Лазерная головка для сварки внутренних кольцевых швов изделий

Полезная модель относится к отрасли машиностроения, в частности к сварочному оборудованию, позволяющему выполнить соединение тонкостенных деталей с корпусными конструкциями (выполнение внутренних кольцевых швов) в труднодоступных местах, при изготовлении изделий судового машиностроения (теплообменных аппаратов, герметичных узлов насосов и пр.).
Известны серийно выпускаемые лазерные головки YW52, YW30 фирмы Precitec [1]; PDT, PDT-B фирмы HIGHYAG [2]; FLW D30, FLW D50 фирмы IPG Photonics [3]. Данные головки могут быть использованы при неповоротной сварке внутренних кольцевых швов при диаметре от 400 мм и более, как по образующей (в угловом исполнении), так и торцевых (в прямом исполнении). Серийно выпускаемые головки не имеют такой характеристики как «глубина досягаемости». Глубина досягаемости определяется параметрами средств доставки, на которые устанавливается головка Для глубины досягаемости до нескольких метров их необходимо устанавливать на манипуляторы консольного типа. Регулировка выноса точки фокусировки у серийно выпускаемых головок±5 мм. Серийно выпускаемые головки в процессе сварки неподвижны, а обрабатываемое изделие устанавливается на вращатели. Существует множество изделий, которые невозможно установить на вращатели в силу различных причин.
Известна установка для лазерной обработки внутренней поверхности изделия [4], которая содержит оптическую систему, систему визуального наблюдения за процессом обработки, устройство подачи проволоки, устройство подачи технологического газа, устройство удаления продуктов испарения из зоны обработки. Оптическая система включает, размещенные в стойке и штанге, зеркала, линзу и отклоняющий оптический элемент. Отклоняющий оптический элемент установлен на выходной части штанги в головке, состоящей из корпуса со светоизлучающими элементами и сопла со штуцером подачи газа и светонаправляющими отверстиями, оси которых направлены в зону обработки, и защитное стекло, размещенное в головке под отклоняющим оптическим элементом и светоизлучающими элементами. Технический результат заключается в эффективной очистке защитного стекла за счет увеличения напорного давления потока газа и направленного воздействия его на защитное стекло, в возможности получения более однородной структуры наплавленного валика на внутренней поверхности изделия за счет многоструйной подачи технологического газа в зону обработки. Основным недостатком полезной модели является тот факт, что она не может быть использована для сварки неповоротных стыков.
Наиболее близким техническим решением является головка для обработки внутренней поверхности труб Nutech GmbH [5]. Головка предназначена для работы с твердотельными лазерными источниками мощностью до 6 кВт. Имеет в своем составе несущий корпус, оптическую систему, устройство подачи защитного газа. В зависимости от качества излучения, обработка может производится внутри труб диаметром от 50 мм на глубине до 2000 мм. Оптическая головка опционально может быть оснащена пирометром и камерой. Основным недостатком головки является то, что данная головка не используется для сварки неповоротных стыков, обрабатываемое изделие необходимо устанавливать на вращатель; в данной головке нет регулировки выноса точки фокусировки.
Техническая задача, которая решается заявляемой полезной моделью - создание удобной в эксплуатации лазерной головки для сварки внутренних кольцевых швов в труднодоступных местах (в том числе неповоротных стыков), обеспечивающей улучшенное качество обработки изделия за счет защиты сварного шва от окисления и предотвращения загрязнения защитного стекла от продуктов испарения из зоны сварки, а также наблюдение за процессом обработки.
Технический результат, который достигается предлагаемым техническим решением - возможность осуществлять сварку неповоротных стыков изделий сложной конфигурации за счет наличия узла вращения лазерного излучения по круговой траектории в зоне обработки; возможность обработки изделий различных габаритов за счет конструкции головки и возможности выноса точки фокусировки; эффективное предотвращение загрязнения защитного стекла за счет кольцевого воздушного ножа.
Для достижения указанного технического результата полезная модель головки сконструирована таким образом, что обеспечивает минимальный диаметр выполнения внутренних кольцевых швов - не более 150 мм и глубину досягаемости не менее 1000 мм. При конструировании головки в качестве основы использован модульный принцип построения, это обеспечивает следующие преимущества: возможность модернизировать отдельные элементы и узлы по мере необходимости, возможность изменять комплектацию головки. Таким образом, разработанная лазерная головка представляет собой конструкцию, состоящую из различных узлов, каждый из которых выполняет определенную функцию. Все узлы различным образом закреплены на корпусе головки.
