本實(shí)用新型涉及一種制備磨粒砂輪的裝置，尤其涉及一種感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的裝置。

背景技術(shù)：

磨粒工具以其高效、穩(wěn)定、耐用等優(yōu)異磨削特性，在天然巖石、工程陶瓷、半導(dǎo)體等硬脆性難加工材料的高效和精密磨削加工中發(fā)揮著無可替代的支柱作用。磨粒工具是利用結(jié)合劑把持下的眾多磨粒實(shí)現(xiàn)無數(shù)微細(xì)切削進(jìn)而完成工件材料去除。如何有效把持磨粒歷來都是磨粒工具制備的前提。采用燒結(jié)或電鍍工藝制作的磨粒工具時(shí)，磨粒只是被機(jī)械地包裹、鑲嵌在結(jié)合劑層中，把持力較小，當(dāng)負(fù)荷較重的加工中容易導(dǎo)致磨粒過早脫落，降低使用壽命。釬焊磨粒工具是利用活性釬料與磨粒在高溫下界面上形成的化學(xué)冶金結(jié)合方式將磨粒牢固連接工具基體上。釬焊工具的磨粒強(qiáng)把持力、高出刃度和大容屑優(yōu)勢(shì)徹底避免了傳統(tǒng)電鍍、燒結(jié)金剛石工具的把持不足、低出刃、易堵塞和易燒傷等問題，同時(shí)磨粒排布可控更是使業(yè)界多年來的主動(dòng)構(gòu)造銳利磨具工作地貌夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)。為此，釬焊磨粒技術(shù)被業(yè)界譽(yù)為磨粒工具制備的革命性技術(shù)。

近些年來，國內(nèi)外的研究者提出了激光釬焊磨粒工藝，其出發(fā)點(diǎn)是以激光束作為熱源加熱熔化活性釬料從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒的有效連接。與傳統(tǒng)爐中加熱、感應(yīng)加熱等方法相比，激光加熱釬焊技術(shù)具有光斑直徑小，能量密度高，熱影響范圍小，釬焊效率高；同時(shí)激光束易于聚焦，靈活性高，配合現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，通過光斑區(qū)域選擇性加熱釬焊實(shí)現(xiàn)磨粒有效排布工具的快速制備。

近年來，尤其是在國內(nèi)南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、華僑大學(xué)等單位相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)的努力下，對(duì)激光加熱參數(shù)、連接機(jī)理和熱損傷方面都進(jìn)行了大量的研究，紛紛報(bào)道了激光加熱下已經(jīng)能夠在金剛石/釬料界面形成碳化物連接，成果鼓舞人心。但也發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)加熱相比，該方法存在連接界面不緊密，熱沖擊、殘余應(yīng)力大，石墨化嚴(yán)重等問題。使用中不僅存在上述的高比例非正常失效，還出現(xiàn)了常規(guī)加熱釬焊中少有的磨粒脫落現(xiàn)象。究其根本原因在于：現(xiàn)有激光加熱釬焊磨粒工藝都是通過激光束將待加熱區(qū)溫度從室溫迅速加熱到活性釬料熔化溫度以上，隨后又迅速冷卻至冷卻室溫，激光加熱區(qū)內(nèi)外溫差過大(高達(dá)900攝氏度以上)，速熱速冷不僅給磨粒帶了強(qiáng)烈的熱沖擊，更是會(huì)在磨粒上留下巨大焊接殘余應(yīng)力，其結(jié)果導(dǎo)致應(yīng)用中出現(xiàn)上述缺陷是在情理之中。毫無疑問，有效破解激光加熱方式的速熱速冷所帶來的問題是充分發(fā)揮激光加熱優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高性釬焊磨粒工具的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的裝置，通用型強(qiáng)，可以高效、高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)磨粒砂輪的釬焊制備。

為了解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種超聲波輔助感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的裝置，包括：保護(hù)腔體系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)軸、超聲波加載系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)和激光加熱系統(tǒng)；

