CN106607410A - 一种清洗装置以及进行复合齿轮焊前激光清洗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种清洗装置以及进行复合齿轮焊前激光清洗的方法，清洗装置包括：第一夹具、第二夹具、激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴；第一夹具用于将复合齿轮中第一齿轮固定在第一自动旋转轴上，第一齿轮与第一夹具之间以及第一夹具与第一自动旋转轴之间均没有相对运动；第二夹具用于将复合齿轮中第二齿轮固定在第二自动旋转轴上，第二齿轮与第二夹具之间以及第二夹具与第二自动旋转轴之间均没有相对运动；激光振镜头用于产生清洗齿轮待清洗表面污物的激光；吸尘装置用于吸收激光清洗时所产生的污染物颗粒。通过使其上述自动旋转轴带动夹具及其齿轮旋转，随后按照设定的激光光束平均功率和扫描速度对待清洗表面进行清洗。

Description

一种清洗装置以及进行复合齿轮焊前激光清洗的方法

技术领域

本发明属于复合齿轮技术领域，更具体地，涉及一种清洗装置以及进行复合齿轮焊前激光清洗的方法。

背景技术

在许多汽车齿轮的设计制造中，为了减小齿轮冷加工以及热加工的难度，提高生产效率，经常将齿轮分为各自独立的两个部分分别进行加工，然后将两部分复合在一起，形成一个整体，构成复合齿轮。采用激光焊接技术进行齿轮总成技术的连接，可提高齿轮的产品精度，简化产品结构及制造工艺，能方便地满足产品开发与试制中零部件结构的不断调整及样件制造的需要，不断提高产品制造与开发水平。齿轮在进行激光焊接前，齿轮焊接的地方周围有油污、锈斑、氧化物以及其他污物等需要去除，齿轮焊接前进行清洗，能够有效地减少气孔，更利于焊接，使得焊缝质量高、平滑且无气孔，获得稳定性和质量最佳的可见焊缝。

通常齿轮用的焊前清洗的方法一般是超声波清洗和化学清洗。

化学清洗可以除去多数物理清洗不易除去的污染物，可以有效去除齿轮上的油污、切削屑、粉尘等杂质，使其洁净度达到要求，并且成本相对比较低。但是其工作量较大，并且不同的污染物要选用不同的清洁剂，清洗后产生的废液也会污染环境，还有可能导致齿轮表面的二次污染，齿轮表面也有一定的损伤。

超声波清洗是一种物理清洗方法，主要是通过超声波产生的高频振动将污染物振落以达到清洗的目的。超声波清洗装置设计先进，性能稳定可靠，使得清洗工艺得以简化，降低了清洗的工作强度。除此之外，超声波清洗能很好的解决复杂零件孔、边、角等其他设备不易到达的位置的清洗难题，但是，超声波清洗噪音较大，并且长时间使用超声波工具进行清洗也会对人体健康造成一定的损害，其次，超声波清洗时会根据污染物不同选择不同的清洗液，常用的超声波清洗液主要有石油溶剂清洗液、化学清洗液、三氯乙烯和水等，这些清洗液不仅污染环境，还有可能导致齿轮二次污染。

总之，上述清洗齿轮的方法都能较好的清除了齿轮表面的污染物，但是不同程度存在各自的问题，限制了其在齿轮焊前清洗的应用及限制。因此，不管是从清洗效率、人体健康和环境保护等方面，急需开发新的齿轮焊前清洗的方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合齿轮焊前激光清洗的方法，旨在解决现有技术中化学清洗会污染环境，还有可能导致齿轮表面的二次污染，齿轮表面也有一定的损伤的问题。

本发明提供了一种用于复合齿轮焊前激光清洗的清洗装置，包括：第一夹具、第二夹具、激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴；所述第一夹具用于将复合齿轮中第一齿轮固定在所述第一自动旋转轴上，所述第一齿轮与所述第一夹具之间以及所述第一夹具与所述第一自动旋转轴之间均没有相对运动；所述第二夹具用于将复合齿轮中第二齿轮固定在所述第二自动旋转轴上，所述第二齿轮与所述第二夹具之间以及所述第二夹具与所述第二自动旋转轴之间均没有相对运动；所述激光振镜头用于产生清洗齿轮待清洗表面污物的激光；所述吸尘装置用于吸收激光清洗时所产生的污染物颗粒。

更进一步地，所述激光振镜头距离齿轮的距离和位置、激光束的宽度以及激光束与待清洗表面的角度可以调节。

更进一步地，激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲光纤激光器、CO₂激光器、YAG激光器或半导体激光器。

