专利名称：一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，属于激光材料加工技术领域。
背景技术：
激光粉末填充焊接利用了粉末填充材料的优点，突破了填充焊丝的诸如顶丝、对送丝机构精度要求高等一些局限，目前已经成为激光焊接技术的一个新的发展方向。它利用激光做热源，激光束经导光系统聚焦在工件表面的接缝处形成焊接熔池，同时将事先合金化或机械方法混合后的粉末通过送粉喷嘴注入到激光熔池中，粉末材料熔化并与基体材料混合，冷却后即形成焊缝，将两块分离的工件连成一个整体。
激光粉末填充焊接的这种同步送粉方式目前主要有同轴送粉方式和旁轴(也称离轴、单侧)送粉方式，分别采用了同轴送粉喷嘴和旁轴送粉喷嘴。
同轴送粉方式激光粉末填充焊接，由于其输送的粉末束流与激光束同轴，因此使用这种送粉方式的激光粉末填充焊接能得到各向同性、质量一致的焊缝，并且能够对直线、圆弧、曲线的加工轨迹进行焊接加工。但是在实际加工中，由于喷嘴与熔池距离较近，反射激光及焊接熔池的辐射热极易使喷嘴端部升温，造成粘粉、堵粉或喷嘴损坏，不能确保焊接过程的稳定，因此大大限制了同轴送粉方式激光粉末填充焊接方法在实际加工中的应用。
旁轴送粉激光粉末填充焊接，其粉末束由单独送粉喷嘴输送，送粉喷嘴距离熔池有较大距离，并且相对于激光束存在一定的夹角，减小了反射激光及焊接溶池热辐射的影响，因此避免了同轴送粉焊接方式的缺点，在一个方向上可以取得很好的焊接效果，成为目前应用最广的激光粉末填充焊接方式。
但是正是由于送粉喷嘴与激光束存在一定的夹角，粉末束从相对于激光束的一侧按固定方向向激光熔池输送，当激光束运动方向发生改变时，粉末束从不同方向送入熔池，焊缝状态会发生明显变化，无法保证焊缝的精确一致性。因此目前常使用的旁轴送粉激光粉末填充焊接装置或系统针对平面焊接加工工件的加工轨迹只能是直线，而不能为圆形、方形或其它曲线。因此旁轴送粉的单向性限制了这一激光焊接方式在实际加工中的灵活应用。
如果能够提供这样一种装置，即在焊接加工过程中，使旁轴送粉喷嘴随激光束运动轨迹的变化而同步保持相应的变化，也就是使粉末束相对于激光束在任何时候都是从同一方向注入激光焊接熔池。这样就能克服目前旁轴送粉方式单向性的不足，解决旁轴送粉激光粉末填充焊接不能对圆形、方形或其他曲线形轨迹的焊接加工的问题，大大拓宽旁轴送粉激光粉末填充焊接方式的应用领域。但是，在激光材料加工技术领域目前还没有出现相关技术和装置。
实用新型内容本实用新型的主要目的就在于提供一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，使其能够克服目前旁轴送粉方式单向性的不足，使旁轴送粉激光粉末填充焊接方式能够对加工平面上的圆形、圆弧形轨迹进行激光焊接加工，满足工业生产实际需求。
参照附图1及附图2，为达到以上目的，本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，由依次连接的上体、中间体和下体三部分组成；上体主要包括有腔体1、腔盖8和气帘装置7，中间体由相互啮合的长臂锥齿轮5与短臂锥齿轮6组成的齿轮副及电机4组成，下体由角度位移调节机构及送粉喷嘴14组成，角度位移调节机构主要由水平支架11、竖直支架12组成；其中，所述的腔盖8设置在本实用新型的装置最顶部，为一双层、卷筒式结构，上下两层为板状，中间为圆柱联接体，上层板与激光器导光臂连接，下层板与腔体1及设置在腔体1内的气帘装置7连接；长臂锥齿轮5与短臂锥齿轮6组成的齿轮副设置在腔体1内、气帘装置7下方，短臂锥齿轮6通过腔体1侧板与腔体1外部的电机4配合，长臂锥齿轮5通过腔体1底板与水平支架11的一端固定连接，水平支架11的另一端与竖直支架12连接共同构成一角度位移调节机构，送粉喷嘴14固定在竖直支架12上，改变水平支架11与竖直支架12的夹角和相对位置就能够调节送粉喷嘴内粉末的输送位置；腔盖8的中心位置即从上层板经过圆柱联接体到下层板的中心、长臂锥齿轮5的中间各设有一作为激光光束通道的通孔，与腔体1内气帘装置7的通光孔保持同轴。