所述旋轉(zhuǎn)軸上固定一待焊砂輪；所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)的感應(yīng)線圈貼近于所述待焊砂輪的外周表面，其與所述待焊砂輪外周表面的距離小于所述感應(yīng)線圈的有效加熱距離；

所述激光加熱系統(tǒng)的激光束光斑聚焦于所述待焊砂輪的外周表面，并沿著所述旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向位于所述感應(yīng)線圈的后方；

所述超聲波加載系統(tǒng)中的超聲波變幅桿末端加載點(diǎn)位于激光束光斑聚焦作用區(qū)的砂輪側(cè)面；

所述待焊砂輪、感應(yīng)線圈、激光束光斑和超聲波加載點(diǎn)位于氣氛保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)腔體中。

在一較佳實(shí)施例中：所述的保護(hù)腔體系統(tǒng)還包括與所述保護(hù)腔體連接的保護(hù)氛圍發(fā)生器；所述保護(hù)氛圍發(fā)生器使所述保護(hù)腔體處于真空狀態(tài)或充滿惰性氣體。

在一較佳實(shí)施例中：所述的感應(yīng)加熱系統(tǒng)還包括與所述感應(yīng)加熱線圈相連的感應(yīng)加熱電源。

在一較佳實(shí)施例中：所述的激光加熱系統(tǒng)包括位于同一光路上的激光器、激光導(dǎo)光裝置和激光聚焦裝置。

在一較佳實(shí)施例中：所述的超聲波加載系統(tǒng)包括超聲波電源、聲波發(fā)生器、超聲波變幅桿和滾輪；超聲波發(fā)生器與超聲波變幅桿連接，超聲波變幅桿另一端上固定所述滾輪，超聲波發(fā)生器與超聲波電源相連；所述滾輪壓緊于激光束光斑作用區(qū)的砂輪側(cè)面。

在一較佳實(shí)施例中：所述保護(hù)腔體包括與所述轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置的腔體座和腔蓋，其相對(duì)密閉組合后形成保護(hù)腔體；所述腔蓋的表面設(shè)有一透明窺視孔。

在一較佳實(shí)施例中：激光束光斑為圓形或橢圓形或矩形，光斑面積為0.5-100mm²，且小于感應(yīng)線圈的面積。

在一較佳實(shí)施例中：所述的超聲波變幅桿加載可以為1個(gè)或多個(gè)。

在一較佳實(shí)施例中：所述超聲波的振動(dòng)頻率為20～100kHz，功率為30～ 1600W，超聲波變幅桿末端振幅為3-50um。

在一較佳實(shí)施例中：所述激光束為連續(xù)或脈沖，平均功率為0.1kW-20kw。

在一較佳實(shí)施例中：所述激光束光斑為圓形或橢圓形或矩形，光斑面積小于感應(yīng)加熱預(yù)熱區(qū)，為0.5-100mm²。

在一較佳實(shí)施例中：所述待焊砂輪在旋轉(zhuǎn)過程中，所述激光束光斑沿砂輪軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在一較佳實(shí)施例中：活性結(jié)合劑為含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-15％，且能與磨粒發(fā)生化學(xué)結(jié)合元素的預(yù)合金粉末。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的技術(shù)方案具備以下有益效果：

本實(shí)用新型所述的一種感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的方法和裝置，通過感應(yīng)加熱和激光加熱的雙溫度場(chǎng)耦合構(gòu)造實(shí)現(xiàn)局部釬焊連接磨粒的溫度場(chǎng)條件，相比現(xiàn)有的激光加熱方式，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

(1)通過感應(yīng)線圈加熱方式預(yù)熱，大幅縮小激光釬焊時(shí)的熔池內(nèi)外溫度差，即將工件待釬焊區(qū)溫度預(yù)熱至預(yù)焊溫度(在這個(gè)溫度下活性釬料并未熔化)，在此基礎(chǔ)上通過激光加熱只需將待焊區(qū)溫度進(jìn)一步作少量提升即可實(shí)現(xiàn)磨粒釬焊連接，有效避免了熔池內(nèi)溫度差過大所帶來弊端；