更进一步地，激光器出射的激光脉冲的宽度为10ns～200ns；频率为10KHZ～650KHZ；脉冲能量为0.8mJ～100mJ。

更进一步地，激光器的光斑直径为0.05mm～3mm。激光振镜头发出的线光斑的长度为0.08mm～80mm，激光振镜头为二维平面振镜头，扫描速度为3000mm/S～30000mm/S。所述激光束的平均功率为10W～1500W，所述自动旋转轴转速为3m/min～25m/min。

本发明还提供了一种基于上述的清洗装置进行复合齿轮焊前激光清洗的方法，复合齿轮包括：第一齿轮和第二齿轮，且第一齿轮与第二齿轮轴连接处的直径大小相同；所述方法包括下述步骤：

(1)通过将第一夹具固定在第一自动旋转轴上使所述第一夹具与所述第一自动旋转轴之间没有相对运动，通过将第二夹具固定在第二自动旋转轴上使所述第二夹具与所述第二自动旋转轴之间没有相对运动；

并通过将所述第一齿轮固定在所述第一夹具上使得第一齿轮与第一夹具之间没有相对运动；通过将所述第二齿轮固定在所述第二夹具上使得所述第二齿轮与所述第二夹具之间没有相对运动；

(2)通过调整激光振镜头的位置使激光光束的光轴与所述复合齿轮的待清洗表面相交，且在交点处形成夹角α，且使得吸尘装置的吸嘴指向所述交点，并使得所述吸嘴与所述待清洗表面成90°的夹角；

(3)打开激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的电源，并设置好激光器的参数以及第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的转速；

(4)通过打开第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的开关使其自动旋转并分别带动第一齿轮和第二齿轮开始旋转，通过打开激光振镜头开关使得激光器出光并照射到待清洗表面，并按照设定的激光光束平均功率和扫描速度对待清洗表面进行清洗，使得待清洗表面的污染物吸收激光能量后产生振动、熔化、燃烧或气化，最终使污染物脱离材料表面；

(5)当清洗完后，以波长为200nm～2500nm的光源照射到清洗后的表面，并采集表面对此波长的反射率，当所有的反射率接近于基材对此光源反射率时，清洗完毕，否则返回至步骤(4)。

更进一步地，夹角α为：30°≤α≤45°。

更进一步地，激光器产生的激光为纳秒激光。

更进一步地，在步骤(5)之后，当清洗完毕后，将第一齿轮和第二齿轮分别从第一夹具和第二夹具上卸下。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术优点：

(1)本发明采用的是短脉冲(纳秒)激光，可以使齿轮待清洗表面的污染物吸收激光能量后，产生振动、熔化、燃烧，甚至气化等一系列复杂的物理化学过程，最终使污染物脱离材料表面，即使激光作用在清洗后的表面，绝大部分都是被反射掉，对齿轮不会造成损伤。

(2)本发明为非接触式的清洗方法，无需清洗液，配备的吸尘系统将气化的污染物以及剥离的污染物颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。

(3)本发明在进行激光清洗时，自动旋转轴带动齿轮旋转，激光振镜头调整好位置后(使激光束恰好与齿轮待清洗表面相交)固定，整个清洗过程无需人工操作，简单方便，自动化程度高。

(4)本发明中激光振镜头是线光斑，大大的提高了清洗效率。

(5)通过对比基材与清洗后表面对特定波长光源的反射率，可以有效判断清洗的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复合齿轮焊前激光清洗步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的第一齿轮与第一夹具固定在自动旋转轴示意图；其中(a)为第一夹具固定在第一自动旋转轴上；(b)为第一齿轮固定在第一夹具上；

图3是本发明实施例提供的第二齿轮与第二夹具固定在自动旋转轴示意图；其中(a)为第二夹具固定在第二自动旋转轴上；(b)为第二齿轮固定在第二夹具；

图4是本发明实施例提供的复合齿轮中第一齿轮的激光清洗示意图；

图5是本发明实施例提供的复合齿轮中第二齿轮的激光清洗示意图；

图6是本发明实施例提供的复合齿轮待清洗表面污染物剥离示意图；其中(a)为高脉冲能量的激光作用在待清洗的工件表面；(b)为待清洗工件表面的污染物吸收激光后气化蒸发、振动脱落；(c)为污染物清洗干净后，90％的激光被基材反射掉，基材无损伤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种复合齿轮焊前激光清洗的方法，是一种高效、高质、环保、稳定的齿轮焊前激光清洗工艺，解决目前超声波清洗和化学清洗存在的工序多、污染环境、稳定性差、表面划痕损伤等问题。

