CN1754647A - 便携式隔室激光成形 - Google Patents

Abstract

一种激光成形设备(10)包括运动系统(14)。安装固定件(22)固定在运动系统上以便支承工件(12)。隔室(24)固定在固定件上以便包围工件。气体供应装置(36)与隔室(24)流体连通以便在压力下在其中引入惰性气体以便填充隔室。激光器(26)与隔室(24)对准以便在便携式隔室(24)内将激光束(28)投射到工件(12)。

Description

便携式隔室激光成形

技术领域

本发明总体涉及一种制造方法，并且尤其涉及一种激光成形。

背景技术

对于不同的制造方法来说连续开发出来工业激光器。激光器当前用来在包括金属和高强度合金的多种材料中进行焊接、切割和钻削操作，该材料在现代气体涡轮发动机中所遇到的高温下具有增强的强度。

激光成形是用于工业应用的另一正在开发的方法，在该应用中，激光束用来准确加热并变形金属衬底，以便改变其形状。通过激光局部加热通常不超过母材的熔化温度，但是必须足够加热以便实现局部热变形。在这种升高的温度下，母材可以经受其微结构的变化，以及表面氧化和表面变色或者相关的斑痕。

但是可以通过准确控制激光扫描期间材料加热并且在真空中进行激光加工来减小或消除这些不利的影响。真空加工相应地需要适当大的腔室来容纳工件和具有相关复杂性、成本的激光设备，并且抽出环境空气增加了所需的加工时间。

除了抽空真空腔室之外，惰性气体可提供其中以便在例如焊接或激光成形的热产生过程中保护工件材料。但是，腔室必须设置尺寸来不仅包括工件，而且包括相关的焊接或激光加工设备。

作为选择，惰性气体可以通过气体喷嘴提供以便通惰性气体局部冲刷工件位置，并且因此在工件上适当供应和保持惰性气体并同时保持在升高温度下。

因此，希望提供一种改进的激光成形设备，其中在整个激光扫描过程中工件通过惰性气体局部保护。

发明内容

按照本发明一个方面，激光成形系统包括运动系统。安装固定件固定在运动系统上以便支承工件。隔室固定在固定件上以便围绕工件。气体供应装置与隔室流体连通以便在压力下在其中引入惰性气体以便填充隔室。激光与隔室对准以便将激光束投射到工件上，从而在隔室内进行激光成形。

按照本发明的另一方面，腔室构造成围绕工件。腔室包括构造成密封腔室的窗口，窗口对于通过其中投射的激光束来说是透明的。腔室还包括构造成接收惰性气体的入口和构造成排出惰性气体的出口。

附图说明

按照优选和示例性的实施例，结合附图，在下面详细描述中，更加特别地说明本发明及其其它目的和优点，附图中：

图1是按照示例性实施例的激光成形设备的示意图；

图2是在便携式隔室内支承工件的安装固定件的放大立视图，隔室连接到图1所示机器人的端部操纵装置上；

图3是安装在图2所示固定件上的隔室的分解视图。

部件列表

系统10、零件、工件12、多轴机器人14、可运动臂16、端部操纵装置18、控制器20、安装固定件22、隔室24、工业激光器26、激光束28、石英窗口30、入口32、惰性气体34、罐36、软管38、阀40、出口42、板44、组件46、可松开夹紧件48、底板50、四个侧壁52、天花板54。

具体实施方式

图1示意表示的是激光成形设备或系统10，该设备特别构造成激光成形工件或零件12。工件可以具有适当构造和材料成分，例如用于现代气体涡轮发动机的示例性的压缩机翼面。压缩机翼面通常由高强度超合金金属制成，例如气体涡轮发动机的热环境中在升高温度下具有增强强度的镍基超合金。

设备10包括运动系统，其实例包括数字控制(NC)系统、机动工作台和机器人系统。在图1所示的实施例中，运动系统是多轴机器人14，其包括从其近端或底端延伸的铰接或可运动臂16，端部操纵装置18位于其相对的远端上。机器人的底端适当安装在基座或地面上，并且端部操纵装置18可以是转动主轴或安装板的形式。

