一种激光辅助摩擦搅拌焊机

摘要

本发明属于激光加工制造技术领域，提供一种新型激光辅助摩擦搅拌焊机，包括动力总成、传动总成、旋转总成、激光传输与发射总成、支撑总成、搅拌头总成。动力总成的电机主轴与传动总成的皮带轮通过键连接，实现轴向定位。传动总成的主轴皮带轮与电机皮带轮连接，将电机旋转运动传递给上部芯轴。旋转总成的上下部芯轴连接，端盖安装光纤旋转连接器，下部芯轴与搅拌头总成的夹头连接。支撑总成构成该焊机的机架，用于连接和支撑相关零部件，支撑总成的支撑臂与可移动机架连接，实现该焊机在空间三自由度的平动。本发明结构紧凑，配置合理，能将激光辅助加热与摩擦搅拌焊接有效地耦合，激光的利用率高，可极大地提高焊接效率。

权利要求

1.一种激光辅助摩擦搅拌焊机，其特征在于，所述的激光辅助摩擦搅拌焊机包括动力总成、传动总成、旋转总成、激光传输与发射总成、支撑总成、搅拌头总成；

所述的动力总成中的电机(28)与电机外壳(30)固接，电机(28)主轴上端设有键槽和螺纹，电机(28)主轴与电机皮带轮通过键(29)连接，并通过固定螺母(31)实现轴向定位；

所述的传动总成包括主轴皮带轮(5)、电机皮带轮(32)和连接二者的传动皮带(33)，三者处于同一水平面内，将电机(28)主轴的旋转运动传递给上部芯轴(7)；

所述的旋转总成包括端盖(2)、上部芯轴(7)、下部芯轴(18)以及安装激光发射器(15)的旋转箱体(20)和盖板；所述的搅拌头总成包括夹头(16)和搅拌针(17)；

所述的上部芯轴(7)和下部芯轴(18)均为非等截面且中空的圆柱形长轴，二者通过锥形螺纹连接；所述的上部芯轴(7)上端安装端盖(2)，端盖(2)用于安装光纤旋转连接器(1)，上部芯轴(7)的中部设有两个轴肩，用于安装上部和下部向心推力轴承(4、8)，在两轴肩中部设有法兰盘A，法兰盘A与主轴皮带轮(5)连接，主轴皮带轮(5)与上部芯轴(7)连接；所述的下部芯轴(18)下端与搅拌针(17)的夹头(16)连接；在下部芯轴(18)的轴身段，由上至下分别设有轴肩、两个对称布置的径向通孔和法兰盘B，轴肩用于安装深沟球轴承(22)，法兰盘B用于安装旋转箱体(20)，径向通孔和上下部芯轴的内部通孔构成光纤(36)的通道；所述的旋转箱体(20)上部开口，旋转箱体(20)的下端面圆心处安装法兰盘B，法兰盘B与下部芯轴(18)连接，旋转箱体(20)的下端面还设有对称布置的矩形通孔，用于通过激光发射器(15)；旋转箱体(20)上端面安装盖板；

所述的支撑总成包括皮带轮外壳a、b(3、35)，上下部向心推力轴承(4、8)，深沟球轴承(22)，轴承座a、b(10、23)，U形支架(24)，支撑臂(25)；所述的皮带轮外壳a(3)为半圆柱体结构，其外侧面与皮带轮外壳b(35)连接；所述的皮带轮外壳b(35)主体也为半圆柱体形结构，圆柱体侧面设有与电机外壳(30)连接的接头；所述的U形支架(24)上端与皮带轮外壳b(35)连接，下端侧面与矩形支撑臂(25)连接，另一侧与轴承座b(23)连接，轴承座a(10)与轴承座b(23)关于下部芯轴(18)对称设置，用于径向固定深沟球轴承(22)；支撑臂(25)为焊机的主臂，与可移动机架连接，实现该焊机在空间三自由度的平动；

