專利名稱：一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在激光加工設(shè)備中用于隔離空氣、創(chuàng) 造真空環(huán)境或者保護(hù)氣環(huán)境、保證被加工零件加工質(zhì)量的真空箱系 統(tǒng)，特別是涉及一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光是二十世紀(jì)自然科學(xué)的重大發(fā)明之一。自從1960 年世界上第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)，在近五十年里，激光科學(xué)技術(shù)以其 獨(dú)有的特性和強(qiáng)大的生命力在國(guó)防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、日常 生活等幾乎所有領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
激光的優(yōu)異特性使激光加工具備了其他加工方法不具備的優(yōu)異 特點(diǎn)-
1) 無(wú)接觸加工，而且高能激光束的能量和移動(dòng)速度均可 調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)多種加工目的；
2) 可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的多種金屬、非金屬 材料；
3) 無(wú)"切削力"作用在工件上，"刀具"無(wú)磨損；
4) 局部加工。由于激光束能量密度較高、加工速度快、對(duì) 非激光照射部分沒(méi)有影響或影響極小，其熱影響區(qū)小、工件 熱變形小、后續(xù)加工量小；
5) 可以通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密封容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工；
6) 加工方法極為靈活，與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合后可對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工；
7) 生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。 目前，激光加工的類型與應(yīng)用主要包括激光表面工程、激光材 料去除、激光材料連接、激光原型制造等等。然而，有很多金屬材料 都無(wú)法在無(wú)保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行激光加工。例如，用激光焊接鈦合金，鈦 合金是一種非?；顫姷慕饘俨牧?，由于表面形成致密的氧化膜，使其 在常溫下非常穩(wěn)定。但是在高溫下，鈦合金則有強(qiáng)烈的吸氫、氧、氮 的能力空氣中鈦合金在250。C開(kāi)始吸氫，50(TC開(kāi)始吸氧，600。C開(kāi) 始吸氮。隨著溫度提高，鈦合金吸收氣體的能力更強(qiáng)，最終致使鈦合 金焊縫質(zhì)量下降以至無(wú)法應(yīng)用。因此要求鈦合金的激光焊接必須在充 分保護(hù)氣狀態(tài)或者真空狀態(tài)下進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述眾多金屬材料無(wú)法在無(wú)保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行
激光加工的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，可以 實(shí)現(xiàn)在真空環(huán)境下或者保護(hù)氣環(huán)境下進(jìn)行三維空間內(nèi)的激光加工操 作。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種用于激光加工 的真空箱系統(tǒng)，主要包括保護(hù)氣系統(tǒng)、真空室、真空獲得系統(tǒng)、冷卻 系統(tǒng)、三維工作臺(tái)、送粉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。三維工 作臺(tái)固定于真空室內(nèi)，保護(hù)氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和真空獲得系統(tǒng)通過(guò)軟 管與真空室連接。冷卻系統(tǒng)通過(guò)軟管與真空室和真空獲得系統(tǒng)連接。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)通過(guò)電線與真空室、三維工作臺(tái)、送粉系 統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果為
1. 本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)在小于2X10^Pa的真空環(huán)境下 進(jìn)行三維空間內(nèi)的激光加工操作，而且可以實(shí)現(xiàn)在l個(gè)大氣 壓保護(hù)氣環(huán)境下進(jìn)行三維空間內(nèi)的激光加工操作。
