TW201521924A

TW201521924A - 雷射加工裝置

Info

Publication number: TW201521924A
Application number: TW102144033A
Authority: TW
Inventors: Chun-Sheng Kuo; bo-yu Hong; Lung-Tien Wu
Original assignee: Metal Ind Res & Dev Ct
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-16
Also published as: CN104674211A

Abstract

一種雷射加工裝置包含第一管件、第二管件、噴嘴模組以及粉末導入模組。第一管件具有第一端部以及位置相對第一端部的第二端部，第一管件包含第一雷射通道；第二管件具有用以連接於第二端部的位置調整部，第二管件包含連通第一雷射通道的第二雷射通道；噴嘴模組其之一端配置於第二管件內，並包含組接部以及組裝於組接部的噴嘴件，噴嘴件具有加工開口，其連通第二雷射通道；粉末導入模組配置於噴嘴模組之側邊，並包含至少一粉末導管，粉末導管具有粉末輸出通道位於加工開口之周圍位置。

Description

雷射加工裝置

本發明是有關於一種加工裝置，且特別是有關於一種可應用於雷射設備的雷射加工裝置。

雷射加工技術主要有切割、銲接、熱處理及銲覆等應用。然而，目前國外的雷射批覆(銲覆)(Laser Cladding)加工設備通常包含雷射批覆鏡頭模組(雷射加工模組)以及送粉裝置。整套設備費用非常高昂。換言之，國外的雷射加工設備公司並不會提供一機多用途的雷射加工設備給客戶。例如，當客戶已有一台雷射設備(例如：雷射銲接設備)及鏡頭模組，若想要額外擴充有雷射批覆之功能，則必須考慮購買另一台具有送粉裝置的雷射批覆加工設備。由此可知，在目前雷射加工設備大多僅有一機一功能的情況下，其對於雷射加工業者來說，並不便利；而且也浪費設備之成本。

此外，如美國專利號US 7605346與US 8117985所揭露的可用於雷射批覆設備之噴嘴(nozzle)，其送粉裝置並無法被調整，使得加工粉末未具有配合雷射之聚焦點的位置調整功能(亦即，加工粉末之輸出位置無法配合雷射聚焦光點而被調整至相關的指定位置)，因此對於工業者而言，並無法完全符合特定的雷射批覆之加工需求。

有鑑於此，本發明提供一種將噴嘴模組及粉末導入模組整合在一起，且粉末導入模組之位置可被調整的雷射加工裝置。

依據上述之目的，本發明提供一種雷射加工裝置包含第一管件、第二管件、噴嘴模組以及粉末導入模組。第一管件具有第一端部以及位置相對第一端部的第二端部，第一管件包含第一雷射通道；第二管件具有用以連接於第二端部的位置調整部，第二管件包含連通第一雷射通道的第二雷射通道；噴嘴模組其之一端配置於第二管件內，噴嘴模組包含組接部以及組裝於組接部的噴嘴件，噴嘴件具有加工開口連通第二雷射通道；粉末導入模組配置於噴嘴模組之側邊，粉末導入模組包含至少一粉末導管，粉末導管具有粉末輸出通道位於加工開口之周圍位置。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述第一雷射通道配置有保護鏡片，且保護鏡片位於第一端部之位置。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述第一管件更設有連通第一雷射通道的氣體導入口。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述第二端部包含第一螺紋，位置調整部包含對應第一螺紋的第二螺紋，利用第二螺紋與第一螺紋之螺合，使第二管件之位置得以被調整；其中當第二管件被調整而朝背離或接近第一管件之方向前進時，噴嘴模組亦同時被驅動而朝背離或接近第一管件之方向前進。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述第二管件之表面更設有位置刻度盤。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述第一管件與第二管件之間更配置有彈性元件，其中噴嘴模組的一端設有凸緣，第二管件設有扣溝部，凸緣藉由彈性元件之彈力而頂壓在扣溝部上，使得噴嘴模組與第二管件可相互結合。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述噴嘴模組更包含冷卻流體通道位於噴嘴件之周圍。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述至少一粉末導管包含第一粉末導管與第二粉末導管，第一粉末導管具有第一粉末輸出通道，第二粉末導管具有第二粉末輸出通道，第一粉末輸出通道與第二粉末輸出通道位於加工開口之周圍位置且為相互對應。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述組接部包含卡槽，噴嘴件包含對應卡槽的卡塊。