所述的激光传输与发射总成包括两组激光发射器(15)和激光发射器支座(13)、激光传输光纤、光纤分支接头(9)和光纤旋转连接器(1)；所述的激光发射器(15)和激光发射器支座(13)安装在旋转箱体(20)内部；激光发射器支座(13)关于上部芯轴(7)和下部芯轴(18)的轴线对称布置，且激光发射器(15)在待焊材料表面形成的光斑关于搅拌针(17)轴线对称分布且与搅拌针(17)侧面相切；所述的光纤旋转连接器(1)与激光传输光纤连接，激光传输光纤通过光纤分支接头(9)分别与两组激光发射器(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助摩擦搅拌焊机，其特征在于，所述的激光发射器支座(13)为楔形结构，设有三角形滑槽，该滑槽与激光发射器(15)外筒上的三角形凸起滑轨形成配合连接，激光发射器(15)可沿滑槽滑动，滑槽底面设有螺纹通孔，通过旋进和旋出螺钉(14)固定和移动激光发射器(15)。

说明书

一种激光辅助摩擦搅拌焊机

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工制造技术领域，涉及固相焊接和固相表层裂纹修复领域，尤其涉及一种激光辅助摩擦搅拌焊机。

背景技术

[0002] 搅拌摩擦焊是利用工件端面和侧面与被焊接基材之间发生相对运动，通过摩擦生热使被焊材料达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中以其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用。

[0003] 随着生产要求的不断提高，新的焊接方法被不断提出，对于常规摩擦搅拌而言，焊接基材发生热塑变形所需的热量主要来自搅拌针轴肩与基材表面的摩擦生热，为保证充足的热源，搅拌针轴肩与基材的接触力要足够大，这样势必会去除一定材料造成焊接材料表面的损伤。为此，采用其他能源辅助搅拌摩擦焊接的技术被提出以降低常规摩擦搅拌焊接所需的下压力和前进力。中国公开发明专利CN103008897A公开了一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法，具体涉及在待焊接板的背面布置第一束激光，在待焊接板的正面布置摩擦搅拌头和第二束激光束，但多束激光器的分散布置会增加焊机结构的复杂性，以及机器在工作过程中所需的同步控制要求更高。中国公开发明专利CN103846563A公开了一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置，其主体内容是指采用激光束加热搅拌头的方法来完成辅助焊接，采用激光加热搅拌头势必会增加搅拌头对材料的要求，搅拌头的结构更加复杂，降低激光的热效率。

[0004] 由此可见，采用高效的复合热源焊接是当前焊接技术的一个发展趋势。为了能实现激光产热与搅拌针的直接耦合，提高激光利用效率，降低待焊接基材的表面损伤，为此本发明提出了一种结构更加紧凑合理的激光辅助摩擦搅拌焊机。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明的提供一种激光辅助摩擦搅拌焊机，以实现前进力小、激光利用效率高、待焊材料损伤小的目的，采用激光辅助加热，该焊机较常规摩擦搅拌焊机所需扭矩和动力较小，同时所采用的搅拌针没有轴肩与材料表面的相互作用，对基材的损伤更小。该焊机结构紧凑，配置合理，具备较高的焊接效率。

[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种激光辅助摩擦搅拌焊机，包括动力总成、传动总成、旋转总成、激光传输与发射总成、支撑总成、搅拌头总成。

[0008] 所述的动力总成主要包括电机28、电机外壳30和用于固定电机28的螺柱27。电机28底部均布四个通孔，并通过螺柱27与电机外壳30固定连接。电机28主轴上端设有键槽和螺纹，电机28主轴与皮带轮通过键29连接并通过固定螺母31实现轴向定位。

[0009] 所述的传动总成主要包括传动皮带33、主轴皮带轮5、电机皮带轮32。主轴皮带轮5与电机皮带轮32通过V形传动皮带33连接，由此将电机28主轴的旋转运动传递给上部芯轴7。传动皮带33、主轴皮带轮5和电机皮带轮32三者处于同一水平面内以保证传动的稳定性，其具体设计参数可参考国家标准GB11544-98和GB/T10412-2002。

