CN110434504A - 融合激光加工及3d打印的传动轴扭振裂缝焊接***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***及方法，包括可进行激光扫描和激光焊接功能切换的激光加工模块、具有3D打印填充焊料功能的3D打印模块。该***利用填料方式对传动轴因扭振产生的宽深裂缝进行焊接，该填料可以通过激光扫描和3D打印实现精密加工；其次，利用激光加工的特点，属于非接触点加工，加工时间短，冷却速度快，热影响区小，消除了宽深缝焊接后的二次加工问题，可有效保证焊接处理后传动轴的机械强度，实现扭振破坏轴的二次利用；最后，该***可以实现两模块三功能的联合控制，通过模式切换和控制指令，完成三个功能的启动和停止，简化了***，提高控制效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工和快速成型技术领域，具体为融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***及方法。
背景技术
激光加工技术中激光焊接技术发展的比较早，也比较成熟，并且在焊接过程中，激光焊接方式由于聚焦点小，热影响区也比较小，同时激光加工速度快，冷却速度也快，因此激光焊接引起的传动轴内应力和变形几乎可以忽略不计，相较于传统的焊接方式，激光焊接在对机械结构性能要求较高的传动轴裂纹焊接方面更具优势。但是受激光焊接原理限制，激光焊接不需要填料，因此激光焊接主要针对细窄浅缝进行焊接作业，如中国专利CN201210100188.8《钢板的激光焊接方法和激光焊接装置》采用激光焊接方法能够得到足够接合强度的钢板，该方法的前提是被焊接钢板端面彼此间对接平坦，在此基础上进行细窄浅缝的焊接，但是无法实现深宽缝的填料焊接。
工业实际应用中，在复杂负载工况下，剧烈的***扭振导致的传动轴裂纹、裂缝一般是深宽缝，由于大型传动轴制造加工周期长、精度要求高，因此相较于加工新的传动轴，对扭振产生的裂纹裂缝实现快速、高效修复成为首要选择。同时随着传动轴对宽深缝焊接精度以及焊接质量要求的不断提高，传统的焊接方式和细窄缝的激光焊接已经不能满足生产需求。因此，本方明通过结合3D打印技术、激光加工手段，充分利用激光焊接热影响区小、对传动轴内应力和变形几无影响的优势，高效地实现激光焊接在传动轴扭振宽深裂缝精密焊接领域中的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***及方法，克服现有技术中激光焊接仅对细窄缝具有焊接优势和传统的焊接方法对传动轴的热影响大的问题，实现因扭振导致损坏传动轴的高效二次利用。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，包括可进行激光扫描和激光焊接功能切换的激光加工模块、具有3D打印填充焊料功能的3D打印模块、实现对激光扫描、激光焊接及3D打印三种功能模式联合控制的控制模块、用于检测判断当前打印层及焊接层状态并向控制模块输出控制信号的判断检测模块、用于放置固定待加工传动轴的支撑平台及固定装置；
还包括通过判断检测模块受控制模块控制以驱使激光加工模块、3D打印模块工作的一号控制器、二号控制器。
进一步地，所述激光加工模块包括激光电源、激光器、激光头、用于驱动激光头的一号交流伺服电机组，所述一号交流伺服电机组受一号控制器控制。
进一步地，所述3D打印模块包括送丝机构、料盘、加工喷头、用于驱动加工喷头的二号交流伺服电机组，所述二号交流伺服电机组受二号控制器控制。
进一步地，所述支撑平台及固定装置包括共轴线分布以用于固定待加工传动轴的一号顶针、二号顶针。
进一步地，所述二号顶针沿轴线水平移动以实时调整两顶针之间的距离。
进一步地，所述支撑平台及固定装置上设有与二号顶针连接以使二号顶针水平移动的电动推缸。
一种应用于融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***的焊接方法，具体步骤如下：
(一)先将待加工传动轴上的扭振裂缝处理成倒梯形或倒三角形的标准焊接切口，并将其固定在支撑平台及固定装置上；
(二)利用激光加工模块中的激光扫描功能，对步骤(一)中处理后的标准焊缝进行三维尺寸扫描，通过控制模块将扫描得到的数据转化成三维数据模型文件，并对其进行层片化处理，对应保存每一层的模型数据和每一层的边界轮廓数据；
(三)通过3D打印模块以及二号控制器控制二号交流伺服电机组驱动加工喷头按照第一层的模型数据对焊缝进行打印填充焊料；
(四)通过判断检测模块判断是否打印完成第一层，若是，则停止3D打印模块，并利用激光加工模块中的激光焊接功能以及一号控制器控制一号交流伺服电机组驱动激光头按照打印层的边界轮廓数据对焊缝进行焊接；若否，则继续打印直至完成第一层为止；
(五)通过判断检测模块判断是否焊接完成第一层，若是，则停止激光加工模块，启动3D打印模块，通过二号控制器控制二号交流伺服电机组驱动加工喷头按照第二层的模型数据对焊缝进行打印填充焊料；若否，则继续焊接直至完成第一层的焊缝为止；
(六)重复步骤(三)至步骤(五)，直到最后一层激光焊接完成为止。
进一步地，所述步骤(二)中通过控制模块控制激光加工模块切换到激光扫描模式，并调整激光功率参数。
