СОПЛО ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ПОДАЧИ ПОРОШКА, ВЫПОЛНЕННОЕ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ФОКУСА ПОДАЧИ ПОРОШКА Российский патент 2021 года по МПК C23C24/10 B05B7/12 B05B7/14 B05B1/30 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области высокотехнологичного лазерного производства и, в частности, к соплу для коаксиальной подачи порошка, выполненному с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка.

Уровень техники

Образование покрытия из сплава с высокими прочностными характеристиками на поверхностях ключевых деталей имеет большое значение для увеличения срока службы деталей и надежности механических изделий. Преимуществами покрытия из сплава, выполненного методом лазерной наплавки с синхронной подачей порошка, являются высокая прочность сцепления, небольшая степень разбавления, небольшая зона термического влияния и небольшая термическая деформация деталей, а также высокая адаптивность материала, простота внедрения автоматизации производства и т.д. Поэтому метод лазерной наплавки с синхронной подачей порошка постепенно стал широко применяемым методом обработки поверхности материалов.

В методе лазерной наплавки с синхронной подачей порошка транспортировка порошка является ключевым звеном в процессе. Синхронная подача порошка включает в основном боковую подачу порошка и коаксиальную подачу порошка. Боковая подача порошка имеет направленность и подходит только для простых двумерных траекторий наплавки. Преимущество коаксиальной подачи порошка состоит в том, что она является ненаправленной и подходит для различных сложных траекторий наплавки. В системе подачи порошка сопло для коаксиальной подачи порошка является ключевым компонентом для реализации коаксиальной подачи порошка. Сопло для коаксиальной подачи порошка в основном располагается на конической кольцевой полости для подачи порошка, чтобы сужать поток порошка под соплом под определенным углом выхода порошка. Фокус схождения потока порошка зависит от конструктивных параметров сопла, таких как угол конуса полости для подачи порошка и т.д. Как правило, фокус схождения потока порошка не регулируется, что влияет на применение коаксиальной подачи порошка на поверхностях сложной формы. Следовательно, разработка сопла для коаксиальной подачи порошка с функцией регулировки фокуса схождения потока порошка имеет большое значение для расширения области применения технологии лазерной наплавки. В настоящее время существующие коаксиальные сопла для подачи порошка, способные регулировать фокус схождения потока порошка, изменяют угол впрыска потока порошка за счет механической передачи. Такой метод называется методом механической регулировки.

Раскрытие сущности изобретения

Чтобы преодолеть недостатки предшествующего уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает сопло для коаксиальной подачи порошка, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка для достижения регулируемого фокуса схождения потока порошка.

Для достижения описанной выше цели настоящее изобретение использует следующую техническую схему:

Сопло для коаксиальной подачи порошка, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, содержит лазерную головку, рукав, головку для коаксиальной подачи порошка, полость для подачи порошка, рубашку с водяным охлаждением и полость для охлаждения воды, при этом рукав присоединен под лазерной головкой, а головка для коаксиальной подачи порошка присоединена под рукавом; над рукавом предусмотрена фокусирующая линза для фокусировки параллельных лазерных лучей; на верхнем конце головки для коаксиальной подачи порошка предусмотрен кусок защитного стекла для предотвращения попадания в рукав взвешенных микрочастиц и загрязнения лазерной головки; полость для подачи порошка представляет собой сужающуюся кольцевую полость, образованную между внешней стенкой головки для коаксиальной подачи порошка и рубашкой с водяным охлаждением; полость для подачи порошка разделена на внутреннюю полость и внешнюю полость изолирующей пластиной и регулировочными лопатками, при этом внутренняя полость представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стороной изолирующей пластины и внешней стенкой головки для коаксиальной подачи порошка, а внешняя полость представляет собой кольцевую полость, образованную внешней стороной изолирующей пластины и внутренней стороной полости для подачи порошка; внутренняя полость выполнена с возможностью транспортировки потока газа, несущего порошок, верхняя часть внутренней полости соединена с множеством впускных отверстий для порошка, которые распределены равномерно с определенным интервалом, а впускные отверстия для порошка выполнены с возможностью соединения трубопроводом для потока газа, несущего порошок, так что поток газа, несущего порошок, входит во внутреннюю полость головки для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия для порошка; внешняя полость представляет собой канал для защитного газа, а верхняя часть внешней полости соединена с множеством впускных отверстий для газа, которые распределены равномерно с определенным интервалом, и впускные отверстия для газа выполнены с возможностью соединения с трубопроводом для потока защитного газа, так что поток защитного газа попадает во внешнюю полость головки для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия для газа; полость для охлаждения воды представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стенкой рубашки с водяным охлаждением и внешней стенкой полости для подачи порошка и соединена с впускным отверстием для воды и выпускным отверстием для воды; имеется множество регулировочных лопаток, равномерно распределенных в круговом направлении и соединенных с нижним концом изолирующей пластины, и регулировочные лопатки могут отклоняться относительно головки для коаксиальной подачи порошка.

