì)內(nèi)孔邊緣進(jìn)行熔敷，熔敷的寬度有限制。而在工程實(shí)踐中，往往需要對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行整體熔覆，或者熔覆寬度尺寸較大，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足。

圖1 現(xiàn)有內(nèi)孔激光熔覆工裝

圖2 外壁熔覆裝置

2.設(shè)計(jì)思路及熔覆裝置

主要借助于現(xiàn)有的外壁熔覆裝置的基本原理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁熔覆?，F(xiàn)有外壁熔覆裝置如圖2所示。

熔覆裝置基本工作原理：主動(dòng)卡盤和從動(dòng)卡盤夾緊軸類工件，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)主動(dòng)卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)卡盤帶動(dòng)軸類工件轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)卡盤隨工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。從動(dòng)卡盤的支架可沿導(dǎo)軌移動(dòng)，調(diào)節(jié)熔覆的長(zhǎng)度。激光器支架可

沿導(dǎo)軌移動(dòng)，其移動(dòng)速度與軸類工件的轉(zhuǎn)速成一定比例。

鋼管內(nèi)壁全長(zhǎng)范圍激光熔覆借助此原理需解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：

第一，鋼管需完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以無(wú)法使用安裝在導(dǎo)軌上的激光器支架。因此激光器在鋼管內(nèi)壁長(zhǎng)距離懸空位置上，鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)，如何支撐激光器？

第二，沒(méi)有軸類工件加工時(shí)的激光器支架及導(dǎo)軌，激光器如何實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)？

第三，如何保證激光器長(zhǎng)距離水平移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)軸線不發(fā)生偏移？

通過(guò)認(rèn)真分析研究，確定了裝置的基本原理如下：同時(shí)設(shè)內(nèi)卡盤和外卡盤，同心安裝。外卡盤夾持工件，內(nèi)卡盤夾持往復(fù)絲杠，在往復(fù)絲杠上安裝一平行架，用來(lái)支撐激光器機(jī)構(gòu)。在絲杠下方加一光杠，用以限制平行架的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)絲杠的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光器直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。絲杠另一端用自動(dòng)定心的頂尖機(jī)構(gòu)頂緊，通過(guò)光杠和絲杠的平行度來(lái)控制激光器直線運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生偏移。

3. 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)上面的基本原理，同時(shí)借鑒作者以前熱噴涂修復(fù)內(nèi)壁工藝的經(jīng)驗(yàn)，完成一套鋼管內(nèi)壁激光熔敷裝置設(shè)計(jì)。本裝置主要由主軸連接盤、內(nèi)外卡盤、平行架、滾珠絲杠、光杠、頂尖尾座、尾座支架及可調(diào)滾輪架組成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

各組成部分連接關(guān)系如下：主軸連接盤5與驅(qū)動(dòng)裝置主軸聯(lián)接，內(nèi)卡盤6與外卡盤7分別與連接盤5固定連接，實(shí)現(xiàn)工件和滾珠絲杠同心夾緊。

內(nèi)卡盤6夾緊滾珠絲杠9左端，頂尖尾座12頂緊滾珠絲杠9右端頂尖孔。頂尖尾座12通過(guò)螺栓安裝固定在尾座支架14上。尾座支架14可左右移動(dòng)。

滾珠絲杠9上的滾珠螺母穿過(guò)平行架8上中心孔，通過(guò)螺栓與平行架8固定。

頂尖尾座12下中心孔與頂尖平行，光杠10穿過(guò)頂尖尾座12下中心孔，與滾珠絲杠9平行，右端用鎖緊螺母13固定。

可調(diào)滾輪架15高度可調(diào)節(jié)，其上面兩個(gè)滾輪輔助支撐工件鋼管11。

激光器2安裝在托架3上，托架3用螺栓固定在平行架8上。

可將以上各部件按使用功能分為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)三類。分別描述如下：

第一，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本裝置的核心。主要包含驅(qū)動(dòng)裝置、滾珠絲杠、光杠、平行架等。驅(qū)動(dòng)裝置的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)連接盤帶動(dòng)內(nèi)卡盤和外卡盤同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)卡盤帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。滾珠絲杠可將絲杠的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾珠螺母的直線運(yùn)動(dòng)。滾珠螺母與平行架通過(guò)螺栓連接，由滾珠螺母帶動(dòng)平行架沿滾珠絲杠往復(fù)運(yùn)動(dòng)。平行架帶著托架上的激光器和送粉管在工件鋼管內(nèi)移動(dòng)，完成鋼管內(nèi)壁熔覆。