进一步地，所述步骤(四)中通过控制模块控制激光加工模块切换到激光焊接模式，并根据待加工传动轴的材料调整激光焊接的功率参数。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明的优点在于：该***基于传统填料方式对传动轴扭振产生的宽深裂缝进行焊接，该填料可以通过激光扫描和3D打印实现精密加工；其次，利用激光加工的特点，属于非接触式加工，加工时间短，冷却速度快，热影响区小，消除了宽深缝焊接后的二次加工问题，可实现扭振破坏轴的快速、高效修复，实现扭振破坏轴的二次利用；最后，该***可以实现两模块三功能的联合控制，通过模式切换和控制指令，完成三个功能的启动和停止，简化了***，提高控制效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明焊接***中的控制结构示意图。
图2为本发明中支撑平台及固定装置的结构示意图；
图3为本发明应用在传动轴扭振裂缝焊接情况下的实施过程简图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1所示，融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，包括激光加工模块、3D打印模块、待加工传动轴6、控制模块7、判断检测模块8、支撑平台及固定装置5、一号控制器11以及二号控制器12。
其中所述激光加工模块包括激光电源1、激光器2、激光头3、用于驱动激光头3的一号交流伺服电机组9，所述一号控制器11能够根据控制信号控制一号交流伺服电机组9；所述3D打印模块包括送丝机构13、料盘14、加工喷头4、用于驱动加工喷头4的二号交流伺服电机组10，所述二号控制器12能够根据控制信号控制二号交流伺服电机组10；所述一号控制器11、二号控制器12主要是用于控制一号交流伺服电机组9和二号交流伺服电机组10的启停位置、运动速度、运动路径等。
所述控制模块7包括了数据存储、激光扫描控制指令、激光焊接控制指令以及3D打印控制指令。
所述判断检测模块8主要用于对待加工传动轴6上的扭振裂缝的当前打印层机当前焊接层的状态进行检测，并根据检测到的打印及焊接状态指导控制模块7输出相应的控制信号。
所述激光加工模块可进行激光扫描和激光焊接两种功能的切换，基于激光加工模块和3D打印模块，所述控制模块7能够实现激光扫描、激光焊接以及3D打印的三种功能模式的联合控制。控制模块7可以先将激光加工模块切换至激光扫描模式，对待加工传动轴6上的扭振裂缝进行三维尺寸扫描，确定焊缝尺寸，通过控制模块7将焊缝尺寸转换成三维空间实体模型，然后，再将激光加工模块切换至激光焊接模式，并通过控制模块7控制激光焊接模式与3D打印模式交替工作，实现待加工传动轴6扭振裂缝的精确焊接修复。
如图2所示，所述支撑平台及固定装置5包括底座56、电动推缸51、一号顶针53、二号顶针52、一号侧板54、二号侧板55。所述电动推缸51水平固定在二号侧板55上且其伸缩轴与二号顶针52固定连接，所述一号顶针53固定在一号侧板54上，所述一号侧板54、二号侧板55左右对称焊接在底座56上，并且要求保证一号顶针53的轴线与二号顶针52的轴线处于同一条水平线上。
所述待加工传动轴6的两端加工有轴中心孔，一号顶针53与二号顶针52通过轴中心孔将待加工传动轴6固定在底座56上。
所述电动推缸51可根据待加工传动轴6的长度，实时调整二号顶针52与一号顶针53之间的距离，并且电动推缸51可施加一定的预紧力，使得二号顶针52与一号顶针53牢牢固定待加工传动轴6。
如图3所示，一种应用于融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***的焊接方法，具体步骤如下：
首先，先将待加工传动轴6上的扭振裂缝，通过机械加工或者激光切除加工处理成倒三角形或倒梯形的标准焊接切口，只要能够保证上层对下层的打印及焊接无阻挡干涉即可。
接着，将待加工传动轴6固定在支撑平台及固定装置5上，并将焊缝位置放置在加工区域内。具体地，将待加工传动轴6两端的轴中心孔与一号顶针53、二号顶针52对准后，通过电动推缸51施加一定的预紧力，使一号顶针53、二号顶针52将待加工传动轴6牢牢固定；在固定的过程中，要求保证待加工传动轴6上的扭振裂缝处于加工区域。
接着，控制模块7控制激光加工模块切换到激光扫描模式，调整激光功率参数，对待加工传动轴6上的焊缝进行三维尺寸扫描。
接着，控制模块7将扫描得到的数据转化成三维数据模型文件，同时对三维数据模型文件进行层片化处理，对应保存每一层的模型数据和每一层的边界轮廓数据。
接着，控制模块7控制激光加工模块切换到激光焊接模式，并根据待加工传动轴6的材料调整好激光焊接的参数。
接着，控制模块7启动3D打印模块，通过二号控制器12控制二号交流伺服电机组10驱动加工喷头4按照第一层的模型数据对焊缝进行打印填充焊料。通过判断检测模块8判断是否打印完成第一层，若是，则停止3D打印模块，启动激光加工模块，同时通过一号控制器11控制一号交流伺服电机组9驱动激光头3按照第一层的边界轮廓数据对焊缝进行焊接；若否，则继续打印直至完成第一层为止。通过判断检测模块8判断是否焊接完成第一层，若是，则此时状态如图3a所示，控制模块7控制激光加工模块停止，同时启动启动3D打印模块，通过二号控制器12控制二号交流伺服电机组10驱动加工喷头4按照第二层的模型数据进行对焊缝进行打印填充焊料；若否，则继续焊接直至完成第一层的焊缝为止。