Кроме того, полость для подачи порошка, рукав и лазерная головка соответственно соединены с головкой для коаксиальной подачи порошка при помощи резьбы.

Кроме того, изолирующая пластина представляет собой конический рукав.

Кроме того, регулировочные лопатки представляют собой лопатки трапециевидной дугообразной формы с дугообразным поперечным сечением, перпендикулярным направлению высоты трапеции.

Кроме того, предусмотрены как минимум три регулировочных лопатки.

Кроме того, регулировочные лопатки соединены с изолирующей пластиной посредством механического шарнира или при помощи неподвижного соединения и отклоняются в результате механического отклонения или упругого отклонения.

Кроме того, между соседними регулировочными лопатками предусмотрен компенсационный зазор.

Кроме того, обе стороны регулировочной лопатки снабжены удлинительной частью в качестве синхронизированной координационной конструкции.

Принцип настоящего изобретения заключается в следующем: согласно настоящему изобретению регулировка фокуса схождения потока порошка осуществляется посредством пневматического отклонения регулировочных лопаток. Поток газа, несущего порошок, во внутренней полости и поток защитного газа во внешней полости воздействуют с двух сторон регулировочных лопаток, и разные скорости газового потока создают разные давления на поверхностях регулировочных лопаток, так что регулировочные лопатки имеют разные углы отклонения. Другими словами, регулировочные лопатки можно отклонять внутрь или наружу путем регулировки скорости потока газа, несущего порошок, во внутренней полости и скорости потока защитного газа во внешней полости с целью изменения угла падения порошка. В частности, когда порошок транспортируется определенным потоком газа, несущего порошок во внутренней полости, регулировочные лопатки соответствуют начальному углу отклонения, и поток порошка под коаксиальным соплом сужается к начальной точке схождения. По мере постепенного увеличения скорости потока защитного газа во внешней полости регулировочные лопатки постепенно отклоняются, механически или упруго, наружу, так что фокус схождения потока порошка постепенно перемещается вниз от первоначального фокуса схождения.

Преимущества: по сравнению с существующими коаксиальными соплами для подачи порошка настоящее изобретение в основном обладает следующими преимуществами:

1. Сопло для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению регулирует фокус схождения потока порошка пневматически. Способ управления сходимостью потока порошка прост и эффективен, обладает высокой скоростью срабатывания, высокой надежностью и высокой чувствительностью, а также обеспечивает широкий диапазон регулировки фокуса схождения потока порошка и непрерывную плавную регулировку фокуса схождения потока порошка.

2. Сопло для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению использует отклонение регулировочных лопаток для управления фокусом схождения потока порошка. Таким образом, оно имеет простую и компактную механическую конструкцию, оно небольшое по размеру и легкое, так что инерция подвижного устройства, установленного с коаксиальным соплом снижается, наплавку можно проводить с высокой скоростью и производительность обработки повышается.

3. Поток порошка, подаваемый через сопло для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению, сужается под синергическим воздействием потока газа во внутренней полости и потока газа во внешней полости. В дополнение к предотвращению окисления порошка и регулировке отклонения лопаток, поток газа во внешней полости также выполняет функцию удерживания порошка в потоке порошка. Таким образом, концентрация сужающегося потока порошка в фокусе является высокой, улучшается эффективность использования порошка и снижается стоимость изготовления.

4. Отклоняющее действие регулировочных лопаток в коаксиальном сопле для подачи порошка согласно настоящему изобретению может предотвращать засорение выпускного отверстия сопла порошком, обеспечивает эффект самоочищения и является полезным для увеличения срока службы сопла. Кроме того, поскольку подвижное регулировочное устройство является простым (особенно в виде упругого отклонения), техническое обслуживание сопла является удобным.

5. Сопло для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению обладает высокой гибкостью и высокой адаптируемостью к различным рабочим условиям. При проведении лазерной наплавки или лазерного ремонта на неровной поверхности или на поверхности сложной конструкции необходимо обеспечить совпадение фокуса схождения порошка с положением наплавки. При наличии сигнала обратной связи о положении ванны расплава, сопло для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению может реализовывать оперативную регулировку и управление с обратной связью фокусом схождения порошка во время обработки.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена схематическая структурная диаграмма сопла для коаксиальной подачи порошка согласно настоящему изобретению;

На фиг. 2 представлен вид в перспективе регулировочных лопаток;

На фиг. 3 представлен вид сверху в разрезе на фиг. 1 по линии А-А.