Основные составные части головки:
1. линейный узел, предназначенный для настройки положения точки фокусировки, необходимого для конкретной поставленной задачи;
2. узел вращения лазерного излучения по круговой траектории в зоне обработки, предназначенный для изменения направления распространения излучения на 90°, и «развертки» по круговой траектории в зоне обработки;
3. воздушный нож - узел для удаления продуктов, образующихся в процессе сварки, и предохранения оптических элементов от загрязнений;
4. видоискатель, предназначенный для предварительной настройки положения точки фокусировки лазерного излучения в зоне обработки и наблюдения за процессом сварки;
5. корпус, который является основным конструкционным элементом головки, на котором крепятся все перечисленные узлы и компоненты.
В полезной модели диапазон регулировки выноса фокуса увеличен до 250 мм (по сравнению с серийно выпускаемыми головками) за счет того, что линзовый блок установлен на линейную направляющую, длиной 300 мм. Также, в комплектации головки подразумевается наличие линз с различными фокусными расстояниями (~200 мм, 350 мм, 700 мм). Получается, что за счет широкого диапазона регулировки положения точки фокусировки и наличия в комплекте линз с разными фокусными расстояниями, разрабатываемая лазерная сварочная головка может обрабатывать изделия в широком размерном диапазоне (от 150 мм до 1100 мм, причем верхняя граница определяется ассортиментом фокусирующих линз в комплекте головки).
Разработанный узел вращения лазерного излучения по круговой траектории в зоне обработки и похожие конструкции не встречаются ни в одной серийно выпускаемой головке. Обычно перемещение точки сварки по окружности осуществляется за счет установки изделий на различные вращатели или за счет вращения головки вокруг своей оси. Но не все изделия можно обрабатывать этими двумя способами (из-за сложности конструкций, большого веса и габаритов изделия). Лазерная головка помещается внутрь изделия, само изделие в процессе сварки остается неподвижным.
В воздушный нож, установленный на корпусе, под давлением подается сжатый воздух для того, чтобы исключить загрязнение оптических элементов продуктами, которые образуются в процессе сварки. Также, при необходимости в конкретных задачах в воздушный нож подается защитный газ. Нож имеет кольцевую форму для его эффективного использования при сварке кольцевых швов.
Перед началом сварки необходимо предварительно настроить положение точки фокусировки в зоне обработки. Для этого в видоискателе предусмотрена видеокамера и вариообъектив. Излучение проходит через две светоделительные пластины, которые расположены таким образом, чтобы скомпенсировать смещение оптической оси. С помощью светоделительной пластины, зеркала и вариообъектива изображение из зоны обработки формируется на матрице видеокамеры. Также с помощью данного узла возможно осуществить процесс наблюдения за процессом обработки.
Корпус, на котором крепятся все перечисленные узлы и компоненты представляет собой профиль алюминиевого пневмоцилиндра Festo, серии DNC [6].Также лазерная головка имеет унифицированное крепление к различным манипуляторам.
Полезная модель разработана таким образом, что может использоваться в лазерных комплексах с волоконным, дисковым лазером; в качестве оптического входа используется оптоконнектор; входная апертура - не менее 30 мм. Оптические элементы подобраны из расчета, что длина волны излучения λ~1000 нм, допустимая лучевая нагрузка - не менее 8 кВт, фокусное расстояние - от 200 до 500 мм.
