Сопловая головка для гибридной лазерной наплавки порошковых материалов и проволоки

Полезная модель относится к области металлургии и аддитивных технологий, а именно технологии производства металлических объектов с применением комбинации металлических порошков (порошковой металлургии) и проволоки с оборудованием для лазерной наплавки.
Технология нанесения толстых покрытий - лазерная наплавка, а также аддитивная технология прямое лазерное выращивание (ПЛВ) реализуются на одном и том же оборудовании с применением одинаковых физических явлений. Лазерный луч большой мощности, направленный перпендикулярно к металлической подложке, на которой происходит наплавка металла, образует ванну расплава, в которую подается строительный материал. За счет перемещения сопловой головки относительно подложки с постоянной скоростью расплавленный материал кристаллизуется, образуя металлический валик однотипной геометрии. Множество таких валиков формируют сплошное металлическое покрытие или 3-Д объект. В качестве подаваемого строительного материала могут быть используют металлические или керамические порошки, металлические проволоки и порошковые проволоки.
В начале развития наплавочных лазерных технологий применяли устройства для подачи материала в зону плавления, которые располагались сбоку и подавали материал однонаправленно, что давало возможность производить наплавку только при движении сопловой головки в одну стороны. Затем появились сопловые головки с радиально расположенными соплами для подачи порошка. Канал с лазерным лучом располагался в центре относительно порошковых сопел. Такая конфигурация позволяет использовать только порошки, чтобы не ограничивать возможные направления перемещения головки при наплавке. В ходе модернизации сопловых головок появились системы лазерной наплавки с центральной подачей материала в зону плавления и радиально расположенным лазерным лучом, такие системы позволили подавать порошок, либо проволоку перпендикулярно в зону плавления, устраняя ограничение на перемещение.
Строительный материал в виде порошка или проволоки имеют свои достоинства и недостатки в технологии наплавки лазером.
Порошок не так требователен к точно подобранным режимам наплавки, как проволока, излишки материала покидают зону плавления и не вызывают сбой процесса. Применение проволоки в лазерной наплавке экологичнее и дешевле, так как большинство порошков производят методами атомизации проволоки. Коэффициент использования материала приближен к 100%. Для порошка это значение в среднем около 50-70%. Оставшиеся 30-50% которые будут поданы в зону плавления, но не закрепятся на изделии необходимо перерабатывать для повторного использования, либо вовсе утилизировать. Контроль количества поданного материала в зону плавления, значительно проще осуществлять при работе с проволокой из-за предсказуемости всех параметров осаждения для такого форм-фактора, но как было упомянуто ранее это требует высокой стабильности процесса, включающего мощность лазера, скорость подачи проволоки, скорость перемещения.
Чтобы повысить универсальность в выборе форм-фактора наплавляемого материала для наплавочных систем с радиальным расположением сопел подачи предлагается модифицировать существующую наплавочную систему, а именно медную сопловую головку. Предлагаемая модификация позволит использовать порошок или проволоку при наплавке лазером попеременно или одновременно без замены сопловой головки. Комбинирование одновременной подачи порошка и проволоки может служить альтернативой порошковым проволокам.
Известно строение порошкового сопла из способа [RU 2660499 С2, способ четырехсопловой газопорошковой лазерной наплавки с регулированием расхода порошка], при котором на наплавляемую поверхность металлического изделия воздействуют лазерным лучом, а в зону наплавки транспортирующим газом подают четыре струи порошкового материала из четырех независимых сопел, перемещаемых совместно с лазерным лучом и расположенных относительно него всегда осесимметрично. При этом первое сопло расположено впереди лазерного луча, второе и третье - слева и справа от луча, а четвертое сопло - позади луча. Каждое сопло является независимым и обеспечивает подачу порошка согласно расчетной формуле в зависимости от направления и скорости движения. Недостатком этого способа является то, что сопло в этом способе позволят применять при наплавке только материал в порошковом виде, а также требует усложнение системы подачи порошка для контроля количества подаваемого материала согласно формуле, что понижает отказоустойчивость системы.