2. 本發(fā)明采用硒化鋅透鏡作為激光窗口及聚焦透鏡， 激光吸收率低、可透過(guò)可見(jiàn)光、使用壽命較長(zhǎng)。
3. 本發(fā)明采用旋片式機(jī)械真空泵與高真空油擴(kuò)散泵組 合方式建立起真空獲得系統(tǒng)進(jìn)行抽真空操作，工作真空度提 高、抽真空效率提高，有利于提高激光加工效率和質(zhì)量。
4. 本發(fā)明采用真空傳感器和電觸點(diǎn)壓力表兩種方式讀 取真空箱內(nèi)的真空度，既方便了操作者在不同角度的觀察， 又使真空度讀數(shù)的可靠性進(jìn)一步提高，有利于保證激光加工 質(zhì)量。
5. 本發(fā)明采用PCI-1240運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)三維工作臺(tái)進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)控制和I/O操作，軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、抗 干擾能力強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。
本發(fā)明采用手動(dòng)控制抽真空和充保護(hù)氣過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，安全可


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為真空室的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為真空室中充氣口和抽氣口的位置示意圖。圖4為透鏡窗口組件結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為同軸送粉嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為真空室內(nèi)三維工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示 一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，主要包括保護(hù)氣 系統(tǒng)、真空室15、真空獲得系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)9、三維工作臺(tái)14、送 粉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)19和電控系統(tǒng)。真空室15固定在底座11 上。三維工作臺(tái)14固定于真空室15內(nèi)。透鏡窗口組件13固定在真 空室15的上端。保護(hù)氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和真空獲得系統(tǒng)通過(guò)軟管與 真空室15連接。冷卻系統(tǒng)9通過(guò)軟管與真空室15和真空獲得系統(tǒng)連 接。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)19和電控系統(tǒng)通過(guò)電線與真空室、三維工作臺(tái)、 送粉系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)連接。電控系統(tǒng)包括電觸點(diǎn)壓力表16和微 機(jī)型數(shù)顯復(fù)合真空計(jì)1。送粉系統(tǒng)包括通過(guò)軟管連接的同軸送粉嘴12 和同軸送粉器10，同軸送粉嘴12安裝到真空室15內(nèi)透鏡安裝法蘭 26的下部。保護(hù)氣系統(tǒng)包括保護(hù)氣儲(chǔ)氣瓶8和隔膜閥2。保護(hù)氣儲(chǔ)氣 瓶8通過(guò)軟管和隔膜閥2與真空室15連接。真空獲得系統(tǒng)主要包括 80初抽氣擋閥3、高真空油擴(kuò)散泵4、 80氣擋閥5、電磁壓差閥6、 旋片式機(jī)械泵7、 300氣擋主閥17和真空規(guī)管18。微機(jī)型數(shù)顯復(fù)合 真空計(jì)1與真空規(guī)管18連接。300氣擋主閥17通過(guò)螺栓與真空室15 的抽氣口 34相連接，并用O型密封圈密封。在300氣擋主閥17的 頂部裝有電觸點(diǎn)壓力表16和真空規(guī)管18。 300氣擋主閥17的下方通 過(guò)螺栓連接的是高真空油擴(kuò)散泵4，并用0型密封圈密封。80初抽氣擋閥3通過(guò)連接桶與300氣擋主閥17連接，80初抽氣擋閥3的下 方通過(guò)三通和電磁壓差閥6連接的是旋片式機(jī)械泵7，而且為了減小 旋片式機(jī)械泵7的震動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，在旋片式機(jī)械泵7與三通 之間用波紋管連接。旋片式機(jī)械泵7要用地腳螺栓固定。三通的另一 側(cè)連接的是80氣擋閥5， 80氣擋閥5通過(guò)連接桶與高真空油擴(kuò)散泵 4連接。