(2)由于預(yù)熱作用，采用低功率激光束即可實(shí)現(xiàn)釬焊區(qū)溫度的提升，有效避免的高功率激光所帶來的熱沖擊過大，熱流失控等問題。

(3)在激光加熱熔化活性結(jié)合劑連接磨粒時(shí)，借助超聲波輔助振動(dòng)，促進(jìn)活性結(jié)合劑粉末熔化與粘結(jié)，加速液態(tài)熔池；進(jìn)而借助超聲波強(qiáng)壓空穴效應(yīng)，促進(jìn)熔融液態(tài)活性結(jié)合劑流動(dòng)，降低固液表面張力，促進(jìn)磨粒/結(jié)合劑界面化學(xué)連接形成，加速結(jié)合劑爬升磨粒，從而縮短磨粒暴露于高溫區(qū)時(shí)間，縮短磨?；瘜W(xué)腐蝕。在連接后冷卻過程中，利用超聲波高頻攪拌阻止晶粒長大和細(xì)化晶 粒，緩解組織應(yīng)力,借助超聲波高頻振動(dòng)進(jìn)行高溫振動(dòng)時(shí)效處理，促使釬料合金發(fā)生蠕變并發(fā)生微屈服流動(dòng)，緩解熱應(yīng)力，以從源頭上減少殘余應(yīng)力的形成。

此外，借助感應(yīng)加熱的局部優(yōu)勢(shì)和激光束光斑加熱區(qū)域選擇性優(yōu)勢(shì)，再搭以工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了通過局部組合熱源與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了砂輪整體釬焊制備。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的原理示意圖；

圖2為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的一種超聲波輔助感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的裝置示意圖；

圖3為圖1的S—S截面視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參考圖1-3，本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有激光加熱制備釬焊磨粒時(shí)熔池內(nèi)外溫度場(chǎng)過大以及激光束功率過大的等問題，提供一種超聲波輔助感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的方法和裝置，通過感應(yīng)加熱預(yù)熱工件待焊加熱區(qū)使激光加熱方式的弊端得到有效控制。

一種超聲波輔助感應(yīng)預(yù)熱激光釬焊制備磨粒砂輪的裝置，包括待焊砂輪1、旋轉(zhuǎn)軸2、感應(yīng)加熱系統(tǒng)3和激光加熱系統(tǒng)4、氣氛保護(hù)系統(tǒng)5和超聲波加載系統(tǒng)。

待焊砂輪1由砂輪基體13及涂覆在其外面圓表面的活性結(jié)合劑11和磨粒12構(gòu)成。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)3由感應(yīng)線圈31及與其相連的感應(yīng)加熱電源32構(gòu)成。

激光加熱系統(tǒng)4是由激光器42、激光導(dǎo)光裝置43和激光聚焦裝置44位于同一光路上構(gòu)成，激光束45由激光器42產(chǎn)生，經(jīng)過激光導(dǎo)光裝置43和激光聚焦裝置44后在待焊砂輪1表面形成激光束光斑41的作用區(qū)。

氣氛保護(hù)系統(tǒng)5由密閉的氣氛保護(hù)腔體51和與其相連的氣氛保護(hù)發(fā)生器52構(gòu)成，其中密閉的氣氛保護(hù)腔體51由腔體座511和腔蓋512構(gòu)成，腔蓋512上設(shè)置有透明窺視孔513，用于觀察腔體的工作情況。

所述的超聲波加載系統(tǒng)包括超聲波電源64、超聲波發(fā)生器63、超聲波變幅桿62和滾輪61；超聲波發(fā)生器63與超聲波變幅桿62連接，超聲波變幅桿62的另一端上固定有所述滾輪61，超聲波發(fā)生器63與超聲波電源64相連。所述滾輪壓緊于激光束光斑作用區(qū)的砂輪基體13側(cè)面。

所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)3的感應(yīng)線圈31貼近于所述待焊砂輪1的外周表面，其與所述待焊砂輪1外周表面的距離小于所述感應(yīng)線圈31的有效加熱距離；

所述激光加熱系統(tǒng)4的激光束光斑聚焦于所述待焊砂輪1的外周表面，并沿著所述旋轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)方向位于所述感應(yīng)線圈31的后方。