[0010] 所述的旋转总成主要包括端盖2、上部芯轴7、下部芯轴18以及安装激光发射器15的旋转箱体20和盖板。所述的搅拌头总成主要包括夹头16和搅拌针17。所述的上部芯轴7和下部芯轴18皆为非等截面且中空的圆柱形长轴，二者通过锥形螺纹连接。所述的上部芯轴7的上端安装端盖2，端盖2用于安装光纤旋转连接器1，上部芯轴7的中部设有两个轴肩，分别用于安装上部和下部向心推力轴承4、8，同时，在两轴肩中部设有轴向均布六个通孔的法兰盘A，法兰盘A用于连接主轴皮带轮5，主轴皮带轮5与上部芯轴7通过螺栓a6连接。所述的下部芯轴18的上端为锥形母螺纹，与上部芯轴7通过锥形螺纹连接，下端为普通螺纹，与搅拌针17的夹头16连接；在下部芯轴18的轴身段，由上至下分别设有轴肩、两个对称布置的径向通孔和法兰盘B，轴肩用于安装深沟球轴承22，法兰盘B用于安装旋转箱体20，径向通孔和上下部芯轴的内部通孔构成光纤36的通道。所述的旋转箱体20为上部开口，下部设有法兰盘B的圆柱体箱体结构。所述的旋转箱体20的下端面圆心处安装轴向均布六通孔的法兰盘B，法兰盘B与下部芯轴18通过螺栓b19连接，法兰盘B的内通孔直径大于下部芯轴18上轴肩；旋转箱体20的下端面还设有对称布置的矩形通孔，用于通过激光发射器15底端。所述的旋转箱体20上端面靠近侧壁的内缘处轴向均布八个用于安装螺钉11的螺钉孔，安装半圆形的盖板a、b。

[0011] 所述的支撑总成主要包括皮带轮外壳a、b3、35，上下部向心推力轴承4、8，深沟球轴承22，轴承座a、b10、23，U形支架24，支撑臂25。所述的皮带轮外壳a、b3、35，电机外壳30，U形支架24和主臂构成该焊机的机架，用于连接和支撑相关零部件。所述的皮带轮外壳a3为半圆柱体形箱体结构，箱体的外侧面制作有通孔，用于通过螺栓c26与皮带轮外壳b35连接。所述的皮带轮外壳b35主体也为半圆柱体形箱体结构，圆柱体侧面设有长方体接头，接头端面有均布的通孔，用于通过螺栓d34与电机外壳30连接。所述的U形支架24上端通过螺栓c26与皮带轮外壳b35连接，下端侧面与矩形支撑臂25通过螺栓连接，另一侧通过螺钉与轴承座b23连接，轴承座a10与轴承座b23关于下部芯轴18对称设置，用于径向固定深沟球轴承22。
支撑臂25为焊机的主臂，与可移动机架连接，实现该焊机在空间三自由度的平动。

[0012] 所述的激光传输与发射总成包括两组激光发射器15和激光发射器支座13、激光传输光纤、光纤分支接头9和光纤旋转连接器1。所述的激光发射器15和激光发射器支座13安装在旋转箱体20内部。所述的激光发射器支座13为楔形结构，设有三角形滑槽，该滑槽与激光发射器15外筒上的三角形凸起滑轨形成配合连接，激光发射器15可沿滑槽滑动，滑槽底面设有用于安装紧定螺钉14的螺纹通孔，通过旋进和旋出螺钉14固定和移动激光发射器15。激光发射器支座13可焊接在旋转箱体20的内部。激光发射器支座13关于上部芯轴7和下部芯轴18的轴线对称布置，且激光发射器15在待焊材料表面形成的光斑关于搅拌针17轴线对称分布且与搅拌针17侧面相切。所述的光纤旋转连接器1与激光传输光纤连接，激光传输光纤通过光纤分支接头9分别与两组激光发射器15连接。