На фигурах:

1 - лазерная головка;

2 - фокусирующая линза;

3 - рукав;

4 - защитное стекло;

5 - головка для коаксиальной подачи порошка;

6 - внутренняя полость;

7 - впускное отверстие для порошка;

8 - изолирующая пластина;

9 - внешняя полость;

10 - впускное отверстие для газа;

11 - регулировочные лопатки;

111 - удлинительная часть;

12 - рубашка с водяным охлаждением;

13 - водоприемник;

14 - полость для охлаждения воды;

15 - выпускное отверстие для воды.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Как показано на фиг. 1 и 3, сопло для коаксиальной подачи порошка, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса согласно настоящему изобретению, содержит лазерную головку 1, рукав 3, головку 5 для коаксиальной подачи порошка, изолирующую пластину 8, регулировочные лопатки 11, удлинительную часть 111, рубашку 12 с водяным охлаждением и полость 14 для охлаждения воды.

Рукав 3 соединен под лазерной головкой 1. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения лазерная головка 1 соединена с рукавом 3 четырьмя болтами, равномерно распределенными в круговом направлении.

Головка 5 для коаксиальной подачи порошка присоединена под рукавом 3. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения головка 5 для коаксиальной подачи порошка соединена с рукавом 3 четырьмя болтами, равномерно распределенными в круговом направлении.

Над рукавом 3 предусмотрена фокусирующая линза 2 для фокусировки параллельных лазерных лучей.

На верхнем конце головки 5 для коаксиальной подачи порошка предусмотрено защитное стекло 4 для предотвращения попадания взвешенных микрочастиц в рукав 3 и загрязнения лазерной головки 1.

Полость для подачи порошка представляет собой коническую кольцевую полость, образованную между внешней стенкой головки 5 для коаксиальной подачи порошка и рубашкой 12 с водяным охлаждением, которая разделена на внутреннюю полость 6 и внешнюю полость 9 изолирующей пластиной 8 и регулировочными лопатками 11.

Внутренняя полость 6 представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стороной изолирующей пластины 8 и внешней стенкой головки 5 для коаксиальной подачи порошка. Внутренняя полость 6 выполнена с возможностью пропуска потока газа, несущего порошок, верхняя часть внутренней полости 6 соединена с четырьмя впускными отверстиями 7 для порошка, которые распределены равномерно, и впускные отверстия 7 для порошка выполнены с возможностью соединения с трубопроводом для потока газа, несущего порошок, так что поток газа, несущего порошок, входит во внутреннюю полость 6 сопла для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия 7 для порошка.

Наружная полость 9 представляет собой кольцевую полость, образованную внешней стороной изолирующей пластины 8 и внутренней стороной полости для подачи порошка. Наружная полость 9 представляет собой канал для защитного газа, верхняя часть внешней полости 9 соединена с четырьмя впускными отверстиями 10 для газа, которые распределены равномерно, и впускные отверстия 10 для газа выполнены с возможностью соединения с трубопроводом для потока защитного газа, так что поток защитного газа поступает во внешнюю полость 9 головки для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия 10 для газа.

Полость 14 для охлаждения воды представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стенкой рубашки 12 с водяным охлаждением и внешней стенкой полости для подачи порошка и соединена с впускным отверстием 13 для воды и выпускным отверстием 15 для воды. Вода в рубашке 12 с водяным охлаждением протекает в полость 14 для охлаждения воды через впускное отверстие 13 для воды и выпускное отверстие 15 для воды для снижения температуры на выходе из сопла.

Имеется множество (обычно по меньшей мере три) регулировочных лопаток 11, которые равномерно распределены в круговом направлении и соединены с нижним концом изолирующей пластины 8 и могут отклоняться относительно головки 5 для коаксиальной подачи порошка. Фокус схождения потока порошка можно регулировать путем отклонения регулировочных лопаток 11.

Регулировочные лопатки 11 соединены с изолирующей пластиной 8 посредством механического шарнира или при помощи неподвижного соединения и, соответственно, могут механически или упруго отклоняться. Соответствующие регулировочные лопатки выполнены из материала с высокой теплопроводностью или материала с высокой эластичностью, соответственно. В одном варианте осуществления согласно настоящему изобретению регулировочные лопатки 11 соединены с изолирующей пластиной 8 при помощи шарнира.

