УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ

Полезная модель относится к оборудованию для лазерной обработки материалов, а именно к устройствам, перемещения сфокусированного лазерного луча по двухмерной траектории, с дозатором для подачи порошка и сопла газопорошковой струи с целью увеличения зоны подачи порошка для улучшения равномерности, размеров и качества наплавленного слоя.
Из уровня техники известно устройство для фокусировки излучения для волоконного лазера (RU 2398665 от 10.09.2010).
Недостатком данного устройства является получение наплавленных слоев с шириной, ограниченной размером лазерного сфокусированного пятна, отсутствие возможности изменения энерговклада лазерного излучения, ширины наплавленного слоя, за счет отсутствия сканатора лазерного луча, дозирующего устройства порошка и сканатора сопла газопорошковой струи.
Задачей полезной модели является создание устройства газопорошковой лазерной наплавки, позволяющего осуществлять:
- дозированную подачу порошкового материала,
- перемещение сфокусированного лазерного луча с частотой 50-250 Гц по изменяемой траектории фигур Лиссажу с регулируемой амплитудой для оптимизации энерговклада,
- перемещать сопло газопорошковой струи с частотой от 1 до 100 Гц, с регулируемой амплитудой, что позволяет изменять распределение порошка по траектории сканирования лазерного луча для получения равномерного наплавленного слоя.
Технический результат, на который направлена полезная модель, заключается в увеличении производительности газопорошковой лазерной наплавки за счет универсального блока лазерной наплавки, который содержит сканатор лазерного луча, дозирующее устройство порошка и сканатор сопла газопорошковой струи, телескопическое сопло, систему сопряжения и фокусирования.
Сканатор сфокусированного лазерного луча содержит корпус, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов, закрепленный в корпусе резьбовым кольцом резонансный элемент, с помощью которого осуществляется сканирование зеркала с амплитудой равной ширине наплавляемого слоя, с изменяемой частотой и траекторией сканирования. Зеркало закреплено в оправке с сердечником в центре резонансного элемента гайкой.
Дозирующее устройство порошка содержит корпус, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов, закрепленный в корпусе резьбовым кольцом резонансный элемент, с помощью которого осуществляется колебание дозирующего патрубка с амплитудой и частотой, необходимой для дозирования порошка. Патрубок закреплен в центре резонансного элемента гайкой, при этом верхняя часть патрубка находится в бункере с порошковым материалом.
Сканатор сопла газопорошковой струи содержит корпус, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов, закрепленный в корпусе резьбовым кольцом резонансный элемент, с помощью которого осуществляется сканирование сопла с амплитудой равной ширине наплавляемого слоя. Сопло закреплено в центре резонансного элемента гайкой, при этом верхняя часть сопла имеет штуцер для подвода газопорошковой струи от дозатора порошка.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг, 1 показан общий вид блока газопорошковой лазерной наплавки.
Устройство состоит из основания 1, на котором фиксируются сканатор лазерного луча А, дозирующее устройство порошка В, сканатор сопла газопорошковой струи С, телескопическое коаксиальное сопло D, систему сопряжения и фокусирования F.
Сканатор лазерного луча А состоит из корпуса 2, закрепленного на основании 1, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов 3, резонансного элемента 4, закрепленного в корпусе 2 резьбовым кольцом 5, сердечник 6, который закреплен в центре резонансного элемента 4 гайкой 7. На сердечнике 6 закреплена охлаждающая оправка с зеркалом 8. Сканатор закреплен под углом 45 градусов относительно оптической оси входящего лазерного луча для поворота его на 90 градусов.
Сканатор лазерного луча работает следующим образом: при подаче периодического напряжения на катушки электромагнитов 3, возникает переменное магнитное поле, которое приводит сердечник 6, через резонансный элемент 4 в колебательное движение и осуществляется сканирование зеркала 8 с амплитудой равной ширине наплавляемого слоя, необходимой частотой и траекторией. Для охлаждения оправки с зеркалом 8 в сердечник через входы 6А и 6В подается охлаждающая жидкость.
Дозирующее устройство порошка В состоит из корпуса 9, закрепленного на основании 1, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов 10, резонансного элемента 11, закрепленного в корпусе 9 бункером 12, дозирующего патрубка 13, которое закреплено в центре резонансного элемента 11 гайкой 14. Бункер 12 имеет сверху загрузочную горловину 15 с крышкой 16, а также штуцер 17 для подвода подпирающего газа.