通过判断检测模块8判断是否打印完成第二层，若是，则停止3D打印模块，启动激光加工模块，同时通过一号控制器11控制一号交流伺服电机组9驱动激光头3按照第二层的边界轮廓数据对焊缝进行焊接。通过判断检测模块8判断是否焊接完成第二层，若是，则此时状态如图3b所示，控制模块7控制激光加工模块停止，同时启动启动3D打印模块，通过二号控制器12控制二号交流伺服电机组10驱动加工喷头4按照第三层的模型数据进行对焊缝进行打印填充焊料；若否，则继续焊接直至完成第一层的焊缝为止。
重复上述步骤，直到最后一层激光焊接完成为止，此时状态如图3f所示。
最终完成待加工传动轴6的扭振裂缝的精密焊接。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：包括可进行激光扫描和激光焊接功能切换的激光加工模块、具有3D打印填充焊料功能的3D打印模块、实现对激光扫描、激光焊接及3D打印三种功能模式联合控制的控制模块(7)、用于检测判断当前打印层及焊接层状态并向控制模块(7)输出控制信号的判断检测模块(8)、用于放置固定待加工传动轴(6)的支撑平台及固定装置(5)；
还包括通过判断检测模块(8)受控制模块(7)控制以驱使激光加工模块、3D打印模块工作的一号控制器(11)、二号控制器(12)。
2.根据权利要求1所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：所述激光加工模块包括激光电源(1)、激光器(2)、激光头(3)、用于驱动激光头(3)的一号交流伺服电机组(9)，所述一号交流伺服电机组(9)受一号控制器(11)控制。
3.根据权利要求1所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：所述3D打印模块包括送丝机构(13)、料盘(14)、加工喷头(4)、用于驱动加工喷头(4)的二号交流伺服电机组(10)，所述二号交流伺服电机组(10)受二号控制器(12)控制。
4.根据权利要求1所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：所述支撑平台及固定装置(5)包括共轴线分布以用于固定待加工传动轴(6)的一号顶针(53)、二号顶针(52)。
5.根据权利要求4所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：所述二号顶针(52)沿轴线水平移动以实时调整两顶针之间的距离。
6.根据权利要求5所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***，其特征在于：所述支撑平台及固定装置(5)上设有与二号顶针(52)连接以使二号顶针(52)水平移动的电动推缸(51)。
7.一种应用于权利要求1至6任一项中所述的融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***的焊接方法，其特征在于：具体步骤如下：
(一)先将待加工传动轴(6)上的扭振裂缝处理成倒梯形或倒三角形的标准焊接切口，并将其固定在支撑平台及固定装置(5)上；
(二)利用激光加工模块中的激光扫描功能，对步骤(一)中处理后的标准焊缝进行三维尺寸扫描，通过控制模块(7)将扫描得到的数据转化成三维数据模型文件，并对其进行层片化处理，对应保存每一层的模型数据和每一层的边界轮廓数据；
(三)通过3D打印模块以及二号控制器(12)控制二号交流伺服电机组(10)驱动加工喷头(4)按照第一层的模型数据对焊缝进行打印填充焊料；
(四)通过判断检测模块(8)判断是否打印完成第一层，若是，则停止3D打印模块，并利用激光加工模块中的激光焊接功能以及一号控制器(11)控制一号交流伺服电机组(9)驱动激光头(3)按照打印层的边界轮廓数据对焊缝进行焊接；若否，则继续打印直至完成第一层为止；
(五)通过判断检测模块(8)判断是否焊接完成第一层，若是，则停止激光加工模块，启动3D打印模块，通过二号控制器(12)控制二号交流伺服电机组(10)驱动加工喷头(4)按照第二层的模型数据对焊缝进行打印填充焊料；若否，则继续焊接直至完成第一层的焊缝为止；
(六)重复步骤(三)至步骤(五)，直到最后一层激光焊接完成为止。
8.根据权利要求7所述的应用融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***的焊接方法，其特征在于：所述步骤(二)中通过控制模块(7)控制激光加工模块切换到激光扫描模式，并调整激光功率参数。
9.根据权利要求7所述的应用融合激光加工及3D打印的传动轴扭振裂缝焊接***的焊接方法，其特征在于：所述步骤(四)中通过控制模块(7)控制激光加工模块切换到激光焊接模式，并根据待加工传动轴(6)的材料调整激光焊接的功率参数。
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