如圖2所示所述真空室15包括壓緊手輪20、接線柱21、箱 體22、工作臺(tái)冷卻水入口23、送粉嘴冷卻水入口24、進(jìn)粉口A25、 透鏡窗口安裝法蘭26、工作臺(tái)安裝座27、送粉口B28、送粉嘴冷卻 水出口 29、工作臺(tái)冷卻水出口 30、門(mén)31、觀察窗32、充氣口 33、 抽氣口 34。壓緊手輪20處于門(mén)31的上端。觀察窗32設(shè)置在門(mén)31 上。接線柱21和工作臺(tái)安裝座27處于真空室15內(nèi)。工作臺(tái)安裝座 27用于固定三維工作臺(tái)14。透鏡窗口安裝法蘭26處于箱體22的上 端，其兩側(cè)設(shè)置六個(gè)孔，分別為工作臺(tái)冷卻水入口 23、送粉嘴冷卻 水入口24、進(jìn)粉口A25、送粉口B28、送粉嘴冷卻水出口 29和工作 臺(tái)冷卻水出口30。工作臺(tái)冷卻水入口23、送粉嘴冷卻水入口24、送 粉嘴冷卻水出口 29和工作臺(tái)冷卻水出口 30通過(guò)軟管與冷卻系統(tǒng)9連 接。進(jìn)粉口 A25和送粉口B28與送粉系統(tǒng)連接。
如圖3所示，真空室15的外壁設(shè)有與保護(hù)氣系統(tǒng)相連的充氣口 33和與真空獲得系統(tǒng)相連的抽氣口 34。
如圖4所示，透鏡窗口組件13包括壓緊上蓋35、透鏡壓緊環(huán)上 36、透鏡37、透鏡環(huán)38、透鏡壓緊環(huán)下39、壓緊下蓋40和六個(gè)不同形狀、尺寸的橡膠密封圈。透鏡37固定在透鏡環(huán)38內(nèi)，透鏡環(huán) 38的四周通過(guò)壓緊上蓋35、透鏡壓緊環(huán)上36、透鏡壓緊環(huán)下39和 壓緊下蓋40壓緊。透鏡窗口組件13安裝在透鏡窗口安裝法蘭26內(nèi)。 其中透鏡環(huán)38上加工一個(gè)冷卻水進(jìn)口和一個(gè)冷卻水出口。工作的時(shí) 候，激光束穿過(guò)透鏡進(jìn)入真空室15內(nèi)。
如圖5所示，同軸送粉嘴12包括連接筒上41、連接筒中42、連 接筒下43、送粉嘴中環(huán)44、送粉嘴內(nèi)環(huán)45、銅密封環(huán)46、送粉嘴外 環(huán)47。連接筒上41、連接筒中42和連接筒下43從上到下依次連接。 送粉嘴中環(huán)44和送粉嘴內(nèi)環(huán)45處于連接筒下43的下端。送粉嘴內(nèi) 環(huán)45處于送粉嘴外環(huán)47內(nèi)。銅密封環(huán)46處于送粉嘴中環(huán)44和送粉 嘴外環(huán)47之間。
如圖6所示，三維工作臺(tái)14選擇PCI-1240運(yùn)動(dòng)控制卡集成控制， 選用GD2S57HB76C步進(jìn)電機(jī)和JQF504驅(qū)動(dòng)器。傳動(dòng)方式采用昆山 16X5mm滾珠絲杠和直徑為16mm的圓柱導(dǎo)軌，X、 Y軸的機(jī)械精度 為0.02mm 0.03mm工作臺(tái)的最大運(yùn)行空間為600mmX600mmX 500mm。
工作原理將被加工零件基體放置在三維工作臺(tái)14的臺(tái)面上， 調(diào)好激光準(zhǔn)直。關(guān)上真空室15箱體兩門(mén)，并用手輪20壓緊。開(kāi)始抽 真空，首先開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)9冷卻，關(guān)閉80氣擋閥5和300氣擋主閥 17，打開(kāi)80初抽氣擋閥3，幵啟旋片式機(jī)械泵7，開(kāi)始抽低真空，當(dāng) 電觸點(diǎn)壓力表16指針接近-0.1時(shí)，打開(kāi)微機(jī)型數(shù)顯復(fù)合真空計(jì)1，當(dāng) 真空室內(nèi)的氣壓抽到1Pa左右，關(guān)閉80初抽氣擋閥3，打開(kāi)80氣擋閥5和300氣擋主閥17，啟動(dòng)高真空油擴(kuò)散泵4，開(kāi)始抽高真空，當(dāng) 真空室內(nèi)氣壓達(dá)到2X10々Pa時(shí)，關(guān)閉300氣擋主閥17，打開(kāi)隔膜閥 2和保護(hù)氣儲(chǔ)氣瓶8向真空室15內(nèi)充保護(hù)氣。當(dāng)電觸點(diǎn)壓力表16指 針接近-0.02時(shí)，關(guān)閉隔膜閥2和保護(hù)氣儲(chǔ)氣瓶8停止充氣。開(kāi)啟激 光器，通過(guò)光路將激光引進(jìn)真空室15，此時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 19事先編制好的程序，啟動(dòng)三維工作臺(tái)14，同時(shí)啟動(dòng)同軸送粉器10， 開(kāi)始加工，直至加工結(jié)束。 本發(fā)明技術(shù)指標(biāo)參考
1. 真空箱內(nèi)三維工作臺(tái)行程200mmX200mmX 100mm。
2. 極限真空度1.3Xl(T3Pa。
3. 由l大氣壓抽到極限真空度時(shí)間<10分鐘。
4. 真空系統(tǒng)壓升率《0.5PaL/S。
權(quán)利要求