滾珠絲杠是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。本裝置選擇型號(hào)SFU 3205－4?？筛鶕?jù)產(chǎn)品尺寸要求，設(shè)計(jì)制作系列絲杠，與不同長(zhǎng)度的鋼管工件配合使用。

圖3 鋼管內(nèi)壁激光熔敷裝置

光杠對(duì)平行架起到輔助支撐和導(dǎo)向作用，限制滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，減小滾珠絲杠在垂直方向的受力，同時(shí)保證托架上的激光器始終保持垂直于工作臺(tái)面。光杠可采用厚壁鋼管加工而成，減

輕光杠質(zhì)量，用鋼管制造環(huán)形零件，可進(jìn)一步提高資料應(yīng)用率，簡(jiǎn)化制造工序，節(jié)約資料和加工工時(shí)。光杠和絲杠的平行度主要靠平行架上下兩孔和頂尖尾座上下兩孔加工時(shí)的尺寸公差和形位公差來(lái)保證。

第二，夾緊機(jī)構(gòu)：夾緊機(jī)構(gòu)主要包含內(nèi)卡盤、外卡盤、頂尖尾座。

外卡盤可直接采用三爪焊接卡盤。其反爪夾持范圍與鋼管內(nèi)壁的尺寸范圍匹配，承載力主要考慮鋼管的質(zhì)量，由于鋼管下部還有可調(diào)滾輪架支撐，所以常用的焊接卡盤都可滿足其承載能力要求。

內(nèi)卡盤采用普通三爪卡盤。為保證平行架在滾珠絲杠的左側(cè)行程，需控制三爪卡盤的右端面不得超出焊接卡盤外端面。所以，如果選用的焊接卡盤與三爪卡盤不能滿足上述要求，可通過(guò)主軸連接盤的與兩卡盤的連接面適當(dāng)調(diào)整。

頂尖尾座主要是頂緊滾珠絲杠右端，頂尖與滾珠絲杠頂尖孔應(yīng)匹配。

第三，調(diào)整機(jī)構(gòu)：托架上加工有長(zhǎng)腰形孔，對(duì)于不同的鋼管內(nèi)徑，可根據(jù)工況調(diào)節(jié)激光器的上下位置，滿足激光熔敷技術(shù)要求。

可調(diào)滾輪托架：可根據(jù)鋼管工件的長(zhǎng)短，調(diào)整托架在軌道上的左右位置，輔助支撐鋼管；對(duì)于不同的鋼管外徑，可調(diào)整滾輪托架的高度，使?jié)L輪與鋼管外壁接觸，實(shí)現(xiàn)輔助支撐。

尾座支架：可根據(jù)鋼管工件的長(zhǎng)短，在工裝地面軌道上左右移動(dòng)尾座支架，調(diào)整到合適的位置，并固定。再轉(zhuǎn)動(dòng)頂尖尾座手柄的微調(diào)頂尖，頂緊滾珠絲杠。

4. 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

（1）內(nèi)卡盤和外卡盤分別連接固定在連接盤上，實(shí)現(xiàn)工件和滾珠絲杠同心夾緊。

（2）頂尖尾座下中心孔與頂尖孔平行， 光杠穿過(guò)頂尖尾座下中心孔和平行架下中心孔，與滾珠絲杠平行。嚴(yán)格控制平行架上下中心孔和頂尖尾座上下中心孔的尺寸公差及平行度。同時(shí)嚴(yán)格控制滾珠螺母與平行架配合軸面的尺寸和形位公差。

（3）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平行架左右移動(dòng)，光杠對(duì)平行架起到輔助支撐和導(dǎo)向作用。

（4）調(diào)節(jié)可調(diào)滾輪架高度和左右位置輔助支撐工件鋼管。

5. 結(jié)語(yǔ)

本裝置將激光器通過(guò)托架固定在平行架上，平行架在絲杠上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)激光器在鋼管內(nèi)要求的范圍內(nèi)移動(dòng)。與絲杠平行的光杠起到導(dǎo)向和輔助支撐的作用。內(nèi)外兩個(gè)卡盤同時(shí)夾緊工件和絲杠，可實(shí)現(xiàn)工件和絲杠同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。用可調(diào)滾輪架解決工件懸臂支撐的剛性問(wèn)題。

本裝置可實(shí)現(xiàn)激光器對(duì)長(zhǎng)度≤500mm、內(nèi)徑在400～1000mm范圍內(nèi)鋼管內(nèi)壁的激光熔覆，可以解決現(xiàn)有的只能對(duì)鋼管內(nèi)壁邊緣進(jìn)行激光熔覆的問(wèn)題。通過(guò)部件尺寸的擴(kuò)展，可適當(dāng)擴(kuò)大其加工范圍。

[1]王斌修，李成彪. 激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 機(jī)床與液壓，2013(7)：192-194.

