Устройство для лазерной обработки изделий

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к устройствам, использующим в качестве энергоносителя лазерное излучение, дополненное воздействием ультразвука. Предлагаемое усовершенствование может быть применено при наплавке и при выращивании изделий с применением порошковых материалов.
Ультразвуковое облучение в процессе сварки изделия целиком или только сварочной ванны используется для снятия остаточных напряжений, возникающих в сварных соединениях и, в частности, сварных швах. УЗ колебания (волны) оказывают влияние на температуру металла, устанавливая тепловое равновесие в кристаллической решетке. Энергия ультразвука передается неустойчивым дислокациям решетки металла, вследствие чего дислокации занимают более устойчивое положение, что исключает образование градиентов или центров образования остаточных напряжений (аналогично отжигу). Эти явления приводят к полному снятию остаточных напряжений в затвердевшем расплаве.
Кроме того, исследования последнего времени показали, что УЗ волны, направленные на ванну расплава, производят его дегазацию и оказывают воздействие на процесс кристаллизации, приводящему к заметному измельчению зерна, что повышает однородность структуры металла, уменьшая его пористость. Ультразвук повышает механические свойства затвердевших расплавов и значительно улучшает способность металла к пластической деформации.
Известна конструкция устройства для лазерной наплавки, описанная в RU 170344. Устройство содержит сопло, включающее его корпус и установленную в нем вставку с центральным сквозным каналом для прохода лазерного луча от блока с генератором лазерного излучения. Корпус снабжен патрубком, установленным перпендикулярно оси корпуса сопла в его верхней части и предназначенным для подачи в зону обработки инертного защитного газа. Выше выходного отверстия для защитного газа на корпусе сопла закреплен кожух в виде зонта, способствующего удержанию этого газа. Корпус сопла имеет дополнительный патрубок, связанный с системой внутренних каналов, предназначенных для подачи через них порошкового материала в зону плавления от соответствующего источника. Устройство также содержит ультразвуковой генератор, расположенный в нижней части кожуха и внутри него и непосредственно под рабочей платформой, на которой располагается обрабатываемое изделий. Платформа установлена с возможностью изменения своего положения в пяти координатах. Выше входного отверстия корпуса сопла установлен лазерный блок, луч от которого направляется непосредственно в зону обработки (наплавки) изделия с помощью оптоволоконного кабеля. Устройство содержит также систему приводов для взаимного перемещения корпуса сопла относительно поверхности обрабатываемого изделия, размещаемого на платформе. Все вышеупомянутые механизмы, узлы и оптические системы размещены на общей для них раме.
К основному недостатку описанной выше конструкции следует отнести значительные энергетические затраты ультразвукового генератора, платформу и формируемое изделие, расположенное на последней, к зоне плавки, что сопряжено со значительными потерями интенсивности УЗ воздействия на эту зону.
Устройство для лазерной обработки изделия, принятое за прототип, описано в RU 2618287. Оно, как и аналог, содержит лазерный блок, который с помощью оптоволоконного кабеля связан с центральным отверстием корпуса сопла. В последнем предусмотрена также система отверстий, которые с помощью патрубков связаны с источниками подачи порошкового материала и инертного защитного газа. Устройство снабжено платформой для наплавляемого изделия, на которой смонтирован излучатель ультразвукового генератора. Платформа, а также корпус сопла содержит совокупность приводов, обеспечивающих их взаимное перемещение со значительным числом степеней свободы. Все перечисленные выше элементы устройства смонтированы на объединяющей их несущей раме.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность ультразвукового воздействия на расплав (ванна расплава), которая объясняется тем, что имеют место значительные энергетические потери ультразвука, который, прежде чем он достигнет расплава, проходит через значительный воздушный промежуток, а затем и тело формируемого изделия, приводящее, в конечном итоге, к затуханию волнового процессе, а значит и интенсивности вибрации, передающейся на расплав.
Таким образом, задачей полезной модели является повышение эффективности воздействия ультразвука на ванну расплава.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для лазерной обработки изделия, содержащем несущую раму с лазерным блоком, соплом и ультразвуковым генератором с излучателем, при этом корпус сопла выполнен с центральным проходным отверстием для лазерного луча и патрубками для подачи порошкового материала и инертного газа, а излучатель ультразвукового генератора выполнен в виде излучателя фокусированного ультразвука, опора которого установлена на корпусе сопла с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Кроме того, опора излучателя выполнена в виде диска, коаксиально установленного на корпусе сопла, а патрубки подачи инертного газа размещены на диске.