本发明提供了一种清洗装置，包括：第一夹具、第二夹具、激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴。第一夹具是将第一齿轮固定在第一自动旋转轴的工具，第一夹具与第一齿轮和第一自动旋转轴之间没有相对运动，也就是第一自动旋转轴的转速即为第一齿轮清洗时旋转的转速；第二夹具是将第二齿轮固定在第二自动旋转轴的工具，第二夹具与第二齿轮和第二自动旋转轴之间没有相对运动，也就是第二自动旋转轴的转速即为第二齿轮清洗时旋转的转速；激光振镜头发出激光清洗齿轮待清洗表面的污物，激光振镜头距离齿轮的距离和位置、激光束的宽度以及激光束与待清洗表面的角度可以调节，吸尘装置主要吸收激光清洗时所产生的污染物颗粒。

在本发明实施例中，基于该清洗装置进行清洗的操作过程如下：

(1)固定位置：设置齿轮和激光振镜头的位置，通过夹具将齿轮固定在一个自动旋转轴上，通过调整振镜头的位置，使激光光束的光轴与所述齿轮的待清洗表面相交，并且在交点处形成夹角α，30°≤α≤45°；设置吸尘装置的吸嘴指向所述交点，并使得所述吸嘴与所述待清洗表面成90°的夹角β。

(2)设置功率：设定所述激光束的平均功率和清洗速度。

(3)设置自动旋转轴转速：根据设定的激光束的平均功率和清洗速度，设置自动旋转轴转速。

(4)进行清洗：使其上述自动旋转轴带动夹具及其齿轮旋转，随后按照设定的激光光束平均功率和扫描速度对待清洗表面进行清洗，如图1所示。

(5)清洗效果检测：以特定波长的光源照射到清洗后的表面，采集表面对此波长的反射率，形成有关反射率的一个三维图像，据反射率的变化来判断清洗的效果，当所有的反射率接近于基材对此光源反射率时，也就是当所有点的清洗值大于90％时即为清洗干净(令任意一个点的反射率除以基材对此光源的反射率所获得的数值，称为清洗值)，否则继续清洗直至清洗值大于90％即可。

由上可知，本发明实例中，采用的是短脉冲(纳秒)激光，可以使齿轮待清洗表面的污染物吸收激光能量后，产生振动、熔化、燃烧，甚至气化等一系列复杂的物理化学过程，最终使污染物脱离材料表面，即使激光作用在清洗后的表面，绝大部分都是被反射掉，对齿轮不会造成损伤。该方法为非接触式的清洗方法，无需清洗液，配备的吸尘系统将气化的污染物以及剥离的污染物颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。该方法在进行激光清洗时，自动旋转轴带动齿轮旋转，激光振镜头调整好位置后(使激光束恰好与齿轮待清洗表面相交)固定，整个清洗过程无需人工操作，简单方便，自动化程度高。

因此，本发明是一种高效、高质、环保、稳定的齿轮焊前激光清洗工艺，解决了超声波清洗和化学清洗存在的工序多、污染环境、稳定性差、表面划痕损伤等问题。

本发明实施实例中，激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲光纤激光器、CO₂激光器、YAG激光器、半导体激光器等；激光脉冲宽度为10ns～200ns；频率为10KHZ～650KHZ；脉冲能量为0.8mJ～100mJ。

本发明实施实例中，激光器的光斑直径为0.05mm～3mm。激光振镜头发出的线光斑的长度为0.08mm～80mm，激光振镜头为二维平面振镜头，扫描速度为3000mm/S～30000mm/S。所述激光束的平均功率为10W～1500W，所述自动旋转轴转速为3m/min～25m/min。

本发明实施实例中，待清洗表面包括复合齿轮中焊缝周围距离焊缝中心15mm内的区域，吸尘系统的功率为0.1KW～0.5KW。

本发明实施实例中，上述复合齿轮中第一齿轮的钢材主要为Mn-Cr系、Cr系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Mo系、Mn-Cr系、Mn-Cr-B系、Mn-Cr-Ti系、Cr-Ni系等；上述复合齿轮中第二齿轮的钢材主要为Mn-Cr系、Cr系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Mo系、Mn-Cr系、Mn-Cr-B系、Mn-Cr-Ti系、Cr-Ni系等。

