СИСТЕМА СМЕШЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Настоящее техническое решение относится к области технологических процессов в металлообработке с использованием лазеров.
2
2
2
Из существующего уровня техники известны решения по подаче одного вида газа в область лазерной обработки поверхностей. Типы подаваемых газов различаются по задачам, которые они решают. Основной задачей защитных газов является создание контролируемой среды в области лазерной обработки. Однако газы для этого используются разные: инертные (аргон, гелий), активные (CO, азот, кислород), и их смеси (Ar-O, Ar-N). Кислород способствует более мелкокапельному переносу электродного металла, он снижает его поверхностное натяжение. Существует рекомендация для сварки аустенитных сталей плавящимся электродом применять аргон с добавкой 1 об.% кислорода. Смесь аргона с 2 или 5 об.% кислорода целесообразно применять при сварке ферритных сталей и множество других примеров. Также азот, гелий и углекислый газ по-своему влияют на процессы в ванне расплава.
Недостатками таких технических решений являются в первую очередь неприспособленность делать более сложные одновременной смеси газов из трех и более компонент. Во-вторых, такие технические решения не оборудованы микропроцессорными комплектами для сложных процессов сварки и наплавки градиентных материалов, в которых нужны переключения от одной смеси к другой и изменение их концентраций, в зависимости от технологических требований, в короткий промежуток времени. Иначе говоря, современная лазерная обработка требует не только настройки траектории лазерного сопла, скорости подачи материала, но и сложную настройку защитных газов, как по скорости, так и по составу.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является получение однородной смеси газов для лазерной обработки поверхностей с управляемой в любой момент времени пропорцией.
Решаемая задача в системе смешения газов для лазерной обработки поверхностей, состоящей из пяти независимых одинаковых каналов, каждый из которых состоит из редуктора, датчика наличия давления и изменяемого электроклапана, выход из которых подсоединен к смесительной камере, и микроконтроллерного комплекта для управления положением электроклапанов выполненные как единое целое, достигается тем, что потоки газов с выравненными редукторами давлениями, регулируются электроклапанами в соответствии с заданной программой и, таким образом, контролируется концентрация газов в общей смеси.
Части системы смешения могут состоять из меди, алюминия, стали или других металлов с низкой химической активностью с указанными газами.
Заявленная задача решается за счет того, что заявленное решение позволяет изменять пропорциональный состав смеси из пяти газов, при этом производит смешение с выравниванием давлений.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является однородность выходной газовой смеси.
На Чертеже 1 представлена система смешения защитных газов для лазерной обработки поверхностей, состоящая из трех частей: каналы 1, смесительная камера 2 и микроконтроллерный комплект 3. На Чертеже 2 представлена система в разрезе, а на Чертеже 3 пневматическая схема системы.
Каждый канал 1 состоит из датчика наличия газа 4, редуктора 5 и электроклапана 6. Микроконтроллерный комплект 3 состоит из микропроцессора, сопутствующей электронной обвязки и портов данных.
Рассмотрим работу системы смешения газов для лазерной наплавки в работе. Газы, подключенные к каналам 1, проходят поочередно через датчик наличия газа 4, редуктор 5, электроклапан 6 и попадают в смесительную камеру 2. Микроконтроллерный комплект 3 по заранее заданной программе подает цифровой управляющий сигнал от порта в цифро-аналоговый преобразователь, который в свою очередь подает аналоговый управляющий сигнал на элктроклапан 6. Электроклапан регулирует поток газа в смесительную камеру 2, по каждому типу газа. Таким образом, происходит получение защитной газовой смеси с заданной составляющей компонент. Скорость реакции электроклапана составляет доли секунд, а стандартные скорости защитных газов сосредоточены в диапазоне [0,5;10] литров в минуту. Поэтому скорость реакции электроники много выше чем всей системы в целом, которая в свою очередь определяется требуемыми расходами газа.
Изготовленное техническое решение было изготовлено и апробировано с источниками 5 газов: аргон, гелий, углекислый газ, азот и кислород. Использовалось в связке с коаксиальным соплом для лазерной наплавки. Сравнивая шлифы наплавленных образцов, было установлено, что изменение формы наплавочного валика соответствует изменению пропорции газов в подаваемой смеси защитных газов.
Представленное техническое решение было рассчитано и изготовлено в рамках исполнения Государственного контракта №9.3236.2017/ПЧ от 31.05.2017.