[2]成凱華. 采用激光熔敷修復(fù)齒輪推力面[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)， 2012(3)：49-52.

[3]董曉強(qiáng)，張陽(yáng). 等離子弧內(nèi)孔噴涂在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸強(qiáng)化中的應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，2010(10)：1-4.

中國(guó)將成世界最大機(jī)器人生產(chǎn)基地

據(jù)韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》網(wǎng)站報(bào)道，中國(guó)在2013年運(yùn)行的機(jī)器人數(shù)量在日本、北美、德國(guó)、韓國(guó)之后排第五，但預(yù)計(jì)到2016年會(huì)超過(guò)韓國(guó)、德國(guó)成為世界第三。每年銷售的工業(yè)機(jī)器人規(guī)模已在2013年成為世界第一。2013年，在中國(guó)售出的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量為3.656萬(wàn)臺(tái)，占世界市場(chǎng)的20%。在中國(guó)生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量預(yù)計(jì)在不久的未來(lái)也會(huì)占據(jù)世界第一。2013年，中國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)數(shù)量約為2.5萬(wàn)臺(tái)，落后于日本與北美，但I(xiàn)FR預(yù)計(jì)到2016年中國(guó)將生產(chǎn)3.8萬(wàn)臺(tái)以上，成為世界最大的機(jī)器人生產(chǎn)基地。而中國(guó)生產(chǎn)市場(chǎng)的90%由歐洲、日本等外國(guó)企業(yè)所占有。