Как показано на фиг. 2, регулировочная лопатка 11 представляет собой трапециевидную дугообразную лопатку с дугообразным поперечным сечением, перпендикулярным направлению высоты трапеции, а длина стороны конца, соединенного с изолирующей пластиной 8, больше, чем длина стороны противоположного конца.

Для обеспечения того, что движение между регулировочными лопатками 11 не будет прерываться, между соседними регулировочными лопатками 11 сохраняется компенсационный зазор от 1 до 2 мм. Таким образом может предотвращаться взаимодействие или столкновение регулировочных лопаток 11 друг с другом во время непрерывного отклонения.

Обе стороны регулировочной лопатки 11 снабжены удлинительной частью 111 в виде синхронизированной координационной конструкции, чтобы обеспечить, что равномерно распределенные регулировочные лопатки 11 имеют постоянный угол отклонения и играют роль взаимного ограничения.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрены четыре регулировочные лопатки 11. Компенсационный зазор между регулировочными лопатками 11 составляет 2 мм; толщина регулировочной лопатки 11 на верхнем конце составляет 0,4 мм, а толщина регулировочной лопатки 11 на нижнем конце составляет 0,2 мм. Регулировочные лопатки 11 выполнены из красной меди Т2.

Изолирующая пластина 8 представляет собой конический рукав из высокотермостойкого материала, такого как жаропрочная легированная сталь, термостойкий сплав или керамический материал и т.д. В предпочтительном варианте осуществления согласно настоящему изобретению изолирующая пластина выполнена из термостойкого сплава ГХ1015 толщиной 0,5 мм. Изолирующая пластина 8 соединена с головкой 5 для коаксиальной подачи порошка при помощи резьбы.

При условии поддержания постоянного расхода газа, несущего порошок, во внутренней полости 6, регулировочные лопатки 11 могут отклоняться внутрь или наружу, регулируя расход защитного газа во внешней полости 9, так что реализуется регулировка фокуса схождения потока порошка. В частности, по мере постепенного увеличения расхода защитного газа во внешней полости 9, регулировочные лопатки 11 механически постепенно отклоняются наружу, так что фокус схождения потока порошка постепенно перемещается вниз от первоначального фокуса схождения.

Изобретение предназначено для порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей с покрытием из металлических сплавов методом лазерной наплавки с синхронной подачей порошка. Сопло для коаксиальной подачи порошка содержит лазерную головку (1), рукав (3), фокусирующую линзу (2) для фокусировки параллельных лазерных лучей, защитное стекло (4) для предотвращения попадания в рукав (3) взвешенных микрочастиц и загрязнения лазерной головки (1), головку (5) для коаксиальной подачи порошка, полость для подачи порошка, рубашку (12) с водяным охлаждением и полость (14) для охлаждения воды. Полость для подачи порошка представляет собой сужающуюся кольцевую полость, образованную между внешней стенкой головки (5) и рубашкой (12), разделённую на внутреннюю (6) и внешнюю (9) полости посредством изоляционной пластины (8) и регулировочных лопаток (11). Внутренняя полость (6) выполнена с возможностью транспортировки потока газа, несущего порошок, причём её верхняя часть соединена с множеством впускных отверстий (7) для порошка, распределённых равномерно с интервалом и выполненных с возможностью соединения с трубопроводом для потока газа, несущего порошок. Внешняя полость (9) представляет собой канал для защитного газа, верхняя её часть соединена с множеством впускных отверстий (10) для газа, распределённых равномерно через интервал и выполненных с возможностью соединения с трубопроводом для потока защитного газа. Регулировочные лопатки (11) могут быть выполнены из красной меди Т2 и равномерно распределены в круговом направлении, соединены с нижним концом изоляционной пластины (8), выполнены с возможностью отклонения относительно головки (5) и представляют собой трапециевидные дугообразные лопатки с дугообразным поперечным сечением, перпендикулярным направлению высоты трапеции, причём обе их стороны снабжены удлинительной частью в качестве синхронизированной координационной конструкции. Полость (14) соединена с впускным отверстием (13) для воды и выпускным отверстием (15) для воды. Полость для подачи порошка, рукав (3) и лазерная головка (1) соединены с головкой (5) при помощи резьбы. Изоляционная пластина (8) представляет собой конический рукав, изготовленный из жаропрочного материала. Регулировочные лопатки (11) соединены с изоляционной пластиной (8) посредством механического шарнира или неподвижного соединения, между соседними регулировочными лопатками (11) сохраняется компенсационный зазор. Сопло с пневматической регулировкой фокуса потока порошка имеет высокую чувствительность, широкий диапазон регулировки, а также более простую конструкцию по сравнению с соплами с механической регулировкой, что обеспечивает возможность обработки поверхностей сложной формы, увеличивает срок службы деталей и их надёжность. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сопло для коаксиальной подачи порошка, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, отличающееся тем, что

