Способ лазерной обработки Советский патент 1992 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к технологии лазерной обработки материалов, преимущественно к обработке тонкого поверхностного слоя металлов (лазерное поверхностное легирование, наплавка, рафинирование, глазурирование и т. п.). Может использоваться и при лазерной сварке.

Известны способы лазерной поверхностной обработки, при которых на поверхность перемещающейся металлической детали воздействует лазерным лучом с плотностью мощности, позволяющей производить обработку тонкого поверхностного слоя. Основным недостатком этих способов является низкая производительность, что объясняется, во-первых, низким (10...20%) КПД лазерных установок, а во-вторых, невысокой поглощающей способностью металлической поверхности лазерного излучения

(до 10% без применения поглощающих покрытий). К недостаткам способов лазерной обработки поверхности относится также высокая стоимость лазеров.

По своей технической сущности наиболее близким к предлагаемому является способ лазерной обработки, при котором для увеличения мощности источника нагрева в пятно воздействия лазерного луча на поверхность детали вводят дуговой разряд, зажигаемый между поверхностью детали и электродом, расположенным над поверхностью детали вблизи пятна воздействия лазерного луча. Этот способ принят в качестве прототипа. Данный способ позволяет существенно увеличить производительность, используя дополнительно более дешевый источник энергии при сохранении локальноVJ

О

ю

g

го характера нагрева, присущего лазерной обработке.

Недостатками этого способа являются малая ширина трека и ограниченные возможности обработки тонкого поверхностного слоя детали.

Целью изобретения является повышение качества лазерно-дуговой поверхностной обработки путем увеличения ширины трека и повышения равномерности глубины проплавления.

Для достижения указанной цели в известном способе лазерной обработки, при котором на поверхности детали воздействуют одновременно лазерным лучом и дуговым разрядом, локализованным в обрабатываемой зоне, зажигаемым между деталью и электродом, согласно изобретению производят колебательное перемещение зоны локализации дугового разряда по поверхности обрабатываемой детали, сканируя лазерный луч по области воздействия дугового разряда на поверхности детали. Кроме того, дополнительно производят модуляцию мощности дугового разряда и (или) лазерного луча синхронизированно со сканированием луча. Предлагается также в процессе обработки производить колебания электрода синхронизированно со сканированием лазерного луча вдоль траектории его перемещения. При этом предлагается производить изменение расстояния между электродом и пятном воздействия лазерного луча на поверхность детали синхронизированно со сканированием лазерного луча.

За счет колебаний электрода вдоль траектории перемещения лазерного луча синх- ронизированно со сканированием лазерного луча обеспечиваются дополнительное увеличение площади зоны обработки, увеличение ширины трека, расширяются возможности обработки. Изменение расстояния между электродом и пятном воздействия луча при синхронизированных сканировании луча и колебании электрода обеспечивает эффект модуляции мощности источника нагрева независимо от внешнего источника питания. С изменением этого расстояния изменяется напряжение дугового разряда и, соответственно, его мощность. Фиг. 1 иллюстрирует предлагаемый способ лазерной обработки с использованием сканируемого луча при фиксированном положении электрода. Фиг. 2 иллюстрирует способ обработки с колебаниями электрода вдоль траектории сканирования лазерного луча.

Фиг. 3 иллюстрирует влияние характера модуляции мощности (тока) дугового разряда, мощности лазерного луча и расстояния между электродами и пятном воздействия луча на поверхности детали на распределение энерговклада и на изменение глубины

проплавления обрабатываемой детали по ширине трека.

Способ осуществляется следующим образом.

На поверхность детали 1 воздействуют

фокусируемым лазерным лучом 2. Между деталью и электродом 3, расположенным вблизи пятна 4 воздействия луча на деталь, зажигают дуговой разряд 5, который локализуется в пятне 4. Лазерный луч сканирует

по заданному закону в пределах области воздействия дугового разряда в отсутствии лазерного луча, ограниченной пунктирной

линией. При этом вместе с лазерным лучом перемещается зона локализации дугового

разряда 4. Для увеличения размеров обрабатываемого участка поверхности производятперемещениеэлектродасинхронизированно с движением луча вдоль траектории его перемещения. Например, в случае обработки поверхности относительно большой площади при поступательном перемещений детали производят поперечное (поперек трека 6) сканирование лазерного луча и поперечное

колебание электрода (фиг. 2).

Для управления распределением энерговклада с целью оптимизации температурного поля в поверхностном слое детали производят модуляцию тока дугового

разряда и (или) мощности лазерного луча и (или) изменение расстояния h между электродом 3 и пятном воздействия луча 4, синх- ронизированно с колебаниями луча. Например (фиг. 3), для обеспечения равномерного распределения плотности мощности при поперечных (в направлении X) колебаниях лазерного луча по гармоничному закону:

X Asiruwt,

где А - амплитуда,

(О- круговая частота колебаний, необходимо модулировать ток дугового разряда и мощность лазерного луча по закону: I lo/cos cot/;

P P0/cos u т./,

где I0 - максимальный ток дугового разряда,

Ро - пиковая мощность лазерного излучения.