依照本發明的實施例所述雷射加工裝置，上述加工開口的周圍更設有防護擋板。

本發明之雷射加工裝置可將噴嘴模組及粉末導入模組直接整合在一起，因此雷射設備之雷射光經過聚焦鏡頭而從加工開口射出後，此雷射光除了可對待加工之基材進行雷射加工(例如，雷射銲接)外，藉由粉末導入模組之搭配更可具有額外的雷射批覆加工之功能；且粉末導入模組之位置可藉由第二管件而被調整，以符合雷射批覆加工的特定加工需求。

1‧‧‧雷射加工裝置

11‧‧‧第一管件

110‧‧‧第一雷射通道

111‧‧‧第一端部

112‧‧‧第二端部

112a‧‧‧第一螺紋

113‧‧‧氣體導入口

114‧‧‧保護鏡片

12‧‧‧第二管件

120‧‧‧第二雷射通道

121‧‧‧位置調整部

121a‧‧‧第二螺紋

122‧‧‧扣溝部

13‧‧‧噴嘴模組

130‧‧‧組接部

130a‧‧‧卡槽

131‧‧‧噴嘴件

131a‧‧‧卡塊

132‧‧‧冷卻流體通道

132a‧‧‧冷卻循環水入口

132b‧‧‧冷卻循環水出口

133‧‧‧第一O型環

134‧‧‧第二O型環

135‧‧‧凸緣

14‧‧‧粉末導入模組

141‧‧‧第一粉末導管

141a‧‧‧第一粉末輸出通道

142‧‧‧第二粉末導管

142a‧‧‧第二粉末輸出通道

15‧‧‧防護擋板

2‧‧‧雷射設備

20‧‧‧聚焦鏡頭

3‧‧‧基材

30‧‧‧熔池

F‧‧‧聚焦點位置

F1‧‧‧正離焦位置

F2‧‧‧負離焦位置

G‧‧‧保護氣體

H‧‧‧加工開口

L‧‧‧雷射光

M‧‧‧金屬加工粉末

P‧‧‧位置刻度盤

S‧‧‧彈性元件

圖1為本發明一實施例之雷射加工裝置的組裝剖面示意圖。

圖2為圖1之雷射加工裝置的分解剖面示意圖。

圖3為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(一)。

圖4為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(二)。

圖5為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(三)。

圖6為本發明另一實施例雷射加工裝置配置的組裝剖面示意圖，其顯示防護擋板。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例之雷射加工裝置的組裝剖面示意圖；圖2為圖1之雷射加工裝置的分解剖面示意圖。請同時參閱圖1與圖2，雷射加工裝置1包含第一管件11、第二管件12、噴嘴模組13以及粉末導入模組14。

第一管件11具有第一端部111以及位置相對第一端部111的第二端部112。第一管件11之內部包含第一雷射通道110。第二管件12具有用以連接於第二端部112的位置調整部121。於此實施例，第二端部112包含第一螺紋112a；位置調整部121包含對應第一螺紋112a的第二螺紋121a。第一螺紋112a可為外螺紋(公螺紋)；第二螺紋121a可為內螺紋(母螺紋)。藉此，利用第二螺紋121a與第一螺紋112a之螺合，可使第二管件12於第一管件11之相對位置得以被調整，例如第二管件12可被調整而相對第一管件11前進或後退。較佳地，第一管件11與第二管件12之間更配置有彈性元件S，使第一管件11與第二管件12之間具有緩衝保護之機制。此外，第二管件12之表面更設有位置刻度盤P(包含第二管件12之位置的相關數據或刻度)，以供使用者可藉此知悉並調整第二管件12於第一管件11之相對位置；且第二管件12之內部包含連通第一雷射通道110的第二雷射通道120。