Также, известна научная статья [A.N.D.Gasper, S.Catchpole-Smith, A.T.Clare, In-situ synthesis of titanium aluminides by direct metal deposition, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.031] Осаждение исходного сырья выполняли с использованием иттербиевого  волоконного лазера непрерывного действия IPG Photonics мощностью 2 кВт с длиной волны 1,07 мкм. Система подачи лазерного луча обеспечивала круглое пятно луча диаметром 3,1 мм с распределением энергии по Гауссу. Порошковый питатель подавал исходный порошковый материал через одиночное сопло под углом 23° ± 1 к оси луча. Механизм подачи проволоки из титанового сплава производился под углом 48 ± 1 к оси луча, также через одиночное сопло, расположенное рядом с порошковым соплом.
Недостатком этого способа является отсутствие жесткой связи порошкового и проволочного сопла друг с другом, что под действием вибраций от перемещения может приводить к дестабилизации процесса при длительной работе установки и расхождения точек пересечения осей лазерного луча, порошкового потока и проволоки.
Существует работа [Maurizio Motta, Ali  Demir, BarbaraPrevitali, High-speed imaging and process characterization of coaxial laser metal wire deposition, https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.05.043]. Система для лазерной наплавки состоит из коаксиальной головки для наплавки проволоки, которая подается перпендикулярно к подложке. В качестве источника энергии используется волоконный лазер мощностью 3 кВт. Строительный материал подается в сопловую головку через промышленную систему подачи проволоки. В качестве манипулятора используется антропоморфный робот с поворотным столом.
Недостатком такого способа является то, что сопловая головка с центральным одним соплом подачи проволоки не позволяет производить наплавку только порошком без замены всей сопловой головки. Коаксиальное расположение лазерного луча, в центре которого проходит сопло для проволоки, ограничивает возможность применения порошка, тем что лазерное пятно не имеет гауссовское распределение энергии, которое, обычно, считается необходимостью для равномерного и стабильного нанесения порошкового материала.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для лазерной порошковой наплавки [RU 2767104]. Корпус сопловой головки выполнен с осевым центральным сквозным отверстием для подачи защитного газа и лазерного излучения. В корпусе симметрично оси головки расположены по меньшей мере три газоструйных звуковых или ультразвуковых излучателя, каждый из которых выполнен в виде свистка Гартмана с возможностью регулирования частоты генерируемого акустического излучения. Излучатели размещены с возможностью воздействия генерируемых колебаний на частицы подаваемого порошка. Выходные отверстия излучателей сообщены с центральным отверстием корпуса сопловой головки.
Недостаток описанной конструкции заключается в том, что коэффициент наплавленного металла относительно количество подаваемого порошка в зону плавления всегда значительно меньше 100 % (около 70%), поэтому проблема потери материала при использовании порошка при наплавке будет существовать. Для решения этой проблемы требуется использование проволоки. Проволока значительно дешевле металлических порошков того же состава, поэтому с точки зрения экономического аспекта приоритетнее отдавать выбор материалам такого форм-фактора. Введение дополнительного сопла для подачи проволоки обеспечивает возможность использования одной головки в разных режимах работы.
Таким образом, технической проблемой полезной модели является увеличение универсальности сопловой головки с возможностью использования порошка и проволоки как вместе, так и по-отдельности.