机器人还包括控制器20形式的装置，该装置可操作连接到机器人上，并适当构造成在多个自由度上准确运动机器人臂16。

机器人14本身可具有许多传统构造和操作，例如从StaubliCorporation，of Duncan，South Carolina购买的Model NumberStaubli RX90。图1所示的机器人臂16包括六个转动接合部，以便使得臂的铰接部分在多自由度系统中进行六个单独转动。

控制器20是可以在适当软件中构造以便在端部操作装置18的空间内准确控制三维运动的典型数字编程计算机的形式。以此方式，通过该计算机控制的机器人具有准确运动端部操纵装置18以便进行需要连接其上的部件准确运动的不同制造加工的常用技术作用。

例如，图2示意表示机器人臂的多种转动接合部可以用来获得端部操纵装置18在三个典型正交轴X、Y、Z上的平移以及端部操纵装置18围绕其纵向轴线的转动A。

参考图1和2，设备10还包括通过例如螺钉或螺栓紧固件适当固定或连接到操纵装置18上的安装固定件22。以此方式，机器人可用来准确地运动连接到其远端上的安装固定件22，其中安装固定件22继而支承其中的所需工件或零件12。

相应地，便携式腔室或隔室24适当固定在安装固定件22上以便与其同时运动，其中隔室在安装固定件上围绕工件12的相关部分。隔室提供围绕工件的局部保护封闭件或箱体，以便在任何所需激光成形加工中保护工件。

例如，工业激光器26可本身独立于机器人14适当固定安装在支承件或基座上，并且与支承在安装固定件22上的隔室24光学对准以便将工件上投射激光束28，从而在封闭的隔室24内以任何适当的加工进行激光成形。

激光器可具有带有适当功率的任何传统的构造，以便发射激光束28，从而局部加热所需工件到所需升高的温度。在超合金压缩机翼面工件12的情况下，激光束有效地用来在金属熔化温度以下局部加热其金属，但该温度足以高以便造成其局部热变形，从而进行所需激光成形加工。

特定激光成形加工不是本发明的主题，但是与其能力相关，从而将工件加热到在工件上出现不需要的氧化或其它不利加热作用的升高温度下，通过在适当惰性气体中保护工件来消除这种不利影响。

更特别是，图1和2所示的示例性隔室24最好包括适当的窗口30，该窗口最好密封闭合窗口处的隔室，其中窗口对于激光束28来说是透明的，使其从中投射，以便到达隔室内的工件。

隔室24还包括示例性形式的两个软管接头中的一个或多个入口32，入口在压力下从适当气体供应装置接收惰性气体34，气体供应装置36通过适当的管子或软管38和相应的软管接头以及一个或多个阀40连接到隔室入口32，以便控制气体流速。以此方式，适当惰性气体可在压力下引导，以便填充连接到端部操纵装置上的便携式隔室24，以便在激光成形过程中保护封闭的工件12。

激光器26在示例性实施例中可以是连续波(CW)钕(Nd)：钇-铝-石榴石(YAG)激光器，其具有1060nm的波长，额定功率是大约2kw。相应地，窗口30可以由大约0.5mm厚的薄透明石英窗口玻璃形成，该材料具有低的热膨胀系数并可以经受由于其中传递的激光束中的热能造成的高热应力。如果需要，石英窗口可以涂覆适当抗反射涂层，以便显著减小石英玻璃本身的激光加热，并且进一步减小使用期间窗口不希望的裂纹的可能性。

包括窗口30的隔室24提供大致闭合的腔室，其中引导惰性气体以便在激光成形加工中保护工件。可以使用任何适当的惰性气体，其中对于考虑到的高温结构成形加工来实现工件的局部热变形来说，氩是优选的。也可以使用其它惰性气体，例如氮，尽管氮在高温下会在金属工件内形成不希望的氮化物。

图2更加详细地表示限定连接到软管38上以便在隔室24内引导惰性气体34的相应入口的隔室24的相对侧上的两个接头32。隔室还包括适当出口42，该出口用于在操纵期间从隔室排出或排放惰性气体34，以及激光成形加工开始之前排放从隔室中清除的隔室内含有的初始空气。出口42可以具有任何适当的形式，以便在受控的流速下从隔室排出惰性气体，以便确保用惰性气体34充分覆盖工件，从而对其保护。