所述待焊砂輪1、感應(yīng)線圈31、激光束光斑41和超聲波加載點(diǎn)位于所述氣氛保護(hù)系統(tǒng)5的保護(hù)腔體51中。

使用時(shí)，將涂覆有活性結(jié)合劑11和磨粒12的待焊砂輪1固定在旋轉(zhuǎn)軸2的軸端21上，調(diào)整感應(yīng)線圈31與待焊砂輪1的距離，調(diào)整激光束光斑41作用區(qū)在待焊砂輪1上的作用位置。使得激光束光斑41聚焦于所述待焊砂輪1的外周表面，并沿著所述旋轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)方向位于所述感應(yīng)線圈31的后方。

啟動(dòng)氣氛保護(hù)系統(tǒng)5，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸2，使其帶動(dòng)待焊砂輪1以均勻旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，啟動(dòng)超波電源64激勵(lì)超聲波發(fā)生器63產(chǎn)生超聲波并通過超聲波變幅桿62 放大后通過滾輪61施加在砂輪基體13上；啟動(dòng)感應(yīng)加熱電源32和激光器42，感應(yīng)線圈31和激光束聚焦光斑41對(duì)待焊砂輪1表面進(jìn)行耦合加熱，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使待焊砂輪1局部表面經(jīng)過感應(yīng)預(yù)熱區(qū)因感應(yīng)加熱達(dá)到預(yù)焊溫度，經(jīng)預(yù)熱的待焊砂輪1局部表面因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)經(jīng)過激光束聚焦光斑41加熱釬焊區(qū)。位于激光束光斑41作用區(qū)內(nèi)的待焊砂輪1表面溫度快速從預(yù)焊溫度上升到釬焊溫度，在此溫度下位于激光束光斑41作用區(qū)內(nèi)的活性結(jié)合劑11發(fā)生熔化、形成熔池后進(jìn)而將位于熔池內(nèi)的磨粒12通過化學(xué)鍵合方式釬焊連接在砂輪基體13上。在此耦合加熱連接磨粒過程中，利用超聲波效應(yīng)一方面促進(jìn)激光加熱升溫過程活性結(jié)合劑與磨粒界面的化學(xué)鍵合和潤濕爬升效應(yīng)，另一方面，對(duì)離開激光加熱光斑區(qū)的已連接好的磨粒進(jìn)行高頻振動(dòng)從而使其熱應(yīng)力得到有效釋放。

旋轉(zhuǎn)軸2帶動(dòng)待焊砂輪1相對(duì)感應(yīng)加熱區(qū)和激光聚光光斑作用區(qū)旋轉(zhuǎn)完整一周時(shí)，即完成了對(duì)整個(gè)待焊砂輪1的感應(yīng)預(yù)熱和激光釬焊，關(guān)閉激光器42、感應(yīng)加熱電源32和超聲波電源64，冷卻至室溫后拆下得到所制備的磨粒砂輪，也可以在關(guān)閉激光器42后，通過旋轉(zhuǎn)軸2提高砂輪旋轉(zhuǎn)速度并繼續(xù)維持一段感應(yīng)加熱電源32和超聲波電源64的工作，使得砂輪基體13按一定的降溫速度緩慢冷卻至室溫。旋轉(zhuǎn)軸2帶動(dòng)待焊砂輪1相對(duì)感應(yīng)加熱區(qū)和激光聚光光斑作用區(qū)旋轉(zhuǎn)完整一周時(shí)，即完成了對(duì)整個(gè)待焊砂輪1的感應(yīng)預(yù)熱和激光釬焊，關(guān)閉激光器42和感應(yīng)加熱電源32，冷卻至室溫后拆下即可得到所制備的磨粒砂輪，也可以在關(guān)閉激光器42后，通過旋轉(zhuǎn)軸2提高砂輪旋轉(zhuǎn)速度并繼續(xù)維持一段感應(yīng)加熱電源32和超聲波電源64的工作，使得砂輪基體13按一定的降溫速度緩慢冷卻至室溫。

以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范 圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。