参照附图4，根据本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，所述的气帘装置7采用实用新型的一种激光焊接超音速横向气帘装置(申请号200420118096.3)，该气帘装置7主要由喷射腔体22、左安装臂20、右安装臂21、带通光孔的辅助挡板23构成。喷射腔体22被包夹在左安装臂20与右安装臂21之间，左、右安装臂的右端下部连接有辅助挡板23，喷射腔体22的内腔由类似拉伐尔喷管结构腔25及与之连接的进气管螺纹孔26组成；在气帘装置的左、右安装臂分别对称设置有两个螺纹安装孔24，通过螺钉可以将气帘装置7固定在腔盖8的下层板底部，并保证气帘装置7的通光孔与腔盖8圆形通孔同轴。当有气流进入气帘装置时，在喷射腔体喷嘴处形成的超音速横向气帘，可有效将激光焊接时产生的飞溅及烟气吹除，保护激光器导光臂内的光学系统不受污染，同时辅助挡板与喷射腔体之间形成负压气流通道，避免喷嘴气流产生的负压气流引起焊接区周围空气扰动，提高焊接质量。
根据本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，所述的腔体1为长方体空腔结构，腔体1的一侧板上设置有短臂锥齿轮6安装用的圆形孔以及固定用的轴承2；腔体1底板设置有长臂锥齿轮5安装用的圆形孔以及固定用的轴承9；在腔体1的另一对相对的侧板上顶部，还设置有进气管通孔、出气口，进气管通孔和出气口位置及形状、尺寸与气帘装置7的安装位置及其喷射腔体内类似拉伐尔喷管结构腔的出气口形状、尺寸一致，保证气流出口通道顺畅；腔体1内还包括引入的电机4的信号线、电源线，腔体1侧板上设置有与信号线、电源线相连的串口13，可利用计算机对电机4进行控制。
根据本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其中间体主要由相互啮合的长臂锥齿轮5与短臂锥齿轮6组成的齿轮副及电机4组成，其中短臂锥齿轮6的臂较短，通过腔体1侧板上的圆孔并与孔内的轴承2紧固配合，短臂锥齿轮6中间还设置有一通孔；长臂锥齿轮5的臂较长，其上段外表面为光洁表面，通过在腔体1底板上的圆孔并与孔内的轴承9紧固配合，长臂下段表面设置有螺纹，与本装置下体的角度位移调节机构的水平支架11连接；长臂锥齿轮5中间还设置有圆形通孔，作为激光束的通道，与上体气帘装置7的通光孔、腔盖8的圆形通孔保持同轴。所述的电机4为普通直流电机或步进电机，其旋转轴与短臂锥齿轮6内的通孔紧固配合，电机4的信号线、电源线被引入腔体，与设置在腔体侧板上的串口13相连，可利用计算机对其进行控制。为防止工作时候粉末对轴承2、轴承9的损坏以及轴承的滑动，在侧板上轴承2和底板上轴承9的安装处，相应地还设置有侧轴承挡盖3、底轴承挡盖10，轴承挡盖3、10通过螺钉与腔体1连接，其中侧轴承挡盖3还与电机4螺钉连接。
根据本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其下体主要由角度位移调节机构及安装在角度位移调节机构上的送粉喷嘴14构成。其中角度位移调节机构由水平支架11、竖直支架12和紧固螺钉15组成，其中水平支架11一端为内带螺纹的环状结构，用于长臂锥齿轮5的长臂下段螺纹连接，水平支架11的另一端为一矩形长孔；竖直支架12为一长方形条状结构，支架上开有矩形长孔，通过紧固螺钉15即与水平支架11共同构成一角度位移调节机构，改变竖直支架12在水平支架11上的位置以及改变竖直支架12与水平支架11之间的夹角就可以方便地实现该机构的角度位移调节。