在图2和3中更加详细地描述在示例性实施例的安装固定件22。固定件包括具有与端部操纵装置18互补的构造的底部适配器或板44，以便通过延伸通过其中的紧固件或螺钉固定安装或连接。支架或组件46通过与其整体形成或紧固其上而固定在适配器上，并且从中向外垂直延伸。支架46构造成用来接收特定形式的工件12，并还构造成围绕工件固定支承整个隔室24。

可松开的夹紧件48连接到支架上以便将工件12固定在支架上，从而在端部操纵装置在三维空间(3-D)内运动时与其一起运动。夹紧件48可具有任何适当的形式，例如所示的刚性杆，刚性杆安装在支架侧部上，其中连接紧固件将杆夹紧在工件12的增大底部或燕尾端部上。如图3所示，支架46包括其中工件底部的一部分在一侧座置其中的缺口，底座的相对侧通过杆夹紧件28夹紧以便防止其在支架上运动。

以此方式，零件12的底部可以安装在支架46的远端上，工件的其它部分或翼面部分在隔室24内延伸。因此，工件12至少部分地支承在隔室24内，以便进行其翼面部分的激光成形，工件的其它部分或底端安装在支架内，并不进行激光成形。

支架46因此提供以便于通过机器人的端部操纵装置携带的紧凑构造来支承工件和隔室的方便部件。适配器44固定在支架46的远端上。夹紧件48纵向布置在支架的相对端之间，并便于通过使用者接近。

另外，大多数支架46保持暴露在小隔室24的外部，并使得例如气体供应装置软管的Y接头的不同接头方便地进行安装，以便通过隔室内的两个相对入口分配惰性气体。

图2所示的隔室24相对小并且尺寸紧凑，以便与特定工件12的尺寸紧密对应，从而定位窗口30，使得在操作期间入射激光束28大致完全横向接近工件。由于便携式隔室24固定连接到继而连接到机器人的端部操纵装置18上的安装固定件22上，隔室应该尽可能小，并且重量轻，从而减小其质量和惯性，使得机器人臂大致不受阻碍地运行，以便进行所需的扫描激光加工.

对于各自所需工件或激光成形加工来说，根据加工的所需产量，从小批量加工到大批量加工，便携式隔室24的特定形式可以进行常规设计。在图2和3所示的示例性构造中，隔室24包括平片状金属板的底板5以便接收从中向外延伸的工件12。

隔室还包括同样是平片状金属板形式的四个侧壁52，侧壁适当连接到公共底板50上。一个或多个侧壁52可包括适当连接其上的石英窗口30。在图3所示的示例性构造中，相对的前后侧壁52包括从底板向外延伸并容纳在大致U形的周边或框架内的类似大小的石英窗口30。

隔室还包括另一片状金属板形式的天花板54，天花板适当连接到侧壁52上，以便在所有侧部大致封闭隔室24，其中工件12在隔室24内延伸。

图3表示隔室24的分解视图，其中两个侧壁52以制造并适当焊接在一起的片状金属构造与底板50和天花板54形成整体，形成矩形箱体部件。两个前后侧壁是分开的金属部件，其中相应的前后石英窗口30通过机械固定件或通过例如硅胶的适当粘合剂适当连接。

限定相应入口32的两个接头经由其中相应的开口布置在隔室的横向侧壁内。出口42可以是形成在底板50内的矩形开口的形式，工件12的翼面端部在组装时可以插入通过开口。

图2表示延伸到隔室24内的工件12的翼面端部，隔室通过适当螺钉紧固件在其前后侧壁封闭。出口42适当大于延伸通过其中的翼面周边，以便提供围绕工件的间隙，从而在操作期间排出惰性气体34。

如果需要，可以通过延伸通过其不同壁的一个或多个其它形式的开口或接头来提供隔室的出口。隔室的可拆卸的前后侧壁是在组装之后固定其上时与隔室的其它板的安装凸缘形成有效接触密封的平片状金属。由于可以使得惰性气体34通过隔室板的不同接触接合部的泄漏数量受到控制，以便有利地在操作中从隔室适当排出惰性气体，因此不希望或需要附加的密封件。

便携式隔室24引入到机器人的端部操纵装置中使得通过隔室内含有的惰性气体进行局部保护来对工件12激光成形。如图3所示，工件12最初通过夹紧件48安装在固定件的支架46上。隔室24进行组装以便形成围绕工件远端的封闭腔室，其中隔室适当固定安装在支架的远端上。

