СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной наплавки.

Целью изобретения является повышение качества и производительности путем формирования за один проход наплавленного слоя заданной конфигурации.

На фиг.1 изображена схема процесса лазерной наплавки при колебании струи порошкового материала в зоне воздействия лазерного луча; на фиг.2 кривые распределения плотности потока порошкового материала по шиpине зоны воздействия лазерного луча для случаев синусоидального и пилообразного закона колебания струи при постоянном расходе материала; на фиг.3 кривые распределения при формировании валиков наплавленного материала с равномерным поперечным сечением; на фиг.4 кривая перемещения оси порошкового материала при синосоидальном и пилообразном колебаниях; на фиг.5 и 6 диаграммы распределения порошкового материала в струе, при формировании валиков, равномерных по толщине при синусоидальном и пилообразном колебаниях струи материала; на фиг.7 устройство для осуществления способа.

При наплавке на напыляемую поверхность 1 воздействуют лазерным лучом 2, в зону наплавки 3 подают струю 4 порошкового материала и осуществляют относительное перемещение луча 2 и наплавляемого изделия. Струю 4 порошкового материала перемещают относительно области воздействия луча 2.

Струя 4 порошкового материала может быть разделена на несколько частей с разным расходом порошка.

Перемещение струи 4 порошкового материала может осуществляться в соответствии с соотношением
t(x) K₁ ˙K₂(x)˙δ (x), где х поперечная координата наплавляемой полосы изделия;
t время попадания струи порошка в точки на поверхности 1 обрабатываемого изделия с координатой х за период перемещения зоны обработки на расстояние, равное длине зоны наплавки 3;
К₁ постоянная величина для конкретной пары порошкового материала и материала наплавляемого изделия;
К₂(х) функция, учитывающая действие сил поверхностного натяжения жидкой фазы в процессе наплавки;
δ (х) заданная толщина наплавляемого слоя.

Расход порошкового материала может изменяться по соотношению
(x) K₃·K₂(x)·δ(x), где (x) средняя плотность струи 4 порошкового материала в точках на поверхности изделия с координатой х за период перемещения зоны наплавки 3 на pасстояние, равное длине зоны наплавки;
К₃ постоянная величина для конкретной пары порошкового материала наплавляемого изделия.

Струю 4 порошкового материала можно частично перекрывать (см.фиг.1-6).

Устройство для осуществления способа содержит лазер 5 с оптической системой 6 и питатель 7 для подачи порошкового материала с соплом 8, установленным возможностью колебания относительно рабочего стола 9 для закрепления и перемещения изделия. Устройство также снабжено дополнительным приводом (не показан) относительного перемещения сопла 8 и рабочего стола 9.

Между соплом 8 и рабочим столом 9 может быть установлен распределитель 10 струи 4 порошкового материала, выполненный в виде, по меньшей мере, одной обечайки прямоугольного сечения с продольными перегородками 11, расположенными на неравных расстояниях и под разными углами одна к другой.

Устройство работает следующим образом.

В процессе наплавки при колебании сопла 8 струя порошкового материала поочередно попадает в каждую полость распределителя 10. При постоянном законе колебания сопла 8 средний расход наплавочного материала в каждой полости i пропорционален расстоянию l_i. Управление характером распределения плотности потока порошкового материала в зоне наплавки 3 производят путем изменения расстояний li. Для этого устройство может быть дополнительно снабжено приводом управления положением перегородок 11.

Для подачи порошкового материала в зону наплавки при получении более сложной формы, а также для одновременной обработки нескольких изделий или одного изделия в нескольких местах к выходным торцам полостей распределителя 10 могут быть подсоединены трубопроводы или желоба, направляющие порошковой материал в соответствующие места.

Предложенные способы и устройство могут быть также применены для лазерного легирования поверхности материалов и изделий.

При перемещении порошкового материала по зоне наплавки 3 формируют валики с равномерным по толщине поперечным сечением, а также валики любой конфигурации.

П р и м е р. Производят лазерную наплавку износостойкого порошкового сплава на основе вольфрама ВСНГН-35 (ГОСТ 21.448-75) на изделия из конструкционной стали. Для наплавки используют лазерную технологическую установку М 973 фирмы Spectra-Physics (США) номинальной мощностью 2,5 кВт. Для фокусировки излучения используют линзу из хлорида калия с фокусным расстоянием 500 мм. Диаметр луча в зоне обработки составляет 1 мм. Амплитуда колебания излучения (ширина зоны нагрева) составляет 15 мм. Порошковый материал дисперсностью 40-100 мкм из порошкового питателя подают в область воздействия лазерного луча с помощью трубчатого сопла, имеющего диаметр рабочего сечения 0,75 мм. В процессе обработки соплу с помощью кулачкового механизма сообщают пилообразные и синусоидальные колебания вдоль большой оси зоны нагрева. Частота колебаний составляет 10 Гц. Наплавку осуществляют на следующем режиме: Мощность излучения 2 кВт
Скорость перемещения изделия 1,5 мм/с
Расход наплавочного материала 0,2 г/с
В результате наплавки получены валики шиpиной 15 мм и толщиной в среднем 1 мм. В случае пилообразных колебаний струи порошкового материала форма поперечного сечения валиков имеет специфический вид растекающейся по твердой поверхности капли жидкости. В случае синусоидальных колебаний струи в центральной части поперечного сечения наблюдают провал глубиной 0,4 мм. При модуляции расхода материала на этом же режиме получены валики, равномерные по толщине. При этом расход изменяют в пределах ± 0,1 г/с при среднем уровне расхода 0,2 г/с.