本发明实施实例中，上述污染物主要为锈蚀、油污、油漆、切削屑、粉尘以及其他污染物等。

本发明实施实例中，如果污染物的厚度小于15μm，清洗一遍即可；如果污染物的厚度超过15μm，清洗多遍，直至清洗干净。

本发明实例中，复合齿轮清洗后，以波长为200nm～2500nm的光源照射到清洗后的表面，采集表面对此波长的反射率，根据反射率的变化来判断清洗的效果，当所有的反射率接近于基材对此光源反射率时，也就是当所有点的清洗值大于90％时即为清洗干净(令任意一个点的反射率除以基材对此光源的反射率所获得的数值，称为清洗值)，否则继续清洗直至清洗值大于90％即可。

如图2、图3所示，本发明实例中，上述夹具与自动旋转轴通过轴连接将夹具固定在自动旋转轴上；上述复合齿轮中第一齿轮与第二齿轮中的轴连接处直径大小相同；上述复合齿轮轴连接处的直径与其夹具的轴连接处直径大小相同，通过轴连接将齿轮固定在夹具上，它们之间没有相对运动，即自动旋转轴的转速即为齿轮清洗时旋转的转速。

如图4、图5所示，本发明实例中，激光束的光轴与吸嘴的中心线位于同一平面内，而它们与待清洗表面之间的夹角的设计使得互不干涉并且提升清洗效率。

本发明中，复合齿轮即为通过激光焊接将第一齿轮和第二齿轮连接在一起形成的新的齿轮，第一齿轮与第二齿轮轴连接处直径大小相同；第一夹具是将第一齿轮固定在第一自动旋转轴上的工具，第一夹具与第一齿轮之间没有相对运动，如图2所示；第二夹具是将第二齿轮固定在第二自动旋转轴上的工具，第二夹具与第二齿轮之间没有相对运动，如图3所示。针对复合齿轮焊前激光清洗的方法，具体包括如下步骤：

步骤一：首先将第一夹具(第二夹具)固定在第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)上，使第一夹具(第二夹具)与第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)之间没有相对运动，然后将复合齿轮中第一齿轮(第二齿轮)固定在第一夹具(第二夹具)上，第一齿轮与第一夹具之间没有相对运动，如图2(图3)所示。

步骤二：调整振镜头的位置，使激光光束的光轴与所述齿轮的待清洗表面相交，并且在交点处形成夹角α，30°≤α≤45°；并吸尘装置的吸嘴指向所述交点，并使得所述吸嘴与所述待清洗表面成90°的夹角β，如图4(图5)所示。

步骤三：打开激光振镜头、吸尘装置和第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)的电源，设置好激光器的参数以及第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)的转速。

步骤四：打开第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)的开关使其自动旋转轴带动第一齿轮(第二齿轮)开始旋转打开激光振镜头开关，使其出光，第一齿轮(第二齿轮)开始清洗。

步骤五：清洗后先关闭激光振镜头开关，然后再关闭第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)的开关，等第一自动旋转轴(第二自动旋转轴)停止转动，以波长为200nm～2500nm的光源照射到清洗后的表面，采集表面对此波长的反射率，当所有的反射率接近于基材对此光源反射率时，也就是当所有点的清洗值大于90％时即为清洗干净(令任意一个点的反射率除以基材对此光源的反射率所获得的数值，称为清洗值)，否则继续进行步骤四以及后续步骤，直至清洗值大于90％即可。

步骤六：当第一齿轮(第二齿轮)清洗干净，将第一齿轮(第二齿轮)从第一夹具(第二夹具)卸下，清洗完毕。

图6为复合齿轮待清洗表面污染物剥离示意图，如图所示，齿轮待清洗表面的污染物吸收激光能量后温度急剧升高，进而产生膨松、气化、热冲击与热振动、声波震碎等一系列变化，最终使得污染物脱离清洗表面。由于金属材料表面的污染物和金属基体对激光的吸收率是不同的，并且污染物对激光的吸收率远大于金属基体对激光的吸收。由于这种吸收的差异，污染物吸收了激光大部分的能量后迅速气化，金属基体基本不吸收激光能量，因而基材不会造成损伤，从而达到清洗的效果。

由以上可知：本发明具有以下优势：

(1)本发明实例中，采用的是短脉冲(纳秒)激光，可以使齿轮待清洗表面的污染物吸收激光能量后，产生振动、熔化、燃烧，甚至气化等一系列复杂的物理化学过程，最终使污染物脱离材料表面，即使激光作用在清洗后的表面，绝大部分都是被反射掉，对齿轮不会造成损伤。

(2)本发明实施实例为非接触式的清洗方法，无需清洗液，配备的吸尘系统将气化的污染物以及剥离的污染物颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。