安装固定件22、安装其上的工件12以及保护隔室24作为组件安装在端部操纵装置18上，如图1和2所示，以便在操作过程中通过机器人控制其运动。

在最初组装之后，气体供应装置36操作用来将惰性气体引导通过隔室24以便最初清除其中所含的任何空气，并且接着围绕封闭的工件形成惰性气体保护层，以便在激光成形过程中对其保护。

图1所示的机器人14的控制器20采用工件12相对于固定激光器26在3-D空间内的所需扫描路径进行适当编程。机器人臂16接着在3-D空间中准确运动，以便在工件12的暴露表面上的所需路径上扫描激光束28，以便在惰性气体层内进行激光成形。

由于工件12一直在惰性气体中进行冲刷，工件被保护，不受到由于其激光加热造成的工件高温影响，其中实现工件的局部热变形，继而实现所需的结构成形加工。例如，工件12的相对薄的翼面部分可以局部激光成形，以便在其中引入预定弯曲，该弯曲可以用来修正翼面的任何略微特定扭曲或倾斜。

隔室24内包括局部的惰性气体保护工件不受到高温的影响，以便防止工件表面不希望的氧化，或者其它受到热影响的质量问题，例如不希望的变色。

如图2所示设置在隔室24的相对侧部上的两个窗口30使得可以在激光成形加工中顺序进行工件翼面两侧的激光成形。

当完成激光成形加工时，夹紧件48可以松开，以便从组装的隔室24中取出单个工件，并且下一个连续的工件可重新安装在组装的隔室24中，夹紧件48重新连接，以便将工件牢固安装在隔室内。激光成形加工可以接着在该下一个工件上重复进行，其中对于任何所需批量的一系列工件来说，该加工根据需要进行重复。

因此对于所需工件12来说，便携式隔室24提供特别构造和设置尺寸的紧凑封闭件，工件和隔室两者通过安装固定件22共同安装在端部操纵装置18上。在机器人臂16在3-D空间内的所有运动过程中，紧凑的隔室和被保护的工件一起从公共端部操纵装置18整体运动。

在激光加工中，通过相应窗口30可以看到的激光束28通过工件12的暴露表面的路径相对短，但是在3-D空间中是准确的，并且气体软管38提供与例如气体供应装置36的固定结构的唯一的其它实体连接。软管38适当柔曲，对于安装在隔室内的工件来说，使得工件和隔室在所需扫描路径上不受限制地运动。

如上所述，隔室24的特定构造对于所需工件12的特定实施例来说可以变化，但是在所有情况下，应该保持相对紧凑和小巧，以便在操作期间紧密包围和保护和端部操纵装置一起运动的工件。用来保护工件的隔室的优选构造应该可以方便接近，以便在最少量的设置时间内从隔室中安装和拆卸单独工件，以便对于一系列工件来说，增加激光成形加工的生产效率。

小容积的隔室确保可以在每次激光成形加工开始时快速清除空气，在激光成形过程中对于惰性其它保护的需求最少。在激光成形过程中惰性气体的泄漏或排放可以通过计量惰性气体的入口流速或者计量惰性气体从隔室流出或泄漏速度来控制。

虽然这里描述了认为是本发明优选和示例性的实施例，本领域普通技术人员从这里的教导中将明白本发明可以进行其它的变型，并且希望在所附权利要求中确保所有的这些变型落入本发明的真实精神和范围内。

Claims (10)

1.一种激光成形系统(10)，包括：

运动系统(14)，包括具有端部操纵装置(18)的可运动臂(16)；安装固定件(22)，固定在所述操纵装置(18)上以便支承工件(12)；

隔室(24)，固定在所述固定件(22)上以便包围所述工件(12)；

气体供应装置(36)，与隔室(24)流体连通以便在压力下在其中引入惰性气体(34)以便填充所述隔室(24)；以及

激光器(26)，与所述隔室(24)对准以便将激光束(28)投射到所述工件上，从而在所述隔室(24)内进行激光成形。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运动系统包括机器人(14)，机器人包括具有端部操纵装置(18)的可运动臂(16)，所述激光成形系统还包括控制器(20)，控制器可操作地连接到所述机器人(14)上，并且构造成运动所述机器人臂(16)，以便在所述工件(12)上扫描所述激光束(28)，从而在所述隔室内进行激光成形。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述隔室(24)包括：