1、一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，其特征在于主要包括保護(hù)氣系統(tǒng)、真空室、真空獲得系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、三維工作臺(tái)、送粉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)；三維工作臺(tái)固定于真空室內(nèi)，保護(hù)氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和真空獲得系統(tǒng)通過(guò)軟管與真空室連接，冷卻系統(tǒng)通過(guò)軟管與真空室和真空獲得系統(tǒng)連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)通過(guò)電線與真空室、三維工作臺(tái)、送粉系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，其特征 在于所述的真空室包括壓緊手輪、接線柱、箱體、工作臺(tái)冷卻水入口、送粉嘴冷卻水入口、進(jìn)粉口A、透鏡窗口安裝法蘭、工作臺(tái)安裝座、送 粉口B、送粉嘴冷卻水出口、工作臺(tái)冷卻水出口、門(mén)、觀察窗、充氣口和抽氣口，壓緊手輪處于門(mén)的上端，觀察窗設(shè)置在門(mén)上，接線柱和工作 臺(tái)安裝座處于真空室內(nèi)，透鏡窗口安裝法蘭處于箱體的上端，其兩側(cè)設(shè)置六個(gè)孔，分別為工作臺(tái)冷卻水入口、送粉嘴冷卻水入口、進(jìn)粉口A、 送粉口B、送粉嘴冷卻水出口和工作臺(tái)冷卻水出口；工作臺(tái)冷卻水入口、送粉嘴冷卻水入口、送粉嘴冷卻水出口和工作臺(tái)冷卻水出口通過(guò)軟管與冷卻系統(tǒng)連接；進(jìn)粉口A和送粉口B與送粉系統(tǒng)連接。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，其特征 在于所述的保護(hù)氣系統(tǒng)包括保護(hù)氣儲(chǔ)氣瓶和隔膜閥；保護(hù)氣儲(chǔ)氣瓶通 過(guò)軟管和隔膜閥與真空室連接。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，其特征 在于所述的真空獲得系統(tǒng)主要包括80初抽氣擋閥、高真空油擴(kuò)散泵、80氣擋閥、電磁壓差閥、旋片式機(jī)械泵、300氣擋主閥和真空規(guī)管；真 空規(guī)管與微機(jī)型數(shù)顯復(fù)合真空計(jì)連接；300氣擋主閥通過(guò)螺栓與真空室 的抽氣口相連接，并用O型密封圈密封；在300氣擋主閥17的頂部裝 有電觸點(diǎn)壓力表和真空規(guī)管；300氣擋主閥的下方通過(guò)螺栓連接的是高 真空油擴(kuò)散泵，并用O型密封圈密封；80初抽氣擋閥通過(guò)連接桶與300 氣擋主閥連接，80初抽氣擋閥的下方通過(guò)三通和電磁壓差閥連接的是旋 片式機(jī)械泵；旋片式機(jī)械泵用地腳螺栓固定，三通的另一側(cè)連接的是80 氣擋閥，80氣擋闊通過(guò)連接桶與高真空油擴(kuò)散泵連接。
5、如權(quán)利要求1所述的一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，其特征 在于所述的送粉系統(tǒng)包括通過(guò)軟管連接的同軸送粉嘴和同軸送粉器， 同軸送粉嘴安裝到真空室內(nèi)透鏡安裝法蘭的下部。
全文摘要
一種用于激光加工的真空箱系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括保護(hù)氣系統(tǒng)、真空室、真空獲得系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、三維工作臺(tái)、送粉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。三維工作臺(tái)固定于真空室內(nèi)，保護(hù)氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和真空獲得系統(tǒng)通過(guò)軟管與真空室連接，冷卻系統(tǒng)通過(guò)軟管與真空室和真空獲得系統(tǒng)連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)通過(guò)電線與真空室、送粉系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)連接。本發(fā)明采用手動(dòng)控制抽真空和充保護(hù)氣過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，安全可靠，可以實(shí)現(xiàn)在真空環(huán)境下或者保護(hù)氣環(huán)境下進(jìn)行三維空間內(nèi)的激光加工操作。
文檔編號(hào)B23K26/42GK101549438SQ20091001157
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者明 佟, 尚曉峰, 光 楊, 維 王, 王興良, 欽蘭云 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院