Сопловая головка для лазерной порошковой наплавки

Полезная модель относится к области металлургии, в частности, технологии производства изделий с применением металлических порошков (порошковой металлургии), а более конкретно, к оборудованию для лазерной газопорошковой наплавки металлов.
При использовании лазерной газопорошковой наплавки большое влияние на качество получаемого изделия оказывает способ подачи порошковых материалов в зону лазерного воздействия.
Способ подачи порошка влияет на время его пребывания при высоких температурах, и, как следствие - на формирование микрованны расплава и свойства металла после кристаллизации. Кроме того, в зависимости от конструкции сопловой головки, скорость частиц порошка может изменяться в широких пределах. Температура частиц при этом тоже значительно меняется. Например, при малых скоростях потока и длинных сопловых головках, порошок может быть перегрет под лучом, а часть легкоплавких легирующих элементов выгореть еще до образования общей микрованны расплава. Некоторые элементы, такие, как карбиды кремния и вольфрама, поглощают излучение определенной длины волны практически полностью и часто сгорают до попадания в покрытие. В связи с этим, необходимо подавать их под наиболее тупым углом к подложке, сводя время пребывания под лучом к минимуму.
Выделяют несколько основных способов подачи порошковых материалов в зону лазерного воздействия: боковая подача, многоструйная и коаксиальная подача порошка.
Многоструйная подача - это подача порошка из нескольких сопел одновременно. Она является развитым методом боковой подачи и обеспечивает симметрию подачи порошка относительно направления движения. Обычно в конструкциях таких головок используют 3 - 4 сопла, расположенных на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. На выходе из сопел частицы порошка имеют скорость выше, чем при других способах подачи. Как результат, такой метод подачи не чувствителен к направлению передвижения относительно подачи порошка и допускает наклон сопловой головки в широких пределах, до 45 градусов от вертикали. Это упрощает обработку крупногабаритных деталей без их перемещения в пространстве.
Известна сопловая головка для лазерной обработки с подачей порошкообразных легирующих элементов [RU 2031764], содержащая корпус и установленную в нем вставку с центральным отверстием для прохода лазерного луча, а также патрубок для подачи легирующих элементов, при этом, вставка установлена в корпусе с кольцевым зазором, торец вставки размещен на расстоянии от торца корпуса, равном 0,1 - 0,7 диаметра сопла, а патрубок для подачи легирующих элементов через стенку корпуса введен в кольцевой зазор перпендикулярно к оси сопла.
Также, известна трехкамерная сопловая головка для газопорошковой лазерной наплавки [RU 165282], содержащая внешнее сопло со штуцером для подвода газопорошковой смеси, внутреннее направляющее сопло для подвода защитного газа и внешнюю обойму, имеющую штуцер для подвода формирующего поток газопорошковой струи защитного газа, при этом внутреннее сопло и внешняя обойма установлены с возможностью перемещения относительно внешнего сопла.
Общим недостатком описанных коаксиальных головок является неравномерное распределение порошкообразных элементов в кольцевом зазоре сопловой головки и на обрабатываемом участке, приводящее к невысокому качеству формирующегося покрытия.
Предпринимаются усилия, направленные на преодоление отмеченных выше недостатков, присущих коаксиальным головкам.
Например, известна сопловая головка [RU 2230640], содержащая корпус, вставку, выполненную в виде усеченного круглого конуса, и патрубок для подачи газопорошковой смеси в кольцевой зазор между корпусом и вставкой, при этом, по образующим вставки выполнены каналы, оси которых пересекаются внутри сопла, в кольцевом зазоре установлено кольцо, внутренняя поверхность которого образована круглым конусом, основание круглого конуса совмещено с основанием вставки, а патрубок для подачи газопорошковой смеси установлен тангенциально внутренней поверхности кольца.
Недостатком этого решения является сложность и низкая надежность получившейся конструкции из-за высокой вероятности (особенно при нагреве головки) образования пробок в узких каналах вставки. При этом невозможно диагностировать и устранить названную проблему без демонтажа и разбора головки. Кроме того, подача порошковых материалов тангенциально внутренней поверхности кольца увеличивает износ некоторых внутренних поверхностей головки, соприкасающихся с газопорошковой струей.
Общие недостатки, присущие коаксиальным головкам, определили усиление интереса к многоструйным головкам, содержащим несколько независимых сопел. Использование этих сопел в разных комбинациях с разными материалами может существенно расширить возможности аддитивных технологий, что особенно важно при создании функционально-градиентных материалов. Применение коаксиальных головок исключает возможность гибкого управления процессом наплавки, когда можно быстро, не останавливая работу, произвести переключение с подачи одного материала на другой или выбрать режим одновременной подачи двух материалов.
Известен способ газопорошковой лазерной наплавки с подачей порошка из двух сопел [RU 2100479]. Из одного сопла порошок подают вслед движению изделия, в головную часть лазерного пятна, а из другого сопла - навстречу движению изделия в центральную и хвостовую часть лазерного пятна.
Из практики известно, что наилучший результат показывают многоструйные головки, содержащие три или четыре сопла для подачи одного материала. Использование только двух сопел, расположенных на линии по ходу движения лазерной головки, способствует неполному заполнению порошком боковых зон обрабатываемого участка, что приводит к низкому качеству формирующегося покрытия.
В качестве прототипа выбран способ газопорошковой лазерной наплавки [RU 2016131950], 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.