窗口(30)，密封闭合该处的所述隔室，并对于通过其中投射的所述激光束(28)来说是透明的；

入口(32)，布置成与所述气体供应装置(36)流体流通，以便接收所述惰性气体(34)；以及

出口(42)，用于从中排出所述惰性气体(34)。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述安装固定件(22)包括：

适配器(44)，用于将所述固定件(22)安装在所述端部操纵装置(18)上，以便与其一起运动；

支架(46)，固定在所述适配器上以便接收所述工件(12)，并且固定支承围绕所述工件的所述隔室(24)；以及

夹紧件(48)，用于至少部分在所述隔室(24)内部将所述工件(12)固定在所述支架(46)上，

其中所述适配器(44)固定在所述支架(46)的近端上，并且所述隔室(24)固定在所述支架(46)的远端上，并且所述夹紧件(48)布置其中。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述隔室(24)还包括：

底板(50)，用于接收所述工件(12)；

侧壁(52)，连接到所述底板(50)，并且包括其中的所述窗口(30)；以及

天花板(54)，连接到所述侧壁(52)，以便封闭所述隔室(24)和其中延伸的所述工件，

其中所述入口(32)布置在所述侧壁(52)内，并且所述出口(42)布置在所述底板(50)内，并且提供围绕所述工件(12)的间隙，以便从中排出所述惰性气体(34)。

6.一种使用如权利要求5所述的所述激光成形系统(10)的方法，包括：

将所述工件(12)在所述隔室(24)内安装在所述固定件(22)上；

将所述惰性气体(34)引导通过所述隔室(24)以便以层的形式保护所述工件(12)；

启动所述激光器(26)以便发射通过所述窗口(30)的所述激光束(28)；以及

运动所述机器人臂(16)以便在所述工件(12)上扫描激光束(28)，从而在所述惰性气体层内进行激光成形。

7.一种激光成形设备(10)，包括：

机器人(14)，包括具有端部操纵装置(18)的可运动臂(16)；

安装固定件(22)，固定到所述操纵装置(18)上以便支承工件(12)；

隔室(24)，固定在所述固定件(22)上以便包围所述工件(12)；

激光器(26)，与所述隔室(24)对准以便将激光束(28)投射到所述工件上，从而在所述隔室(24)内进行激光成形；

其中所述隔室(24)包括：

窗口(30)，密封闭合该处的所述隔室，并对于通过其中投射的所述激光束(28)来说是透明的；以及接收惰性气体(34)的入口(32)和从中排出惰性气体(34)的出口(42)。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括气体供应装置(36)，与隔室(24)流体连通以便在压力下在其中引入惰性气体(34)以便填充所述隔室(24)，并在激光成形期间保护所述工件(12)，

其中所述安装固定件(22)包括：

适配器(44)，用于将所述固定件(22)安装在所述端部操纵装置(18)上，以便与其一起运动；

支架(46)，固定在所述适配器上以便接收所述工件(12)，并且固定支承围绕所述工件的所述隔室(24)；以及

夹紧件(48)，用于至少部分在所述隔室(24)内部将所述工件(12)固定在所述支架(46)上，以及

其中所述适配器(44)固定在所述支架(46)的近端上，并且所述隔室(24)固定在所述支架(46)的远端上，并且所述夹紧件(48)布置其中。

9.一种构造成围绕工件(24)的腔室(24)，所述腔室包括：

窗口(30)，构造成密封所述腔室，所述窗口对于通过其中投射的激光束(28)来说是透明的；

入口(32)，构造成接收惰性气体；以及

出口(42)，构造成排出惰性气体。

10.如权利要求9所述的腔室(24)，其特征在于，还包括：

底板(50)，用于接收所述工件(12)；

侧壁(52)，连接到所述底板，并且包括其中的所述窗口；以及

天花板(54)，连接到所述侧壁，以便封闭所述腔室和其中延伸的工件，

其中所述入口布置在所述侧壁内，并且所述出口布置在所述底板内，并且提供围绕所述工件的间隙，以便从中排出所述惰性气体。

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