Решение технической проблемы достигается за счет того, что сопловая головка для гибридной лазерной наплавки порошковых материалов и проволоки включает корпус с осевым центральным отверстием для подачи защитного газа и лазерного излучения, а также средство формирования многоструйного потока газопорошковой смеси с возможностью подачи порошка в зону фокусировки лазерного излучения, корпус сопловой головки выполнен из меди в виде тела вращения и дополнительно содержит средство подачи проволоки в зону фокусировки лазерного излучения, при этом указанные средства представлены двумя группами сквозных цилиндрических отверстий, выполняющих функции сопел, каждая группа содержит по меньшей мере одно такое отверстие, оси каждой группы сопел расположены на общей окружности на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, оси всех отверстий пересекаются в одной точке - зоне фокусировки лазерного излучения. Сопла для подачи проволоки могут дополнительно включать втулки, изготовленные из антифрикционного жаропрочного функционального материала, например графита. Оси одной группы сопел могут быть расположены на равном от осей другой группы сопел угловом расстоянии. Группа сопел для подачи порошка может содержать три сопла.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в том, что за счет включения в конструкцию сопловой головки для гибридной лазерной наплавки двух групп сопел, предназначенных для одновременной или попеременной подачи порошковых материалов и проволоки в зону плавления, обеспечивается возможность использования преимуществ обоих форм-факторов материалов, что существенно увеличивает функциональность и удобство использования головки с различными типами материалов, а также повышает коэффициент наплавки.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
Фиг. 1 - общий вид сопловой головки для гибридной лазерной наплавки порошковых материалов и проволоки.
Фиг.2 - сопловая головка для гибридной лазерной наплавки в разрезе.
Фиг. 3 - сечение B-B.
Фиг. 4 - схема расположения сопловых отверстий на сопловой головке.
Сопловая головка для гибридной лазерной наплавки порошковых материалов и проволоки выполнена в виде тела вращения и включает медный корпус 1, содержащий осевое центральное цилиндрическое сквозное отверстие 2 для подачи защитного газа и лазерного излучения 3, а также выполненные по периферии сквозные цилиндрические отверстия 4-5, исполняющие функции сопел, подающих материал в зону плавления 6, разделенные на две группы: группа сопел 4 подачи порошка 7, и группа сопел 5 подачи проволоки 8.
Каждая группа сопел 4-5 содержит, по меньшей мере, одно сопло. Оси каждой группы сопел расположены на общей окружности на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Оси одной группы сопел расположены на равном от осей другой группы сопел угловом расстоянии. Оси всех отверстий 2, 4 и 5 пересекаются в одной точке - зоне фокусировки лазерного излучения.
К каждой группе сопел 4-5 посредством штуцеров присоединены соответствующие подающие механизмы. К соплам/соплу 5, которые соответствуют проволочной группе, подключают устройство 9 подачи проволоки 8 с управляемой скоростью. К соплу/соплам 4, соответствующим порошковой группе, подключают один или несколько порошковых питателей 10 с управляемой скоростью подачи порошка 7.
Сопла 5 могут содержать втулки 11 с разным диаметром отверстия, предназначенные для точного позиционирования проволоки 8. Втулки 11 фиксируются в отверстии 5 при помощи разъемных или неразъемных соединений (свинчивание, склеивание, запрессовка и т.п.) и могут быть изготовлены из антифрикционного жаропрочного функционального материала, например графита.
В зависимости от форм-фактора используемого материала сопловую головку поворачивают соответствующим образом.
При режиме работы только проволокой 8, сопловую головку поворачивают так, чтобы проволока подавалась в ванну расплава 6 перпендикулярно подложке 12 (наплавляемой детали). Порошковые питатели 10 отключаются и порошковые сопла 4 не используются.
При режиме работы одновременно проволокой 8 и порошком 7, расположение сопел головки соответствует режиму работы с проволокой 8.
При режиме работы только порошком 7, сопловую головку поворачивают так, чтобы порошок 7 подавался в ванну расплава 6 спереди по ходу движения сопловой головки с симметричным расположением всех задействованных сопел. Устройство 9 подачи проволоки 8 и проволочное сопло 5 не используются.
При режиме работы только проволокой 8, сопловую головку поворачивают так, чтобы сопло 5 подачи проволоки 8 располагалась перпендикулярно подложке 12 (наплавляемой детали).
Таким образом, за счет возможности осуществлять лазерную наплавку порошком, проволокой или порошком и проволокой одновременно с помощью одной сопловой головки, достигается заявленный технический результат.