Технический результат полезной модели заключается в том, что фокусированная энергия с УЗ излучателя концентрируется непосредственно на ванне расплава, уменьшая энергоемкость процесса лазерной наплавки изделия.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение устройства для лазерной обработки изделия.
Предлагаемая в полезной модели, конструкция устройства для лазерной обработки изделия содержит сопло 1 с корпусом 2, представляющим собой цилиндр, внутри которого выполнен ряд сквозных отверстий, центральное из которых предназначено для прохода лазерного луча 3, подаваемого в корпус 2 через оптоволоконный кабель 4 с лазерного блока 5 или, иначе, источника лазерного излучения, установленного на несущей раме 6. По периферии корпуса 2 имеются три сквозных отверстия, расположенных по одной окружности и на равном угловом расстоянии друг от друга. Входная часть этих отверстий представлена на чертеже штуцерами 7 и трубками 8, связывающими отверстия с источником порошкового материала (на чертеже не показан). На выходе каждого из трех отверстий установлены сопла 9, которые ориентируют струи 10 порошка на фокус лазерного луча 3. На цилиндрической поверхности корпуса 2 установлена опора 11, выполненная в виде диска, имеющая форму сегмента пустотелой сферической оболочки, на внутренней поверхности которого по окружности установлены активные пьезокристаллические элементы 12 излучателя фокусированного ультразвука. Диск опоры 11 связан с втулкой 13, смонтированной на корпусе 2 по скользящей посадке, т.е. диск имеет возможность совершать возвратно-поступательные перемещения по корпусу 2. Втулка 13 имеет стопор 14, выполненный в виде резьбового винта. На диске закреплены штуцеры 15 с трубками 16, предназначенные для подачи инертного защитного газа от соответствующего источника (на чертеже не показано), струи которого обозначены на чертеже стрелками А. Кроме того, диск опоры 11 несет на себе защитный кожух 17, способный перемещаться в направляющих 18, расположенных на торце диска опоры 11. На несущей раме 6 закреплена платформа 19, на которой формируется изделие 20 с ванной 21 расплава, имеющей место быть при работе устройства. Платформа 19 и сопло 1 установлены с возможностью перемещения относительно несущей рамы 6 с различными степенями свободы (их приводы на чертеже не показаны).
Устройство для лазерной обработки изделия работает следующим образом.
Перед началом работы обрабатываемое изделие 20 размещают на платформе 19. Затем, включают подачу порошкового материала от соответствующего источника, который через трубки 8 и штуцеры 7, а также отверстия в корпусе 2 сопла 1 через сопла 9 в виде струй 10 подается к изделию 20. Одновременно через штуцеры 15 от источника инертного защитного газа осуществляют подачу этого газа в зону наплавки. После этого в работу включают лазерный блок 5, световая энергия которого трансформируется в лазерный луч 3, фокусируемый на изделии в точке подвода струй 10 порошкового материала, подвергаемого плавлению от взаимодействия с лазерным лучом 3. При появлении ванны 21 расплава включают в работу ультразвуковой генератор, связанный с УЗ излучателем, активные элементы 12 которого размещены на диске 11 таким образом, что их расположение фокусирует ультразвуковые колебания в одной точке - фокусе, создавая в нем высокую плотность акустической энергии. Путем перемещения диска 11 по корпусу 2 сопла 1 фокус УЗ излучателя размещают в зоне расплава, т.е. внутри ванны 21 в районе лазерного фокуса. Высокая плотность акустических колебаний в зоне ультразвукового фокуса передается материалу расплава, вызывая в его структуре положительные трансформации, о которых указано выше. Для того, чтобы надежно прикрыть ванну 21 расплава с помощью инертного защитного газа кожух 17 перемещают по диску 11 вниз, создавая замкнутый объем в зоне УЗ излучателя, в котором удерживается инертный газ в относительно статическом состоянии, улучшая, тем самым, распространение фокусированного ультразвука. При этом предпочтительно использовать инертные газы с более высокой плотностью, например, аргон, что повышает КПД ультразвуковой фокусированной энергии, передаваемой в расплав. В процессе наплавки изделия осуществляют манипуляции, связанные с перемещением сопла 1 и платформы 19 по заранее заданной программе, обеспечивающей обработку того или иного конкретного изделия.