噴嘴模組13的一端配置於第二管件12內。例如，噴嘴模組13之一端的凸緣135可藉由彈性元件S之彈力而頂壓在第二管件12的扣溝部122上，使得噴嘴模組13與第二管件12可相互結合。當第二管件12被調整而相對第一管件11前進或後退時，噴嘴模組13亦同時被驅動前進或後退。其中，如圖1所示，相互組裝後的第一管件11、第二管件12與噴嘴模組13朝一軸向方向延伸。

噴嘴模組13包含組接部130以及可被組裝於組接部130的噴嘴件131。於此實施例中，組接部130包含卡槽130a；噴嘴件131包含對應卡槽130a的卡塊131a。所述卡塊131a可被安裝於卡槽130a內。由此可知，噴嘴件131是可從噴嘴模組13被拆卸下來；或者噴嘴件131是可被組裝至噴嘴模組13。亦即，噴嘴件131具有可被更換之特點。

此外，噴嘴件131具有加工開口H。加工開口H連通第二雷射通道120，使得聚焦後的一雷射光束可依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被射出，以對待加工之基材進行雷射加工作業。較佳地，噴嘴模組13更包含冷卻流體通道132。冷卻流體通道132包含冷卻循環水入口132a與連通此冷卻循環水入口132a之冷卻循環水出口132b。冷卻流體通道132可被設於噴嘴模組13而位於被組裝至噴嘴模組13之噴嘴件131的周圍，以供由外部供應之冷卻水通過，而具有防止噴嘴模組13(或噴嘴件131)於進行雷射加工時之過熱損壞的問題；且組接部130內之壁面的周圍或附近可設有至少一O型環(例如，第一O型環133與第二O型環134，但O型環之數量不限定於此)，如此可確保於冷卻流體通道132內被加入之冷卻水不會外漏。

粉末導入模組14可直接配置於噴嘴模組13之側邊。例如，噴嘴模組13之側邊具有導槽，粉末導入模組14可被直接安裝於導槽內。詳言之，粉末導入模組14包含可安裝於導槽的至少一粉末導管(亦即粉末導管之數量可為一個以上)。且粉末導管具有對應的粉末輸出通道位於加工開口H之周圍位置。

於此實施例，以第一粉末導管141與第二粉末導管142作說明。第一粉末導管141具有對應的第一粉末輸出通道141a；第二粉末導管142具有對應的第二粉末輸出通道142a。第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a位於加工開口H之周圍位置。例如，第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a可位於噴嘴件131上(亦即，噴嘴件131包含第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a)，並分別位於加工開口H之兩側位置而呈相互對應或對稱之型態。藉此，以令粉末(雷射加工用的金屬粉末)可均勻且穩定地被施加於待加工之基材，使雷射加工(例如雷射批覆(銲覆)或雷射焊接加工作業)之品質能夠提升。

詳言之，第一管件11更設有連通第一雷射通道110的氣體導入口113。所述氣體導入口113可用以導入雷射加工用的相關保護氣體(例如，氮氣或氬氣)；此外，第一管件11的第一雷射通道110更配置有保護鏡片114，以防止加工用的保護氣體損壞雷射相關元件。所述保護鏡片114可被配置並位於第一管件11之第一端部111的位置。

圖3為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(一)。如圖3所示，於實際運用時，雷射加工裝置1可被安裝並連接於雷射設備2(例如：雷射焊接設備)，使原本的雷射設備2具有額外之雷射批覆加工的功能。

舉例而言，當使用者欲將金屬加工粉末M(例如，鎳合金、鈷基合金、鈦合金、銅合金或鋁合金，但不限定於此)施加在聚焦點位置時，使用者可先將雷射加工裝置1安裝在配置有聚焦鏡頭20的雷射設備2。接著，使用者可藉由位置刻度盤P來觀看，並利用第二螺紋121a與第一螺紋112a之螺合，來調整第二管件12於第一管件11之相對位置，使被加入於第一粉末導管141與第二粉末導管142的金屬加工粉末M，分別經由第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a而可噴落於聚焦點位置F上。