[0013] 本发明的有益效果为：所述的激光焊机结构紧凑，配置合理，能将激光辅助加热与摩擦搅拌焊接有效地耦合，激光的利用率高，可极大地提高焊接效率。

附图说明

[0014] 图1为焊机整体结构图；

[0015] 图2为焊机整体结构轴侧图；

[0016] 图3为激光发射器支座；(a)为右轴测图；(b)为侧视图；(c)为左轴测图；

[0017] 图4为U形支架；(a)为左视图；(b)为轴测图；

[0018] 图5为轴承座；(a)为下视图；(b)为前视图；(c)为轴测图；

[0019] 图6为旋转箱体；(a)为主视图；(b)为B-B截面剖视图；(c)为俯视图；(d)为轴测图；

[0020] 图7为激光光斑运动原理图；(a)为芯轴静止时光斑与搅拌针相对位置图；(b)为芯轴旋转时光斑与搅拌针相对位置图；

[0021] 图中：1光纤旋转连接器；2端盖；3皮带轮外壳a；4上部向心推力轴承；5主轴皮带轮；6螺栓a；7上部芯轴；8下部向心推力轴承；9光纤分支接头；10轴承座a；11螺钉；12盖板a；13激光发射器支座；14紧定螺钉；15激光发射器；16夹头；17搅拌针；18下部芯轴；19螺栓b；
20旋转箱体；21盖板b；22深沟球轴承；23轴承座b；24U形支架；25支撑臂；26螺栓c；27螺柱；
28电机；29键；30电机外壳；31固定螺母；32电机皮带轮；33传动皮带；34螺栓d；35皮带轮外壳b；36光纤。

具体实施方式

[0022] 为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明进行详细阐述。

[0023] 如图1所示，一种激光辅助摩擦搅拌焊机主要由动力总成、传动总成、旋转总成、激光传输与发射总成、支撑总成、搅拌头总成等部分组成。其中传动总成主要包括电机28、电机外壳30和用于固定电机28的螺柱27；传动总成主要包括传动皮带33、主轴皮带轮5以及电机皮带轮32；旋转总成主要包括端盖2、上部芯轴7、下部芯轴18以及安装激光发射器15的旋转箱体20和盖板12、21；激光传输与发射总成主要包括两组激光发射器15和激光发射器支座13、激光传输光纤36、光纤分支接头9和光纤旋转连接器1；支撑总成主要包括皮带轮外壳3、35、向心推力轴承4、8、深沟球轴承22、轴承座10、23、U形支架24、支撑臂25；搅拌头总成主要包括搅拌针夹头16和搅拌针17。

