СОПЛО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 1995 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки, в частности к устройствам для лазерной наплавки.

Известно устройство для нанесения металлического покрытия на детали, содержащее бункер для подачи металлического материала и канал, через который подводящий частицы поток газа направляется на обрабатываемый участок (см. патент ФРГ N 3011022, кл. B 23 K 26/00, 1981).

Недостатком известного устройства является зависимость качества нанесения покрытия от направления взаимного перемещения подложки и луча лазера из-за одностороннего подвода порошкового наплавляемого материала (см. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989, с.281-289).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является сопло для лазерной обработки, содержащее корпус и установленную в нем вставку с центральным отверстием для прохода лазерного луча и патрубком для подачи легирующих элементов (см., например, а.с. N 1345496, кл. B 23 K 26/00, 1987).

Недостатком данного сопла является невысокое качество формирования покрытия, которое зависит от направления перемещения наплавляемой поверхности из-за одностороннего подвода порошкового наплавляемого материала. Кроме того, подача порошка под углом к движению подложки с наплавляемым материалом приводит к формированию деформированных валиков. Разброс высоты и ширины по длине достигает 50-60% (см. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989, с.281-289).

К недостаткам этого сопла относится также отсутствие защиты фокусирующих элементов внешней оптической системы лазера от налипания порошковых наплавляемых материалов.

Целью изобретения является повышение качества наносимого покрытия и защита фокусирующих элементов внешней оптической системы лазера от налипания порошковых наплавляемых материалов.

Цель достигается тем, что в сопле для лазерной обработки с подачей легирующих элементов, преимущественно порошкообразных, содержащем корпус и установленную в нем вставку с центральным отверстием для прохода лазерного луча и патрубком для подачи легирующих элементов, вставка установлена в корпусе с кольцевым зазором с возможностью подачи через него легирующих элементов в зону обработки, при этом срез вставки размещен относительно среза корпуса на 0,1-0,7 диаметра сопла, а патрубок для подачи легирующих элементов в кольцевой зазор размещен перпендикулярно оси сопла.

Кроме того, корпус сопла снабжен дополнительным патрубком для подачи защитного газа, установленным перпендикулярно оси сопла в верхней части корпуса.

Форма корпуса и вставки предлагаемого сопла отличается от формы аналогичных деталей прототипа. Однако это отличие не влияет на достижение цели изобретения. Важно, что между корпусом и вставкой образован кольцевой зазор.

Из научно-технической и патентной информации авторам неизвестна установка вставки относительно корпуса с кольцевым зазором. Исходя из этого можно сказать, что предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже схематически изображено сопло для лазерной обработки с подачей легирующих материалов.

Сопло содержит корпус 1 и установленную в нем вставку 2 с центральным отверстием 3 для прохода лазерного луча. Вставка установлена в корпусе 1 с кольцевым зазором 4 для подачи через него порошкообразных легирующих материалов в зону обработки из патрубка 5, установленного перпендикулярно оси сопла, при этом срез 6 вставки 2 размещен относительно среза 7 корпуса на 0,1-0,7 диаметра сопла.

Корпус снабжен также дополнительным патрубком 8, установленным перпендикулярно оси сопла в верхней части корпуса для подачи в зону обработки защитного газа.

При расположении среза 6 вставки 2 относительно среза 7 сопла 1 меньше 0,1 диаметра сопла ухудшается формирование струи порошка, так как частицы порошка не успевают расплавиться в поле лазерного излучения. Это приводит к ухудшению качества наплавки, к снижению коэффициента использования порошка, ухудшению внешнего вида наплавленного слоя.

При расположении среза 6 вставки 2 относительно среза 7 сопла 1 больше 0,7 диаметра сопла частицы порошка расплавляются, налипают на отверстие корпуса сопла. При этом нарушается стабильность процесса, ухудшается качество наплавки.

Предлагаемое сопло работает следующим образом.

Через срез 7 в корпусе сопла и срез 6 вставки 2 лазерный луч направляют в зону обработки. Через патрубок 5 в полость между корпусом сопла 1 и вставкой 2 подают порошковый наплавляемый материал (например, самофлюсующийся или несамофлюсующийся). Подача наплавляемого материала в кольцевой зазор обеспечивает плавление порошка непосредственно в зоне обработки.

Одновременно через патрубок 8 в корпус 1 сопла подают газ (воздух или инертный газ) для защиты элементов фокусирующей оптики от частиц наплавляемого материала. Лазерная наплавка осуществляется по схеме: неподвижный луч - перемещаемая деталь. Подача порошка относительно движения детали (образца) осуществляется перпендикулярно обрабатываемой поверхности. Поэтому подача легирующих элементов в кольцевой зазор снижает колебания разброса высоты и ширины валиков по длине до 7-13% независимо от направления перемещения детали относительно лазерного луча.

За базовый образец принято сопло для лазерной обработки деталей, используемое в ВНПО "Ремдеталь" с 1986 г. При этом в сопло подают лазерный луч и защитный газ и производят оплавление поверхности, на которую предварительно нанесена и высушена обмазка. Луч подается перпендикулярно обрабатываемой поверхности. Применение данного сопла позволяет получить повышение ресурса детали и экономично использовать наплавляемый материал. Однако имеется и ряд недостатков. К ним относятся необходимость подбора основы обмазки для различных материалов, необходимость изготовления, нанесения и сушки обмазки, что усложняет технологический процесс.

Применение предлагаемого сопла позволит получить равномерный подвод порошка в зону обработки; повысить качество формирования покрытия за счет снижения колебания разброса высоты и ширины валиков по их длине; исключить попадание легирующих элементов на внешнюю оптическую систему лазера; упростить технологию (взамен базового образца) подбора материалов для легирования поверхности и сократить технологический цикл за счет одновременной подачи наплавляемого материала и оплавления его.

Использование: лазерная наплавка. Сущность изобретения: сопло содержит корпус и установленную в нем вставку с центральным отверстием для прохода лазерного луча. Вставка установлена в корпусе с кольцевым зазором для подачи через него порошкообразных материалов в зону обработки из патрубка, установленного перпендикулярно оси сопла. При этом срез вставки размещен относительно среза корпуса на 0,1 - 0,7 диаметра сопла. Патрубок установлен в верхней части корпуса и служит для подачи защитного газа. Через отверстие в корпусе сопла и отверстие вставки лазерный луч направляют в зону обработки, а через патрубок в кольцевую полость между корпусом и вставкой подают порошкообразный материал, при этом луч неподвижен, а деталь с наплавляемым материалом перемещается. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СОПЛО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ с подачей порошкообразных легирующих элементов, содержащее корпус и установленную в нем вставку с центральным отверстием для прохода лазерного луча и патрубок для подачи легирующих элементов, отличающееся тем, что, с целью повышения качества, вставка установлена в корпусе с кольцевым зазором, при этом 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. 2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что, с целью защиты оптической системы лазера от легирующих элементов, корпус снабжен патрубком для защитного газа, установленным перпендикулярно к оси сопла.