（中國(guó)焊接網(wǎng)）

1.焊接手冊(cè)：第1卷 焊接方法及設(shè)備（第3版） 110.00

2.焊接手冊(cè)：第2卷 材料焊接（第3版） 116.00

3.焊接手冊(cè)：第3卷 焊接結(jié)構(gòu)（第3版） 148.00

4.焊接工程師手冊(cè)（第2版） 188.00

5.現(xiàn)代焊接制造與管理 55.00

6.常用焊接材料速查手冊(cè) 29.00

7.釬焊手冊(cè)（第2版） 95.00

8.焊工手冊(cè)：手工焊接與切割（第3版） 59.00

9.焊接科學(xué)基礎(chǔ) 材料焊接科學(xué)基礎(chǔ) 98.00

10.焊條電弧焊 79.00

11.單面焊雙面成形焊接技術(shù)（第2版） 29.00

12.教你學(xué)會(huì)識(shí)讀焊接結(jié)構(gòu)圖 29.00

13.鋁合金車體焊接工藝（第2版） 46.00

14.船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù) 28.00

15.起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)焊接制造技術(shù) 59.00

16.焊工操作質(zhì)量保證指南 18.00

17.先進(jìn)難焊材料的連接 53.00

18.焊工識(shí)圖一點(diǎn)通 19.00

19.焊工技能鑒定考核試題庫(kù)（高級(jí)工、技師、高級(jí)技師） 29.00

20.焊接鑒定考核題庫(kù) 25.00

21.氣體保護(hù)焊工藝基礎(chǔ)及應(yīng)用 75.00

22.特種設(shè)備焊工考證基礎(chǔ) 55.00

23.異種金屬的焊接 49.00

24.焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性 49.00

25.實(shí)用焊接操作技法 49.00

26.高效焊接方法 39.00

27.微電子焊接技術(shù) 35.00

28.復(fù)合材料的焊接 35.00

29.電焊工操作入門與提高 22.00

30.新版電焊工入門 29.80

31.焊接自動(dòng)化實(shí)用技術(shù) 45.00

32.堆焊技術(shù)及實(shí)例 32.00

33.焊接工藝設(shè)計(jì)與實(shí)例分析 89.00

34.焊接操作要點(diǎn)230條 29.00

35.焊接操作技能 36.80

36.先進(jìn)焊接設(shè)備與維修 38.00

37.焊接技術(shù)與焊接工藝問(wèn)答 25.00

38.鋁及鋁合金的焊接 42.00

39.汽車機(jī)器人焊接工程 26.00

40.鈑金下料100例 35.00

41.鈑金下料常用技術(shù) 25.00

42.涂裝技術(shù)1000問(wèn) 79.00

43.表面處理技術(shù)禁忌 39.00

44.激光改性及延壽技術(shù) 34.00

45.涂裝工程安全技術(shù) 48.00

46.涂裝工技能提高必讀 39.00

47.涂裝工入門必讀 29.00

48.表面鍍覆層失效分析與檢測(cè)技術(shù) 52.00

49.表面工程技術(shù)的設(shè)計(jì)與選擇 56.00

50.現(xiàn)代表面技術(shù) 28.00

51.中外金屬材料牌號(hào)和化學(xué)成分對(duì)照手冊(cè) 96.00

52.實(shí)用金屬材料手冊(cè) 178.00

53.金屬材料速查速算手冊(cè) 49.00

54.金屬材料彩色金相圖譜 148.00

55.常用金屬材料規(guī)格及重量速查手冊(cè) 28.00

56.新編有色金屬材料手冊(cè) 98.00

57.新編鋼鐵材料手冊(cè) 98.00

58.中外鋼鐵牌號(hào)速查手冊(cè)（第3版） 48.00

59.鋼鐵材料速查手冊(cè) 48.00

60.實(shí)用鋼鐵材料手冊(cè)（第2版） 82.00

61.實(shí)用有色金屬材料手冊(cè)（第2版） 78.00

62.不銹鋼耐熱鋼和特殊合金 112.00

63.鋼鐵焊接材料 61.00

64.金屬材料規(guī)格及重量手冊(cè) 99.00

65.耐磨材料應(yīng)用手冊(cè) 第2版 109.00

66.材料加工學(xué) 48.00

67.材料加工冶金傳輸基礎(chǔ) 43.00

68.連鑄鋼缺陷分析與對(duì)策 58.00

69.耐磨材料500問(wèn) 48.00

70.金屬材料常識(shí)普及讀本 25.00

71.鋁鎂合金半固態(tài)成形理論與工藝技術(shù) 28.00

72.新型結(jié)構(gòu)陶瓷的制造工藝——先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法及其應(yīng)用 32.00

73.機(jī)械工程材料（第2版） 36.00

74.金屬材料化學(xué)成分與力學(xué)性能手冊(cè) 88.00

75.機(jī)器人手冊(cè) 398.00

76.焊接環(huán)境中的職業(yè)健康與安全 25.00

77.先進(jìn)焊接方法與技術(shù) 48.00

78.焊接工程師專業(yè)技能入門與精通 43.00

79.技術(shù)部工作指南 49.00

80.品管部工作指南 68.00

81.TnPM推進(jìn)實(shí)務(wù)和案例分析 42.00

82.規(guī)范化的設(shè)備點(diǎn)檢體系 22.00

83.設(shè)備維護(hù)水平考核指標(biāo)和入階評(píng)價(jià) 22.00

84.現(xiàn)代設(shè)備管理 59.00

85.與工廠經(jīng)理談?wù)勗O(shè)備管理 49.00

86.豐田式精益現(xiàn)場(chǎng)改善之術(shù) 49.00

87.豐田式制造管理實(shí)踐之道 39.00

88.設(shè)備管理新思維新模式（第3版） 47.00

89.精益生產(chǎn)實(shí)踐 39.00

90.設(shè)備點(diǎn)檢管理手冊(cè) 68.00

91.點(diǎn)檢屋——TnPM設(shè)備點(diǎn)檢管理新視角 17.00

92.TPM全面生產(chǎn)維護(hù)推進(jìn)實(shí)務(wù) 28.00

93.TnPM企業(yè)推進(jìn)實(shí)務(wù)1001問(wèn) 35.00

94.設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)診斷及維修改造 88.00

● 《金屬加工（冷加工）》原名《機(jī)械工人（冷加工）》2008、2009、

2010、2011、2012、2013年半月刊合訂本定價(jià)均為240.00元。

《機(jī)械工人（冷加工）》合訂本94、95、96、97、98、2001、2002、 2003、2004、2005、2006、2007年分別為28.00、33.00、45.00、50.00、55.00、95.00、100.00、100.00、100.00、120.00、120.00、120.00元。

● 《金屬加工（熱加工）》原名《機(jī)械工人（熱加工）》2008、2009、

2010、2011、2012、2013年半月刊合訂本定價(jià)均為240.00元。

《機(jī)械工人（熱加工）》合訂本94、95、96、97、98、99、2000、2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007年分別為28.00、33.00、45.00、50.00、55.00、85.00、90.00、95.00、100.00、100.00、100.00、120.00、120.00、120.00元。

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劉麗紅等，北京電子科技職業(yè)學(xué)院。