Для случаев пилообразного и синусоидального сканирования струи порошкового материала по зоне наплавки получают равномерные по толщине валики указанных размеров при диафрагмировании струи материала с помощью диафрагм. При этом расход материала составляет 0,3 г/с, а мощность излучения и скорость перемещения изделия в процессе наплавки равны указанным выше.

Кроме того, производят лазерную наплавку, в процессе которой осуществляют разделение получаемого при колебании струи порошка на 8 частей, различных по расходу наплавочного материала, и последующую подачу каждой части в поперечно-полосовой источник нагрева. Входящий в состав устройства распределитель потока порошка выполняют в виде сужающегося в низу короба, имеющего размеры верхнего (входного) сечения 5х30 мм, а нижнего (выходного) 1х15 мм. Короб разделен семью гибкими жестяными перегородками, закрепленными в нижней части короба на одинаковых расстояниях одна от другой. Перегородки установлены с возможностью отклонения на некоторый угол одна относительно другой.

Диаметр струи порошка в плоскости входного сечения распределителя составляет 3 мм. Равномерная в поперечном сечении толщина наплавленных валиков обеспечивается в случае синусоидальных колебаний струи порошка при следующих расстояниях l_i: l₁ 4 мм; l₂ 3 мм; l₃ 4 мм; l₄ 4 мм; в случае пилообразных колебаний при l₁5,5 мм; l₂ 4 мм; l₃ 3 мм; l₄ 2,5 мм (расстояния l₅,l₈ равны соответственно l₄,l₁).

Кроме того, при расстояниях l₁ 5,5 мм; l₂ 2,5 мм; l₃ 2,5 мм; l₄ 4,5 мм получены валики, имеющие "волнистую" форму поперечного сечения.

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной наплавке. Целью изобретения является повышение качества и производительности путем формирования за один проход наплавленного слоя заданной конфигурации. При наплавке на поверхность воздействуют лазерным лучом, в зону наплавки подают струю порошкового материала и осуществляют относительное перемещение луча и наплавляемого изделия. Струю порошкового материала перемещают относительно области воздействия луча. При этом струя может разделяться на несколько частей с различным расходом порошка, а также частично перекрываться. Для разделения струи устройство для наплавки снабжено распределителем в виде обечайки с продольными перегородками, расположенными на неравных расстояниях и под разными углами одна к другой. При перемещении струи порошкового материала относительно распределителя регулируют плоскость и расход порошка, подаваемого в зону наплавки. 2 с. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ лазерной наплавки, при котором на наплавляемую поверхность воздействуют лазерным лучом, в зону наплавки подают струю порошкового материала и осуществляют относительное перемещение луча и наплавляемого изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и производительности путем формирования за один проход наплавляемого слоя заданной конфигурации, струю порошкового материала перемещают относительно области воздействия луча. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что струю порошкового материала разделяют на несколько частей с различным расходом порошка. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение струи порошкового материала осуществляют в соответствии с соотношением
t(x) = K₁·K₂(x)·δ(x),
где x поперечная координата наплавляемой полосы изделия;
t время попадания струи порошка в точки на поверхности обрабатываемого изделия с координатой x за период перемещения зоны обработки на расстояние, равное длине зоны наплавки;
K₁ постоянная величина для конкретной пары порошкового материала и материала наплавляемого изделия;
K₂(x) функция, учитывающая действие сил поверхностного натяжения жидкой фазы в процессе наплавки;
δ(x) заданная толщина наплавляемого слоя. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход порошкового материала изменяют по соотношению

средняя плотность струи порошкового материала в точках на поверхности изделия с координатой x за период перемещения зоны наплавки на расстояние, равне длине зоны наплавки;
K₃ постоянная величина для конкретной пары порошкового материала и материала, наплавляемого изделия. 5. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что струю порошкового материала частично перекрывают. 6. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее лазер с оптической системой и питатель для подачи порошкового материала с соплом, установленным с возможностью колебания относительно рабочего стола для закрепления и перемещения изделий, отличающееся тем, что, с целью повышения качества и производительности путем формирования за один проход наплавленного слоя заданной конфигурации, оно снабжено дополнительным приводом относительного перемещения сопла и рабочего стола. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что между соплом и рабочим столом установлен распределитель струи порошкового материала, выполненный в виде по меньшей мере одной обечайки прямоугольного сечения с продольными перегородками, расположенными на неравных расстояниях и под разными углами одна относительно другой.