Дозирующее устройство порошка работает следующим образом: порошковый материал загружается в бункер 12 через загрузочную горловину 15. При подаче периодического напряжения на катушки электромагнитов 10, возникает переменное магнитное поле, которое приводит дозирующий патрубок 13, через резонансный элемент 11 в колебательное движение и осуществляется дозирование порошкового материала. Вибрация резонансного элемента 11 проводит порошковый материал в бункере 12 в подвешенное состояние, при котором невозможно его комкование и слипание.
Сканатор сопла газопорошковой струи С состоит из корпуса 18, закрепленного на основании 1, в который встроена система расположенных по кругу электромагнитов 19, резонансного элемента 20, закрепленного в корпусе 18 резьбовым кольцом 21, сопла 22, которое закреплено в центре резонансного элемента 20 гайкой 23. Верхняя часть сопла 22 имеет штуцер 24 для подвода газопорошковой струи от дозатора порошка через эластичное соединение, имеющее штуцер 26 для подвода транспортирующего газа.
Сканатор сопла газопорошковой струи работает следующим образом: при подаче периодического напряжения на катушки электромагнитов 18, возникает переменное магнитное поле, которое приводит сопло 22 через резонансный элемент 20 в колебательное движение и осуществляется сканирование сопла с амплитудой равной ширине наплавляемого слоя и по траектории сканирования лазерного луча.
При подаче газопорошковой смеси без сканирования, на выходе из сопла распределение частиц порошка происходит по закону Гаусса, т.е. максимальное число частиц порошка находится в центре струи и по краям струи количество частиц минимально. Следовательно, что при наплавке широких слоев форма наплавленного валика будет приближена к дуге с максимумом в центре слоя и минимумом по краям.
При сканировании сопла с амплитудой равной ширине наплавляемого слоя и по траектории сканирования лазерного луча происходит равномерное внесение частиц порошка по траектории сканирования. Следовательно, форма наплавленного слоя будет приближена к прямоугольнику, что значительно сократит количество проходов при наплавке широких слоев.
Для расширения технологических возможностей газопорошковой наплавки, на основании устройства 1 также установлено коаксиальное телескопическое сопло D, содержащее внешнее сопло 27 со штуцером 28, с внутренним направляющим соплом 29 и внешней обоймой 30, имеющей штуцер 31 для подвода защитного газа и закрепленной на основании 1 через кольцо 32.
Коаксиальное телескопическое сопло работает следующим образом: при подаче газопорошковой струи от дозирующего устройства от штуцера 26 через транспортирующий тракт на штуцер 28, газопорошковая смесь проходит между внешним соплом 27 и внутренним соплом 29, формируя конусный факел газопорошковой струи на выходе из сопла. Внешнее сопло 27 имеет возможность перемещения относительно внешней обоймы 30, что необходимо для точной настройки и совмещения фокуса факела газопорошковой струи и фокуса лазерного луча. Для защиты оптического тракта от продуктов горения и охлаждения телескопического сопла, через штуцер 31 подается защитный газ.
Для подвода к устройству лазерного излучения на основание 1 установлена система сопряжения и фокусирования F, содержащая обойму сопряжения 33 с внутренним фокусатором 34, регулировочным резьбовым кольцом 35, приводом 36, установленную на основании 1 через призму 37.
Система сопряжения и фокусирования работает следующим образом: для использования устройства газопорошковой лазерной наплавки с применением волоконного лазера в обойму сопряжение 33 через коннектор закрепляется выходной узел оптоволоконного кабеля волоконного лазера с коллиматором. Внутренний фокусатор 34 имеет фокусирующую линзу и через регулировочное резьбовое кольцо 35 с помощью привода 36 имеет возможность перемещения относительно обоймы сопряжения 33 для регулировки фокусного расстояния и коррекции фокуса в зоне обработки, что необходимо из-за нагрева оптики и изменения фокусного расстояния.
2
Для использования устройства газопорошковой лазерной наплавки с применением CO лазера, лазерное излучение направляется непосредственно в обойму сопряжения 33 и попадает на фокусирующую линзу.
Использование устройства газопорошковой лазерной наплавки позволит увеличить производительность газопорошковой лазерной наплавки, получить необходимые расход и распределение порошка по траектории сканирования лазерного излучения, регулировать форму и геометрические размеры наплавленного слоя.