(3)本发明实施实例在进行激光清洗时，自动旋转轴带动齿轮旋转，激光振镜头调整好位置后(使激光束恰好与齿轮待清洗表面相交)固定，整个清洗过程无需人工操作，简单方便，自动化程度高。

(4)本发明实施实例中激光振镜头是线光斑，大大的提高了清洗效率。通过对比基材与清洗后表面对特定波长光源的反射率，可以有效判断清洗的效果。

本发明使用激光作用在清洗污染物，激光照射到基材上，绝大部分都是被反射掉，对齿轮不会造成损伤。用激光进行清洗为非接触式的清洗方法，无需清洗液，配备的吸尘系统将气化的污染物以及剥离的污染物颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。进行激光清洗时，自动旋转轴带动齿轮旋转，激光振镜头调整好位置后(使激光束恰好与齿轮待清洗表面相交)固定，整个清洗过程无需人工操作，简单方便，自动化程度高。激光振镜头是线光斑，大大的提高了清洗效率。通过对比基材与清洗后表面对特定波长光源的反射率，可以有效判断清洗的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于复合齿轮焊前激光清洗的清洗装置，其特征在于，包括：第一夹具、第二夹具、激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴；

所述第一夹具用于将复合齿轮中第一齿轮固定在所述第一自动旋转轴上，所述第一齿轮与所述第一夹具之间以及所述第一夹具与所述第一自动旋转轴之间均没有相对运动；所述第二夹具用于将复合齿轮中第二齿轮固定在所述第二自动旋转轴上，所述第二齿轮与所述第二夹具之间以及所述第二夹具与所述第二自动旋转轴之间均没有相对运动；所述激光振镜头用于产生清洗齿轮待清洗表面污物的激光；所述吸尘装置用于吸收激光清洗时所产生的污染物颗粒。

2.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述激光振镜头距离齿轮的距离和位置、激光束的宽度以及激光束与待清洗表面的角度可以调节。

3.如权利要求1或2所述的清洗装置，其特征在于，所述激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲光纤激光器、CO₂激光器、YAG激光器或半导体激光器。

4.如权利要求3所述的清洗装置，其特征在于，激光器出射的激光脉冲的宽度为10ns～200ns；频率为10KHZ～650KHZ；脉冲能量为0.8mJ～100mJ。

5.如权利要求3所述的清洗装置，其特征在于，激光器的光斑直径为0.05mm～3mm。激光振镜头发出的线光斑的长度为0.08mm～80mm，激光振镜头为二维平面振镜头，扫描速度为3000mm/S～30000mm/S。所述激光束的平均功率为10W～1500W，所述自动旋转轴转速为3m/min～25m/min。

6.一种基于权利要求1所述的清洗装置进行复合齿轮焊前激光清洗的方法，复合齿轮包括：第一齿轮和第二齿轮，且第一齿轮与第二齿轮轴连接处的直径大小相同；其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)通过将第一夹具固定在第一自动旋转轴上使所述第一夹具与所述第一自动旋转轴之间没有相对运动，通过将第二夹具固定在第二自动旋转轴上使所述第二夹具与所述第二自动旋转轴之间没有相对运动；

并通过将所述第一齿轮固定在所述第一夹具上使得第一齿轮与第一夹具之间没有相对运动；通过将所述第二齿轮固定在所述第二夹具上使得所述第二齿轮与所述第二夹具之间没有相对运动；

(2)通过调整激光振镜头的位置使激光光束的光轴与所述复合齿轮的待清洗表面相交，且在交点处形成夹角α，且使得吸尘装置的吸嘴指向所述交点，并使得所述吸嘴与所述待清洗表面成90°的夹角；

(3)打开激光振镜头、吸尘装置、第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的电源，并设置好激光器的参数以及第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的转速；

(4)通过打开第一自动旋转轴和第二自动旋转轴的开关使其自动旋转并分别带动第一齿轮和第二齿轮开始旋转，通过打开激光振镜头开关使得激光器出光并照射到待清洗表面，并按照设定的激光光束平均功率和扫描速度对待清洗表面进行清洗，使得待清洗表面的污染物吸收激光能量后产生振动、熔化、燃烧或气化，最终使污染物脱离材料表面；

(5)当清洗完后，以波长为200nm～2500nm的光源照射到清洗后的表面，并采集表面对此波长的反射率，当所有的反射率接近于基材对此光源反射率时，清洗完毕，否则返回至步骤(4)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，夹角α为：30°≤α≤45°。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光器产生的激光为纳秒激光。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(5)之后，当清洗完毕后，将第一齿轮和第二齿轮分别从第一夹具和第二夹具上卸下。