Указанный закон обеспечивает адекватную компенсацию перегрева крайних областей трека (вблизи точек реверса луча) за счет уменьшения суммарной мощности источника нагрева. На фиг. 3 сплошными

кривыми 7 иллюстрируется характер модуляции тока дугового разряда и мощности луча, когда обеспечивается равномерное распределение плотности мощности 8 по ширине трека. Форма проплавления при этом сегментообразна (кривая 9). Для обеспечения равномерной глубины проплавления 10 производят менее глубокую модуляцию 11 (штриховые линии), либо модулируют только ток разряда или только мощность луча. Пунктирные кривые 12 иллюстрируют распределение плотности мощности и форму проплавления в отсутствии модуляции мощности источника нагрева при гармоническом законе сканирования лазерного луча.

Управление распределением плотности мощности в зоне обработки может производиться также за счет изменения расстояния h между торцом электрода и зоной локализации дугового разряда синхронизирование со сканированием лазерного луча и колебаниями электрода. Напряжение дугового разряда и, следовательно, мгновенная мощность комбинированного источника нагрева пропорциональны расстоянию h. Изменение величины h может производиться при изменении расстояния между торцом электрода и поверхностью детали, а также при отклонении пятна воздействия лазерного луча от электрода в пло- скости обрабатываемой поверхности, подбирая соответствующие законы перемещения луча электрода. Нижняя диаграмма (кривая 13) фиг. 3 иллюстрирует характер изменения расстояния h, при котором обеспечивается равномерная глубина проплавления по ширине трека в случае гармоничного закона сканирования луча и синхронного перемещения электрода. Оптимальный закон модуляции мощности дугового разряда, лазерного излучения и расстояния и определяется конкретным технологическим применением способа.

Предлагаемый способ был применен при переплаве поверхностного слоя и при наплавке деталей из стали 20 износостойким порошковым сплавом ПГ-СР 4 (ГОСТ 21448-75). Обработка производилась на лазерной технологической установке М973 фирмы Spectra-Physics (США) номинальной мощностью 2,5 кВт. Лазерный луч фокусировался линзой из селенида цинка с фокусным расстоянием 220 мм. Сканирование луча поперек трека с частотой 50 Гц производилась путем колебаний зеркала (фиг. 2) с использованием электромагнитного колебательного привода. Дуговой разряд прямой полярности зажигался между деталью и вольфрамовым электродом, располагавшимся над поверхностью детали на расстоянии 4 мм. Для создания разряда использовался сварочный источник тока УПС-301. Переплав поверхности деталей производился на режиме: Р 1,35 кВт, мм/с, 6А, А 4,5 мм. Наплавка производилась при тех же параметрах V, I и А, при ,5 кВт и расходе порошка G 0,5 г/с. На указанных режимах были получены равномерный переплав поверхности деталей на глубину 0,5 мм при ширине трека 5 мм и качественное формирование наплавленных валиков высотой 0,8 мм и шириной 5 мм при глубине проплавления основы 0,2 мм. В отсутствие

сканирования лазерного луча не удается получить ширину трека более 2,5 мм. Формирование наплавленных валиков значительно хуже, больше доля участия осноаы в наплавленном слое, что снижает качество.

Коэффициент использования порошка в 2 раза меньше, чем при применении предлагаемого способа.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет:

а) увеличить равномерность глубины проплавления и тем самым улучшить качество обработки;

б) увеличить ширину обрабатываемой за один проход полосы поверхности детали;

в) оптимизировать температурное поле в процессе обработки.

Следует отметить, что предлагаемый способ, в отличие от известных, позволяет производить обработку участка детали, перемещая источник нагрева по заданному контуру с заданной скоростью, оставляя деталь и электрод неподвижными, что расширяет возможности лазерно-дуговой обработки.

Формула изобретения

1.Способ лазерной обработки, при котором на поверхность детали одновременно

воздействуют лазерным лучом и локализованным в зоне обработки дуговым разрядом, возбуждаемым между деталью и электродом, отличающийся тем, что, с целью повышения качества, производят

колебательное перемещение зоны локализации дугового разряда на поверхности детали, для чего лазерный луч сканируют в пределах катодного пятна при дуговом разряде в отсутствие лазерного луча.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что синхронно со сканированием лазерного луча модулируют мощность дугового разряда.

3.Способ по п. 1,отличающийся тем, что синхронно со сканированием лазерного луча модулируют его мощность.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем, что синхронно со сканированием лазерного луча колеблют электрод вдоль траектории его перемещения.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что синхронно со сканированием лазерного луча изменяют расстояние между электродом и пятном воздействия лазерного луча на поверхность детали.

Использование: легирование, наплавка, рафинирование и т. п. Сущность изобретения: в процессе одновременного воздействия на деталь лазерного луча и дугового разряда, локализованного в зоне обработки, производят колебательное перемещение зоны локализации дугового разряда по поверхности обрабатываемой детали, сканируя лазерный луч по области воздействия дугового разряда на поверхности детали. Кроме того, производят перемещение электрода синхронно со сканированием луча вдоль траектории его перемещения. В процессе обработки производят также модуляцию мощности дугового разряда и (или) мощности лазерного излучения и (или) расстояния между электродом и пятном воздействия луча на поверхность детали синхронно с колебаниями лазерного луча и электрода. 4 з. п. ф-лы, 3 ил. сл

Фиг. / /т

Фиг. 2

I

3

4 3

«М

f

«VI

Ј

eu

5

м fe

L И

Ч