根据本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，所述的送粉喷嘴14，采用双层同轴送粉喷嘴，送粉喷嘴设置有同轴的内外两层管道，内层送粉管利用载气输送焊接填充用粉末材料，外层送气管输送保护气，形成汇聚粉末束流。送粉喷嘴14通过固定夹用螺钉固定在角度位移调节机构的竖直支架上，调整角度位移调节机构即能够调节送粉喷嘴内粉末的输送位置。
参照附图6及附图8，其表示本实用新型的基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置工作原理图。旁轴送粉装置固定在激光器导光臂上，当导光臂以一定的线速度沿确定的圆弧形轨迹运动时，计算机可根据圆弧形轨迹的弧度和半径即可计算出导光臂运动所需要的时间，同时计算机根据导光臂运动时间计算并确定送粉喷嘴转过相同弧度所需要的角速度，以保持送粉喷嘴与导光臂同步运动，实现旁轴送粉激光粉末填充焊接方式对加工平面上的圆形、圆弧形轨迹的激光焊接加工。
根据本实用新型提供的送粉装置，可以有效、方便地对加工平面上为圆形、圆弧形轨迹进行旁轴送粉激光粉末填充焊接，满足工业生产实际需求。
图1为本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置结构示意图其中1、腔体 2、短臂锥齿轮安装轴承 3、侧轴承挡盖 4、电机5、长臂锥齿轮 6、短臂锥齿轮 7、气帘装置 8、腔盖9、长臂锥齿轮安装轴承 10、底轴承挡盖 11、水平支架12、竖直支架 13、串口 14、送粉喷嘴 15、紧固螺钉图2为本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置立体结构分解示意图(不包含送粉喷嘴)图3为本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置立体示意图(不包含送粉喷嘴)图4为一种激光焊接超音速横向气帘装置结构示意图20、左安装臂 21、右安装臂 22、喷射腔体 23、辅助挡板24、安装孔 25、类似拉伐尔喷管结构腔 26、进气管螺纹孔图5为一种激光粉末填充焊接用双层同轴送粉喷嘴结构示意图30、送粉腔 31、粉末入口 32、保护气腔 33、保护气入口34、送气管 35、送粉管 36、固定夹图6为本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置工作原理图图7为表示利用目前旁轴送粉激光粉末填充焊接装置进行圆弧形轨迹焊接加工过程示意图图中表示激光器导光臂或激光束◎表示送粉喷嘴图8为利用本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置进行圆弧形轨迹焊接加工过程示意图图中表示激光器导光臂或激光束◎表示送粉喷嘴
具体实施方式
以下结合一个具体实施例来详述本实用新型的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置。
参照附图1及附图2。一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置由依次连接的上体、中间体和下体三部分组成；上体主要包括有腔体1、腔盖8和气帘装置7，中间体由相互啮合的长臂锥齿轮5与短臂锥齿轮6组成的齿轮副及电机4组成，下体由角度位移调节机构及送粉喷嘴14组成，角度位移调节机构主要由水平支架11、竖直支架12组成。
其中，所述的腔盖8设置在本实用新型的装置最顶部，为一双层、卷筒式结构，上下两层为方形板状，中间为圆柱联接体，上下两层周边分别均匀布置有多个圆形直孔，上层板的四个直孔用于与激光器导光臂螺钉连接，下层板的六个直孔用于与腔体1螺钉连接，下层板上、靠近圆柱体周围还设置有四个直孔，与气帘装置7螺钉连接。
气帘装置7采用公知的激光焊接超音速横向气帘装置，用螺钉固定在腔体1内、腔盖8的下层板底部。
