СОПЛО СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ

Настоящее техническое решение относится к области технологических процессов в металлообработке.
Из существующего уровня техники известен Патент на изобретение RU 2533187 C2, опубл. 20.11.2014, в котором описано сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, выбранное в качестве прототипа, содержащее центральный канал, проходящий вдоль длинной оси сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена, по существу, цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла, по существу, конически, причем предусмотрены, по меньшей мере, две канавки подвода жидкости и, по меньшей мере, две канавки отвода жидкости, которые продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла по направлению к концу сопла, причем, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна дополнительная канавка, сообщающаяся там, по меньшей мере, с одной канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной канавкой отвода жидкости.
Недостатками данного технического решения являются в первую очередь использование активной схемы охлаждения реализующейся в подводе охлаждаемой жидкости, необходимости выполнения сложных токарно-фрезерных работ и как следствие увеличение массы как сопла, так и всей системы обработки поверхности в целом. Также, ввиду неполного спекания порошка в месте наплавки, а также его разлета в струе газа при встрече с поверхностью для наплавки, частицы летят обратно на сопло и прилипают к поверхности. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение площади поверхности рассеяния тепла и увеличение нагрева. При режимах с высокой интенсивностью наплавки сопла подвержены термической деформации и эрозии.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является снижение спекания распыленного наплавляемого порошка на поверхности внешней части сопла.
Решаемая задача в сопле системы лазерной наплавки, состоящим из наружной и внутренней части, внешняя часть которого выполнена в виде тороидальной части с резьбой, полого цилиндра, и полого усеченного конуса, сужающегося по направлению к концу сопла, выполненные как единое целое, достигается тем, что на наружной поверхности полого усеченного конуса выполнены продольные пазы симметрично центральной оси сопла в каждом из которых закреплены по одной тепловой трубке соответственно.
Тепловые трубки используются заводского изготовления с использованием ртути или натрия в качестве хладагента. Диаметр трубок варьируется в зависимости от толщины и длинны конической части сопла.
Сопло может состоять из меди или других металлов с высокой теплопроводностью.
Заявленная задача решается за счет того, что заявленное решение снижает температуру сопла в части ближайшей к месту спекания.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение температуры.
На Чертеже представлено сопло системы лазерной наплавки состоящее из двух частей: внутренней 1 и внешней 2. Внутренняя часть имеет резьбу 3, а внешняя резьбу 4 для крепления к системе лазерной наплавки. Тело внешней части состоит из полого цилиндра 5, полого усеченного конуса 6, сужающегося к нижней части. На поверхности полого усеченного конуса 6 концентрично центральной оси конуса 2 выполнены продольные пазы в каждом из которых размещено по одной тепловой трубке 7 соответственно. Узкая часть полого усеченного конуса продолжает широкая часть усеченного полого конуса 8. Таким образом, между 1 и 2 образуется область, при этом толщина ее в месте окончания полого конуса 8 и внутренней части 1 может составлять от 0,1 мм до 1 мм в зависимости используемого порошка и задается при изготовлении сопла путем изменения угла наклона поверхности усеченного полого конуса 8 к центральной оси внешней части 2.
3
Рассмотрим сопло системы лазерной наплавки в работе. Внешняя часть сопла 2 при помощи резьбы 4 крепится к основной части лазерной системы лазерной наплавки. Концентрично через все сопло лазерный луч подается в торец широкой части сопла 2, а в промежуток между внутренней частью сопла 1 и внешней 2 подается смесь транспортного газа и порошка для наплавки. Порошок с газом, равномерно распределяясь выходит через зазор между внешней 8 и внутренней 1 части сопла и фокусируется на поверхности где необходима наплавка. Лазерный луч проходя сквозь сопло попадает на сфокусированный пучок порошка с газом и происходит наплавка. В результате этого процесса усеченный конус 8 нагревается от 400 до 700°C в зависимости от количества поданной энергии. Однако ввиду наличия тепловых трубок 7, происходит перенос тепловой энергии из малого усеченного конуса 8 в широкую часть усеченного конуса 6. Техническое решение в виде применения тепловых трубок 7 направлено на перенос тепловой энергии в широкую часть усеченного конуса 6, где площадь поверхности рассеяния гораздо больше. Скорость и мощность теплопередачи до 10 раз превышает характеристики медного тела аналогичных размеров [с. 105, 1].
Изготовленное техническое решение было опробовано с применением 12 тепловых трубок. Сравнивая температуры в областях 8 и 5 было выявлено снижение температур с 500°C (без тепловых трубок) в нижней части конуса и 100°C в верхней части сопла до 300°C (с тепловыми трубками) и 150°C соответственно. В результате снижения температуры практически полностью было остановлено наплавление порошка на усеченных конусах 8 и 6. В ходе эксперимента использовались тепловые трубки с наружным диаметром 2 мм, длинной 30 мм с применением ртути в качестве хладагента.
Представленное техническое решение было рассчитано и изготовлено в рамках исполнения Государственного контракта №14.Z.50.31.0023 от 04.03.2014.
1. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2, / пер. с англ. под ред. Мартыненко О.Г., - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.