оно содержит лазерную головку (1), рукав (3), головку (5) для коаксиальной подачи порошка, полость для подачи порошка, регулировочные лопатки (11), рубашку (12) с водяным охлаждением и полость (14) для охлаждения воды,

причем рукав (3) соединен под лазерной головкой (1), а головка (5) для коаксиальной подачи порошка присоединена под рукавом (3);

над рукавом (3) предусмотрена фокусирующая линза (2) для фокусировки параллельных лазерных лучей;

на верхнем конце головки (5) для коаксиальной подачи порошка предусмотрен кусок защитного стекла (4) для предотвращения попадания в рукав взвешенных микрочастиц и загрязнения лазерной головки (1);

полость для подачи порошка представляет собой сужающуюся кольцевую полость, образованную между внешней стенкой головки (5) для коаксиальной подачи порошка и рубашкой (12) с водяным охлаждением;

полость для подачи порошка разделена на внутреннюю полость (6) и внешнюю полость (9) изоляционной пластиной (8) и регулировочными лопатками (11),

при этом внутренняя полость (6) представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стороной изоляционной пластины (8) и внешней стенкой головки (5) для коаксиальной подачи порошка, а внешняя полость (9) представляет собой кольцевую полость, образованную внешней стороной изоляционной пластины (8) и внутренней стороной полости для подачи порошка;

внутренняя полость (6) выполнена с возможностью транспортировки потока газа, несущего порошок, верхняя часть внутренней полости (6) соединена с множеством впускных отверстий (7) для порошка, которые распределены равномерно с интервалом, и впускные отверстия (7) для порошка выполнены с возможностью соединения с трубопроводом для потока газа, несущего порошок, так что поток газа, несущего порошок, входит во внутреннюю полость (6) сопла для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия для порошка;

внешняя полость (9) представляет собой канал для защитного газа, а верхняя часть внешней полости (9) соединена с множеством впускных отверстий (10) для газа, которые распределены равномерно через интервал, и впускные отверстия (10) для газа выполнены с возможностью соединения с трубопроводом для потока защитного газа, так что поток защитного газа входит во внешнюю полость (9) сопла для коаксиальной подачи порошка через впускные отверстия для газа;

регулировочные лопатки (11) равномерно распределены в круговом направлении и соединены с нижним концом изоляционной пластины (8), при этом регулировочные лопатки выполнены с возможностью отклонения относительно головки (5) для коаксиальной подачи порошка;

полость (14) для охлаждения воды представляет собой кольцевую полость, образованную внутренней стенкой рубашки (12) с водяным охлаждением и внешней стенкой полости для подачи порошка и соединена с впускным отверстием (13) для воды и выпускным отверстием (15) для воды;

причем регулировочные лопатки (11) представляют собой трапециевидные дугообразные лопатки с дугообразным поперечным сечением, перпендикулярным направлению высоты трапеции, и обе стороны регулировочной лопатки (11) снабжены удлинительной частью (111) в качестве синхронизированной координационной конструкции.

2. Сопло для коаксиальной подачи порошка по п.1, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором полость для подачи порошка, рукав (3) и лазерная головка (1), соответственно, соединены с головкой (5) для коаксиальной подачи порошка при помощи резьбы.

3. Сопло для коаксиальной подачи порошка по п.1, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором изоляционная пластина (8) представляет собой конический рукав, изготовленный из жаропрочного материала.

4. Сопло для коаксиальной подачи порошка по п.1, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором предусмотрены по меньшей мере три регулировочные лопатки (11).

5. Сопло для коаксиальной подачи порошка по п.1, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором регулировочные лопатки (11) соединены с изоляционной пластиной (8) посредством механического шарнира или при помощи неподвижного соединения и отклоняются в результате механического отклонения или упругого отклонения.

6. Сопло для коаксиальной подачи порошка по любому из пп. 1, 4, 5, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором между соседними регулировочными лопатками (11) сохраняется компенсационный зазор.

7. Сопло для коаксиальной подачи порошка по п.1, выполненное с возможностью пневматической регулировки фокуса схождения потока порошка, в котором регулировочные лопатки (11) выполнены из красной меди Т2.