之後，雷射設備2所發射出之雷射光L(例如，光纖雷射，Nd-YAG雷射、Diode雷射或CO₂雷射，但不限定於此)經聚焦鏡頭20之聚焦後，此雷射光L則依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被射出；同時配合噴落於聚焦位置F之金屬加工粉末，雷射光L即可對待加工之基材3(例如，金屬基材：碳鋼、不銹鋼或鋁合金等；或者非金屬基材)進行雷射批覆加工作業，而達到基材3表面之修補或改質。

此外，於雷射批覆加工作業進行時，使用者可從氣體導入口113導入雷射加工用的相關保護氣體G(例如，氮氣或氬氣)。所述保護氣體G依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被導出，如此可避免雷射批覆加工作業所產生之汙染、煙塵，或者可保護基材3表面之熔池30(molten pool)等功用。此外，藉由保護鏡片114可用來防止保護氣體G影響雷射設備2或聚焦鏡頭20等的相關元件，而達到保護的功能。

圖4為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(二)。請參閱圖4，當使用者欲將金屬加工粉末M施加在正離焦位置時，使用者可藉由位置刻度盤P來觀看，並利用第二螺紋121a與第一螺紋112a之螺合來調整第二管件12於第一管件11之相對位置。當第二管件12被調整而朝背離第一管件11方向前進時，噴嘴模組13亦同時被驅動朝背離第一管件11方向前進，使被加入於第一粉末導管141與第二粉末導管142的金屬加工粉末M，分別經由第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a而可噴落於正離焦位置F1上。

之後，雷射設備2所發射出之雷射光L(例如，光纖雷射，Nd-YAG雷射、Diode雷射或CO₂雷射，但不限定於此)經聚焦鏡頭20之聚焦後，此雷射光L則依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被射出；同時配合噴落於正離焦位置F1之金屬加工粉末M，雷射光L即可對待加工之基材3進行雷射批覆加工作業，而達到基材3表面之特定批覆加工需求(例如對基材3之表面的特定修補或改質)。

此外，於雷射批覆加工作業進行時，使用者可從氣體導入口113導入雷射加工用的相關保護氣體G(例如，氮氣或氬氣)。所述保護氣體G依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被導出，如此可避免雷射批覆加工作業所產生之汙染、煙塵，或者可保護基材3表面之熔池30等功用。此外，藉由保護鏡片114可用來防止保護氣體G影響雷射設備2或聚焦鏡頭20等的相關元件，而達到保護的功能。

請參閱圖5，圖5為圖1之雷射加工裝置運用於雷射設備的作動原理之剖面示意圖(三)。或者，當使用者欲將金屬加工粉末M施加在負離焦位置時，使用者可藉由位置刻度盤P來觀看，並利用第二螺紋121a與第一螺紋112a之螺合來調整第二管件12於第一管件11之相對位置。當第二管件12被調整而朝接近第一管件11方向前進時，噴嘴模組13亦同時被驅動朝接近第一管件11方向前進，使被加入於第一粉末導管141與第二粉末導管142的金屬加工粉末M，分別經由第一粉末輸出通道141a與第二粉末輸出通道142a而可噴落於負離焦位置F2上。

之後，雷射設備2所發射出之雷射光L(例如，光纖雷射，Nd-YAG雷射、Diode雷射或CO₂雷射，但不限定於此)經聚焦鏡頭20之聚焦後，此雷射光L則依序經由第一雷射通道110、第二雷射通道120而從加工開口H被射出；同時配合噴落於負離焦位置F2之金屬加工粉末M，雷射光L即可對待加工之基材3進行雷射批覆加工作業，而達到基材3表面之另一特定批覆加工需求。

由圖3至圖5可知，配置有雷射加工裝置1的雷射設備2，除了具有雷射焊接加工之功能外，更具有雷射批覆加工之功能。

請參閱圖6，圖6為本發明另一實施例雷射加工裝置配置的組裝剖面示意圖，其顯示防護擋板。如圖6所示，雷射加工裝置1更包含有防護擋板15。所述防護擋板15可被設置在加工開口H的周圍。利用此防護擋板15可防止雷射光L之反射(例如，避免雷射強光傷及周遭人員的眼睛)；或者可有效防止雷射加工時所產生之粉塵而損壞噴嘴模組13或相關元件及設備。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。