Легко увидеть, что подобная конструкция является развитием способа с подачей материалов через два сопла, что устраняет недостатки, присущие двухсопловой головке. Но, в тоже время, головка с четырьмя соплами не полностью реализует возможности многоструйных головок, отмеченные выше, т.к. ограничена подачей только одного материала. Все рассмотренные сопловые головки не позволяют производить быстрое переключение в процессе работы с подачи одного материала на другой, а также осуществлять подачу сразу двух материалов.
Таким образом, задачей полезной модели является увеличение функциональности и удобства использования многоструйных головок, что особенно важно при получении функционально-градиентных материалов с использованием аддитивных технологий.
Поставленная задача достигается за счет того, что сопловая головка для лазерной порошковой наплавки, выполнена в виде цилиндра с центральным отверстием для лазерного луча. Цилиндр снабжен по периферии сквозными отверстиями, с осями, расположенными на общей окружности, с одинаковым угловым расстоянием друг от друга, при этом нижние полости отверстий являются выходными соплами, а верхние – снабжены штуцерами для подачи газопорошковой смеси материала А. Цилиндр состоит из двух частей, первая из которых неподвижна, снабжена штуцерами для подачи газопорошковой смеси, и имеет шесть отверстий для подачи материалов А и Б, чередующихся между собой, при этом оси всех шести отверстий расположены на общей окружности и равном угловом расстоянии друг от друга. Вторая часть, выполненная с возможностью поворота относительно первой, и, также, снабженная по периферии шестью отверстиями, соосными отверстиям неподвижной части, имеет три дополнительных отверстия, лежащих на равном угловом расстоянии друг от друга, на общей с отверстиями А и Б окружности, при этом каждое из дополнительных отверстий расположено между отверстиями А и Б, а их оси отстоят от отверстий А и Б на равном угловом расстоянии.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в том, что сопловая головка для лазерной порошковой наплавки, выполнена в виде цилиндра, состоящего из двух частей – неподвижной и подвижной, имеющей возможность поворота относительно первой, что позволяет производить переключение между режимами подачи одного из двух возможных материалов или подачи этих материалов одновременно. Развитие этой идеи может дать возможность расширения вариантов использования головки, в частности, увеличить количество одновременно или попеременно подаваемых материалов. Такое решение существенно увеличивает функциональность и удобство использования головки.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- Изображение подвижной и неподвижной части сопловой головки с обозначением на неподвижной части каналов подачи материала (фиг. 1);
- Изображение подвижной и неподвижной части сопловой головки с указанием углового положения сопел на них (фиг. 2);
- Изображение сопловой головки с указанием положения ее подвижной части для подачи одновременно материалов А и Б (фиг. 3);
- Изображение сопловой головки с указанием положения ее подвижной части для подачи отдельно материала А (фиг. 4);
- Изображение сопловой головки с указанием положения ее подвижной части для подачи отдельно материала Б (фиг. 5).
Функциональные градиентные материалы (ФГМ) получаются при механическом соединении материалов с резко отличающимися значениями физико-химических параметров, например, при спайке стекла и металла. Как правило, изменение свойств ФГМ связано с соответствующим варьированием химического состава или физической структуры материала. Для получения таких материалов используют послойное нанесение покрытий изменяющегося состава или спекание (сплавление, сварку) нескольких пластин или таблеток различного состава.
Сопловая головка (фиг. 1) состоит из двух частей: неподвижной 1 и подвижной 2.
Неподвижная часть 1 содержит центральное отверстие 3 для прохода лазерного луча, три отверстия 4 для подачи материала А и три отверстия 5 для материала Б. Все отверстия неподвижной части отстоят друг от друга на одинаковом угловом расстоянии, равном 60 градусам (фиг. 2).
Подвижная часть 2 содержит центральное отверстие 6 для прохода лазерного луча, а также девять отверстий, предназначенных для подачи материалов А и Б. Из них, шесть отверстий 7 совпадают по положению с отверстиями неподвижной части 4 и 5 (фиг. 2), а три дополнительных отверстия 8 расположены на одинаковом угловом расстоянии (120 градусов) друг от друга и на общей, с отверстиями 7, окружности.
Каждое из дополнительных отверстий 8 лежит между отверстиями 7. При этом их конкретное угловое положение может меняться, исходя из конструктивных соображений. Представляется наилучшей схема, при которой оси дополнительных отверстий 8 находятся от ближайших отверстий 7 на равном угловом расстоянии. При этом угловое расстояние от любого отверстия 8 до ближайшего отверстия 7 составляет 30 градусов.
При наложении на неподвижную часть головки 1 подвижной части 2 и ее вращении, можно получить три возможных режима подачи материала А и Б.
Рассмотрим работу сопловой головки при условии, что оси дополнительных отверстий 8 находятся от ближайших отверстий 7 на равном угловом расстоянии.
При положении частей 1 и 2 относительно друг друга согласно фиг. 3, мы получаем возможность подавать одновременно материалы А и Б.
При повороте части 2, относительно предыдущего положения, на угол в 30 градусов, мы подаем только материал А (фиг. 4).
При повороте части 2, еще на 60 градусов, мы подаем только материал Б (фиг. 5).
Увеличивая количество отверстий на подвижной и неподвижной части и по-разному комбинируя их положение, можно еще увеличить функциональные возможности сопловой головки, добавив возможность подачи других материалов и изменения их сочетаний.