[0024] 焊机的支撑臂25另一端与可移动机架连接从而实现该焊机在空间三自由度的平动。上部芯轴7和下部芯轴18皆为非等截面且中空的圆柱形长轴，并两轴通过锥形螺纹连接。上部芯轴7的上端安装有端盖2，该端盖2用于安装光纤旋转连接器1，光纤旋转连接器1的上部与输入光纤连接，当上部芯轴7发生旋转运动时，外部输入光纤可不发生转动且实现激光的连续传输。上部芯轴7的下端为锥形公螺纹。上部芯轴7的中部制作有两个轴肩，分别用于安装向心推力轴承4、8，同时，在两轴肩中部制作有轴向均布六个通孔的法兰盘A，该法兰盘A用于连接主轴皮带轮5，主轴皮带轮5与上部芯轴7通过螺栓连接。上下分别布置向心推力轴承4、8可实现主轴的固定，并能使主轴承受竖直方向上的推力，其目的是推动搅拌针17进入待焊材料的内部。下部芯轴18的上端为锥形母螺纹，下端为普通螺纹，在轴身段，由上至下分别制作有轴肩，两个对称布置的径向通孔和法兰盘B。轴肩用于安装深沟球轴承
22，该深沟球轴承22用于增加转轴的稳定性，法兰盘B用于安装旋转箱体20。下部普通螺纹用于安装搅拌针夹头16，搅拌针夹头16用于装夹搅拌针17。径向通孔和上下部芯轴7、18的内部通孔构成了放置光纤36的通道，该光纤36用于连接光纤旋转连接器1，光纤分支接头9和两个激光发射器15。旋转箱体20为上部开口、下部制作有法兰的圆柱体形箱体结构，法兰盘B位于下端面且与箱体同轴，周向均布六通孔，通过螺栓b19连接至下部芯轴18。法兰盘B的内通孔直径大于下部芯轴18上制作的用于安装深沟球轴承22的轴肩的外径。旋转箱体20的上端面靠近侧壁的内缘处轴向均布制作有八个螺钉孔，用于安装半圆形的盖板12、21。在旋转箱体20的底面还制作有对称布置的矩形通孔，该通孔便于激光发射器15的安装和调整。旋转箱体20内部对称地安装有两组激光发射器15和激光发射器支座13，激光发射器支座13为楔形结构，制作有三角形滑槽，该滑槽与激光发射器15外筒上的三角形凸起滑轨形成配合连接，激光发射器15可沿滑槽滑动，滑槽地面制作有螺纹通孔，螺纹孔用于安装紧定螺钉，通过旋进和旋出紧定螺钉14可固定和沿滑轨移动激光发射器15。激光发射器支座13可焊接在旋转箱体20的内部。激光发射器支座13关于下部芯轴18的轴线对称布置，且激光发射器15在待焊材料表面形成的光斑与关于搅拌针17对称分布且与搅拌针17侧面相切。两个激光发射器15分别通过光纤36和光纤分支接头9与光纤旋转连接器1的出口连接，光纤分支接头9可将一根光纤36分成两路。皮带轮外壳3、35、电机外壳30、U形支架24和主臂构成了该焊机的机架，用于连接和支撑相关零部件。其中皮带轮外壳a为半圆柱体形箱体结构，箱体的外侧面制作有通孔，用于通过螺栓连接至皮带轮外壳b。皮带轮外壳b主体也为半圆柱体形箱体结构，在圆柱体侧面制作有长方体接头，接头端面也制作有均布的通孔，用于通过螺栓d34与电机外壳30连接。U形支架24上端通过螺栓c26与皮带轮外壳b35连接，下端侧面与矩形支撑臂25通过螺栓连接，另一侧通过螺钉与轴承座b23连接。支撑臂25的另一端与可移动机架连接从而实现该焊机在空间三自由度的平动。电机28底部均布四个通孔，并通过螺柱27与电机外壳30固定连接。电机28主轴的上端制作有键槽和螺纹，电机28主轴与皮带轮通过键29连接并通过固定螺母31实现轴向定位。

[0025] 焊机工作时，电机28通过带传动使上部芯轴7和下部芯轴18转动，下部芯轴18带动旋转箱体20和搅拌针17转动。旋转箱体20内部激光发射器15发射的激光束在待焊基材的表面形成光斑，由于旋转箱体20随着下部芯轴18转动，光斑也随之发生转动，转动的光斑形成如图7所示的环形激光照射区其中深色的圆形光斑为搅拌针17横截面，该区域的材料获取激光的能量后升温发生热塑性变形。搅拌针17的旋转后，通过搅拌针17侧壁和前端面与材料的摩擦生热进一步加热材料，搅拌针17无与材料表面接触的轴肩。该激光加热可代替常规搅拌针17的轴肩，可有效降低下压力和前进力，且对待焊材料的表面损伤小。搅拌针17应根据待焊材料的属性，焊缝深度或者裂纹深度等工况选择相应的型号以保证搅拌针的强度和焊接效果。