Устройство для лазерной многослойной наплавки порошковых материалов

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для нанесения износостойких, коррозионностойких, антифрикционных порошковых материалов на стальные подложки с использованием лазерного излучения.
Известен промышленный робот для лазерной обработки (полезная модель RU 169869 U1), содержащий станину и смонтированные на ней блок управления, лазерную установку с системой транспортировки лазерного луча к конечному звену антропоморфного манипулятора, несущему фокусирующее устройство, коаксиально которому смонтировано сопло аппарата подачи газопорошковой смеси, связанного с блоком управления роботом, отличающийся тем, что он снабжен установленной на станине поворотной платформой для обрабатываемого изделия с приводом и системой его управления, связанной с блоком управления роботом. Недостатком данного устройства является отсутствие контроля за показателями процесса наплавки, и как следствие за качеством наплавляемых слоев.
Наиболее близким по технической сущности из известных - устройство (полезная модель RU 160350 U1) для газопорошковой лазерной наплавки, содержащее защитную кабину, лазерный блок с лазерной головкой, привод вертикального перемещения с кареткой для перемещения лазерного блока, установленной на каретке привода горизонтального перемещения, технологический стол и устройства крепления и вращения обрабатываемой детали, отличающееся тем, что оно снабжено направляющими, на которых установлена каретка привода горизонтального перемещения лазерного блока, и приводом для перемещения по упомянутым направляющим каретки горизонтального перемещения лазерного блока в направлении, перпендикулярном направлению ее горизонтального перемещения, а лазерный блок выполнен с возможностью поворота на 90°. Недостатком данного устройства является ограничение перемещения лазерной головки в трех измерениях, отсутствие контроля за показателями процесса (высотой или шириной валика, температурой подложки или области воздействия лазерного излучения) в ходе выполнения наплавки.
Технический результат заявляемого устройства заключается в поддержании показателей процесса наплавки (ширины, высоты валика, угла смачивания, температуры подложки, температуры ванны расплава и пр.) на заданном уровне, благодаря чему обеспечивается равномерное проплавление подложки, постоянная высота и однородность структуры наплавленного слоя, уменьшается доля удаляемого механической обработкой материала при создании покрытия.
Технический результат достигается за счет использования датчиков (инфракрасных пирометров, датчика измерения двухмерного профиля, спектрометра, спектрально-селективной камеры), подогреваемого стола, путем контроля по следующим показателям: температуре подогреваемого стола (для деталей, требующих предварительного подогрева), температуре наплавленного валика в зоне обработки или на незначительном (до 50 мм) удалении от ванны расплава, его высоте и ширине и их соотношения, интенсивности сигналов получаемых от спектрометра, линейным размерам ванны расплава или зоны термического влияния для каждого по отдельности или по совокупности показателей с использованием коррекции выходной мощности лазерного излучения, скорости наплавки, массового расхода порошка с использованием единой системы управления, позволяющей запускать управляющие программы с согласованным последовательным запуском элементов комплекса, использующей обратную связь от упомянутых датчиков для контроля упомянутых показателей процесса наплавки.
Такая совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемое устройство, позволяет обеспечить равномерное проплавление подложки, постоянную высоту слоя, однородность структуры наплавленного слоя, уменьшить долю удаляемого механической обработкой материала при создании покрытия.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
Фиг. 1 - Схема лазерной технологической установки и взаимосвязи его элементов.
Установка состоит из промышленного шестиосевого робота 1, волоконного лазера 2, питателя порошка 3, наплавочной головки 4, установленной на промышленном роботе, из коаксиальной насадки которой происходит подача газопорошковой смеси в зону наплавки 5 детали 6, установленную на подогреваемом основании 7.
Задание скорости перемещения промышленного робота и двухосевого позиционера (не указан на фиг. 1) осуществляется при помощи контроллера ЧПУ робота 8, который также управляет величинами выходной мощности лазерного излучения и массового расхода порошка.
Рабочая зона, в которой находится робот, двухосевой позиционер и питатель порошка ограждены защитной кабиной (на схеме не указана).
Установка снабжена датчиками обратной связи 9: инфракрасными пирометрами (один из которых измеряет температуру подогреваемого стола), датчиком измерения двухмерного профиля, спектрометром, спектрально-селективной камерой, которые управляются при помощи собственных контроллеров 10. Информация с устройств собирается по интерфейсу Ethernet в ЭВМ 11, на котором установлен программный продукт, в котором происходит обработка данных, полученных с датчиков обратной связи, и создание управляющих сигналов на контроллер ЧПУ робота, который непосредственно подает управляющие сигналы на изменение выходной мощности лазера, скорости перемещения промышленного робота относительно неподвижной детали, массового расхода порошка от питателя.
Выполнение наплавки на комплексе происходит следующим образом.
После успешного соединения программным комплексом со всеми элементами, оператор в нем выбирает:
подготовленную при помощи пульта оператора программу с траекторией движения и известными местами начала и завершения включения лазерного излучения в автоматическом режиме работы контроллера ЧПУ робота;
способ контроля и значения поддерживаемых параметров или выбирает их из базы данных;
поддерживаемую температуру подогреваемого стола (при необходимости).
После запуска управляющей программы при поступлении информации с датчиков обратной связи в программном продукте происходит сравнение полученных данных с заданными оператором, в случае выхода из допустимого диапазона рассчитывается величина коррекции, предусмотренная выбранным способом контроля, и сигнал коррекции передается на устройство управления (волоконный лазер, промышленный робот или питатель порошка). Через временную задержку процедура контроля повторяется до момента завершения процесса наплавки.
Управляющая программа может быть автоматически остановлена (лазерное излучение прекращается, промышленный робот перестает перемещаться и т.д.), если температура подогреваемого стола или диапазон параметров, используемых системой контроля, вышли за допустимый диапазон, обеспечивающий стабильный процесс лазерной наплавки.
В научно-образовательном центре внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых создан действующий образец лазерного роботизированного комплекса наплавки. Экспериментальные исследования показали, что разработанный стенд позволяет получить наплавку требуемого качества на детали машиностроительного производства с производительностью до 2 кг/час. Проведение работ по наплавке металлических порошков из коррозионностойких сталей и сплавов, жаростойких сплавов на основе никеля, баббитов и пр. показал возможность восстановления или создания новых покрытий для рабочих поверхностей машин и механизмов, валов, рабочих кромок прессформ и штампов.