腔体1为一长方体空腔结构，腔体1的一侧板和底板上分别设置有短臂锥齿轮6及长臂锥齿轮5的圆形安装孔，圆形孔内分别设置有短臂锥齿轮安装轴承2及长臂锥齿轮安装轴承9，短臂锥齿轮安装轴承2内圈与短臂锥齿轮6的臂紧固配合安装，长臂锥齿轮安装轴承9内圈与长臂锥齿轮5臂的上段紧固配合安装；在侧板上轴承2和底板上轴承9的安装处，相应地还设置有侧轴承挡盖3、底轴承挡盖10，轴承挡盖3、10通过螺钉与腔体1连接，其中在侧轴承挡盖3上设置有多个沉头孔，通过沉头螺钉与电机4连接；在腔体1的另一对相对的侧板上顶部，还设置有进气管通孔、出气口，进气管通孔为一U形豁口，设置在与串口孔座同侧的腔体1侧板上，与之相对的腔体1侧板上设置有出气口，出气口为长方形，尺寸与气帘装置7喷射腔体22内类似拉伐尔喷管结构腔25的出气口大小一致；电机4的信号线、电源线被引入腔体1，与设置在腔体侧板上的串口孔座内的串口13相连。
长臂锥齿轮5与短臂锥齿轮6组成的齿轮副设置在腔体1内、气帘装置7下方，短臂锥齿轮6的臂较短，中间设置有一方形通孔，短臂锥齿轮6通过腔体1侧板与腔体1外部的电机4配合；电机4为普通直流电机或步进电机，其旋转轴输出断为长方体形状；长臂锥齿轮5的臂较长，其上段外表面为光洁表面，下段表面设置有螺纹，长臂锥齿轮5通过腔体1底板与本实用新型装置下体角度位移调节机构的水平支架11的一端固定连接。
角度位移调节机构由水平支架11、竖直支架12和紧固螺钉15组成，其中水平支架11一端为内带螺纹的环状结构，为防止水平支架11在长臂下段松动，环状结构上还设置有顶丝孔，内装顶丝，平支架11的另一端为一矩形长孔；竖直支架12为一长方形条状结构，支架上开有矩形长孔，通过紧固螺钉15即与水平支架11共同构成角度位移调节机构。
参照附图5，送粉喷嘴14为一种双层同轴送粉喷嘴，送粉喷嘴设置有同轴的内外两层管道，内层送粉管30为焊接填充用粉末材料输送管道，外层送气管34为保护气输送管道。送粉喷嘴14通过固定夹36用螺钉固定在角度位移调节机构的竖直支架12上。
腔盖8的中心位置即从上层板经过圆柱联接体到下层板的中心、长臂锥齿轮5的中间各设有一作为激光光束通道的通孔，与气帘装置7辅助挡板23上的通光孔保持同轴。
权利要求1.一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于由依次连接的上体、中间体和下体三部分组成；上体主要包括有腔体(1)、腔盖(8)和气帘装置(7)，中间体由相互啮合的长臂锥齿轮(5)与短臂锥齿轮(6)组成的齿轮副及电机(4)组成，下体由角度位移调节机构及送粉喷嘴(14)组成，角度位移调节机构主要由水平支架(11)、竖直支架(12)组成；其中，所述的腔盖(8)设置在本的装置最顶部，为一双层、卷筒式结构，上下两层为板状，中间为圆柱联接体，上层板与激光器导光臂连接，下层板与腔体(1)及设置在腔体(1)内的气帘装置(7)连接；长臂锥齿轮(5)与短臂锥齿轮(6)组成的齿轮副设置在腔体(1)内、气帘装置(7)下方，短臂锥齿轮(6)通过腔体(1)侧板与腔体(1)外部的电机(4)配合，长臂锥齿轮(5)通过腔体(1)底板与水平支架(11)的一端固定连接，水平支架(11)的另一端与竖直支架(12)连接共同构成一角度位移调节机构，送粉喷嘴(14)固定在竖直支架(12)上，改变水平支架(11)与竖直支架(12)的夹角和相对位置就能够调节送粉喷嘴内粉末的输送位置；腔盖(8)的中心位置即从上层板经过圆柱联接体到下层板的中心、长臂锥齿轮(5)的中间各设有一作为激光光束通道的通孔，与气帘装置(7)的通光孔保持同轴。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于所述的气帘装置(7)主要由喷射腔体(22)、左安装臂(20)、右安装臂(21)、带通光孔的辅助挡板(23)构成；喷射腔体(22)被包夹在左安装臂(20)与右安装臂(21)之间，左、右安装臂的右端下部连接有辅助挡板(23)，喷射腔体(22)的内腔由拉伐尔喷管结构腔(25)及与之连接的进气管螺纹孔(26)组成；在气帘装置的左、右安装臂分别对称设置有两个螺纹安装孔(24)，通过螺钉可以将气帘装置(7)固定在腔盖(8)的下层板底部，并保证气帘装置(7)的通光孔与腔盖(8)圆形通孔同轴。