На основании проведенного анализа существующих технических решений можно заявить, что аналоги, которые обладали бы совокупностью признаков заявляемой лазерной головки для сварки внутренних поверхностей изделия в труднодоступных местах, отсутствуют. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Лазерная головка для сварки внутренних кольцевых швов изделий иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - общий вид лазерной головки для сварки внутренних кольцевых швов и изделий;
Фиг. 2 - линейный узел;
Фиг. 3 - узел вращения лазерного излучения по круговой траектории в зоне обработки;
Фиг. 3 - воздушный нож;
Фиг. 4 - видоискатель;
Общий вид лазерной головки приведен на фиг. 1. Взаимодействие основных составляющих частей головки в ходе работы реализуется следующим образом: лазерное излучение через оптоконектор оптического выхода лазера направляется в коллиматор (1), закрепленный с помощью клеммного зажима (2) в корпусе (3). Прошедшее через коллиматор (1) излучение поступает в видоискатель (4), закрепленный в верхней части корпуса (3), где компенсируется смещение оптической оси. Далее излучение фокусируется оптическими элементами в линейном узле (5), закрепленном в нижней части корпуса (3). Проходя через узел вращения лазерного излучения по круговой траектории в зоне обработки (6), излучение, отражаясь, меняет свое направление на 90°, разворачивается по круговой траектории и попадает непосредственно в зону обработки. Для предотвращения загрязнений оптических элементов головки продуктами, образующимися при сварке, на корпусе (3) закреплен воздушный нож (7), в который под высоким давлением подается сжатый воздух или защитный газ. При сборке головки должна быть обеспечена соосность всех ее оптических элементов и оси вращения узла (6). Крепление головки к манипулятору осуществляется за корпус (3) с помощью пластин (8).
В объективодержателе (9) (фиг. 2) с помощью пружин (10) фиксируется оправка (11), в которой закреплена линза (12), зафиксированная через промежуточное кольцо (13) и пружинное кольцо (14) резьбовым кольцом (15). Изменение положения точки фокусировки достигается путем линейного перемещения объективодержателя (9) с оправкой (11) с помощью системы с позиционирующим винтом (16) и привода линейного перемещения (17).
Корпус (18) (фиг. 3) устанавлен на неподвижную опору (19), с двумя радиальными подшипниками (20), которая закреплена в клеммном зажиме (21). Вращение корпуса (18) осуществляется с помощью привода вращения (22), установленного в клеммном зажиме (21), и клинового ремня (23). Для передачи вращения на выходной вал привода (22) устанавливается шкив (24). Также, для поджатая ремня, в клеммном зажиме (21) закреплен вал-эксцентрик (25), с подшипником (26). На корпусе (18) с помощью прижимных планок (27) через промежуточное кольцо (28) закреплено отражающее зеркало (29), поворачивающее оптическую ось на 90°. Отражаясь от зеркала (29) лазерное излучение попадает на защитное стекло (30), которое закреплено через промежуточное кольцо (31) с помощью прижимных планок (32), предназначенное для защиты оптических элементов лазерной головки от разлетающихся из зоны обработки продуктов, образующихся в процессе сварки, и далее - попадает в зону обработки.
Воздушный нож (фиг. 4) состоит из корпуса (33) и крышки (34).
На основании (35) (фиг. 5) закреплен корпус (36), к которому с помощью хомута (37) закреплена видеокамера (38), вариообъектив (39), а также, с помощью прижимных планок (40), отражающее зеркало (41). К нижней части основания (35) прикреплена пластина (42), на которой строго под углом 90° друг относительно друга фиксируются оправки (43), в которых с помощью прижимных планок (44) и промежуточного кольца (45) закреплены светоделительные пластины (46), компенсирующие смещение оптической оси. С помощью светоделительной пластины (46), зеркала (41) и вариообъектива (39) изображение из зоны обработки формируется на матрице видеокамеры (38).
Применение предлагаемой головки для сварки внутренних кольцевых швов изделий позволяет: осуществлять сварку неповоротных в изделиях сложной конфигурации за счет возможности развертки излучения по круговой траектории; осуществлять сварку в труднодоступных местах за счет большой глубины досягаемости; повысить качество сварного соединения за счет возможности отслеживания стыка; обеспечивать высокое качество шва за счет удаления продуктов, образующихся в зоне обработки, а также за счет подачи, при необходимости, защитного газа. Модульная конструкция головки позволяет модернизировать отдельные элементы и узлы по мере необходимости, также позволяет изменять комплектацию головки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Материал с сайта https://www.precitec.de/
2 Материал с сайта https://www.highyag.com/
3 Материал с сайта https://www.ipgphotonics.com/
4 Патент РФ 2655402 от 02.10.2015
5 Материал с сайта https://ckspa.ru/
6 Материал с сайта https://www.festo.com/