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于所述的腔体(1)为长方体空腔结构，腔体(1)的一侧板上设置有短臂锥齿轮(6)安装用的圆形孔，腔体(1)底板设置有长臂锥齿轮(5)安装用的圆形孔；在腔体(1)的另一对相对的侧板上顶部，还设置有进气管通孔、出气口，进气管通孔和出气口位置及形状、尺寸与气帘装置(7)的安装位置及其喷射腔体内拉伐尔喷管结构腔的出气口形状、尺寸一致，保证气流出口通道顺畅。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于腔体(1)内还包括引入的电机(4)的信号线、电源线，腔体(1)侧板上设置有与信号线、电源线相连的串口(13)，可利用计算机对电机进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于短臂锥齿轮(6)中间还设置有一方形通孔；所述的电机(4)为普通直流电机或步进电机，其旋转输出轴为长方体形状，与短臂锥齿轮(6)内的长方形通孔紧固配合。
6.根据权利要求1或3所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于腔体(1)的侧板上安装有短臂锥齿轮安装轴承(2)，短臂锥齿轮安装轴承(2)内圈与短臂锥齿轮(6)的臂紧固配合安装；腔体(1)的底板上安装有长臂锥齿轮安装轴承(9)，长臂锥齿轮安装轴承(9)内圈与长臂锥齿轮(5)臂的上段紧固配合安装；在侧板上轴承(2)和底板上轴承(9)的安装处，相应地还设置有侧轴承挡盖(3)、底轴承挡盖(10)。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于所述的送粉喷嘴(14)，采用一种的双层同轴送粉喷嘴，送粉喷嘴设置有同轴的内外两层管道，内层送粉管利用载气输送焊接填充用粉末材料，外层送气管输送保护气，形成汇聚粉末束流；送粉喷嘴(14)通过固定夹用螺钉固定在角度位移调节机构的竖直支架上，调整角度位移调节机构即能够调节送粉喷嘴内粉末的输送位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，其特征在于长臂锥齿轮(5)的长臂下段表面设有螺纹，水平支架(11)与长臂锥齿轮(5)连接的一端为内带螺纹的环状结构，水平支架(11)的另一端为一矩形长孔；竖直支架(12)为一长方形条状结构，支架上开有矩形长孔，通过紧固螺钉(15)即与水平支架(11)共同构成角度位移调节机构。
专利摘要本实用新型涉及一种基于激光粉末填充焊接的旁轴送粉装置，属于激光材料加工技术领域。由相互连接的上体、中间体和下体三部分组成；其中上体主要包括有腔体(1)、腔盖(8)和气帘装置(7)，中间体由长臂锥齿轮(5)与短臂锥齿轮(6)组成的齿轮副及电机(4)组成，其下体主要由角度位移调节机构及安装在角度位移调节机构上的送粉喷嘴(14)构成。腔盖的上层板与激光器导光臂连接，下层板与腔体及设置在腔体内的气帘装置连接，腔盖的中心位置、长臂锥齿轮的中间各设有一作为激光光束通道的通孔，气帘装置的通光孔保持同轴。利用本实用新型提供的送粉装置可以有效、方便地对加工平面上为圆形、圆弧形轨迹进行旁轴送粉激光粉末填充焊接。
文档编号B23K26/42GK2853264SQ20052014184
公开日2007年1月3日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者陈继民, 阳建华, 胡治华 申请人:北京工业大学