ES2233723T3 - Aparato para aplicar un revestimiento de polvo con laser. - Google Patents
Aparato para aplicar un revestimiento de polvo con laser.Info
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Abstract
Aparato aplicar con láser a superficies interiores de componentes un revestimiento de un material aditivo especialmente en forma de polvo, el cual está constituido por una fuente de láser y una cabeza de aparato unida ópticamente con ésta y dotada de una lanza de revestimiento soportada en ella por medio de una guía giratoria y desplazable en traslación y rotación a lo largo de la superficie interior, en cuya lanza el rayo láser es dirigido axialmente desde la guía giratoria hasta la punta de la lanza y desde allí hasta la superficie interior del componente, caracterizado porque la lanza de revestimiento (4; 104) contiene un conductor óptico (2; 102) de guía del rayo láser que discurre continuamente por toda la longitud de la lanza desde la guía giratoria (5; 105) de la cabeza (3; 103) del aparato, por fuera de la superficie interior (16; 116) del componente, hasta la punta de la lanza.
Description
Aparato para aplicar un revestimiento de polvo
con láser.
La invención se refiere a un aparato para el
revestimiento con láser de superficies interiores de componentes con
un material aditivo especialmente en forma de polvo según el
preámbulo de la reivindicación 1.
Se conocen, en numerosas formas de ejecución,
aparatos para aplicar un revestimiento de polvo con láser a
superficies de componentes sometidas a altas cargas mecánicas. Así,
en el aparato de la clase citada al principio conocido por el
documento DE 196 43 029 A1 se revisten superficies de deslizamiento
de cilindros con un polvo de aluminio de alto contenido de silicio
por medio de una lanza de revestimiento giratoria unida ópticamente
con un láser sólido de Nd:YAG para producir así una superficie de
deslizamiento resistente al desgaste en cárteres de cigüeñales de
aluminio. En este caso, se conduce el rayo láser en un conductor
óptico desde el láser sólido hasta una guía giratoria que permite un
giro sinfín de la lanza de revestimiento sujeta con brida. En la
guía giratoria el rayo láser es desacoplado del conductor óptico y
colimado, y llega entonces, irradiando libremente a través de la
lanza, hasta una óptica de desviación y de enfoque, en donde el rayo
es desviado y enfocado hacia la superficie del cilindro que se ha de
revestir. Además, en la lanza están integradas unas tuberías de
suministro de medios de refrigeración, material en polvo, gas
protector y un gas de barrido para generar un chorro transversal que
despeja por soplado la ventana de salida del rayo láser en la punta
de la lanza. El revestimiento se efectúa sumergiendo la lanza en el
ánima del cilindro, siendo proyectado el polvo a través de la
boquilla eyectora hasta el lugar de revestimiento y siendo fundido
allí en el rayo láser. Mediante un giro y desplazamiento simultáneos
de la lanza de revestimiento se obtienen cordones yuxtapuestos en
forma de espiral que constituyen un revestimiento continuo de la
superficie de deslizamiento. Sin embargo, debido al producto
inherente de los parámetros del rayo (divergencia del rayo y tallaje
del rayo) del láser sólido, tales aparatos están limitados a una
relación de longitud/diámetro relativamente baja de la lanza de
revestimiento, de modo que son inadecuados para revestir toda la
superficie de ánimas de cilindro esbeltas u otras cavidades de
componentes difícilmente accesibles.
El cometido de la invención consiste en
configurar de manera constructivamente sencilla el aparato de
revestimiento de la clase citada al principio de modo que se puedan
revestir sin problemas y con una alta eficacia de radiación incluso
superficies interiores de componentes difícilmente accesibles y, en
particular, los segmentos de superficie de mayor profundidad de
ánimas de cilindros con diámetro de ánima relativamente pequeño.
Este problema se resuelve según la invención con
el aparato de revestimiento indicado en la reivindicación 1.
Con el aparato de revestimiento según la
invención se logra incluso con secciones transversales muy pequeñas
de la lanza y una longitud de ésta prácticamente arbitraria una
transmisión de energía extremadamente pobre en pérdidas en la lanza
de revestimiento, sobre todo también de rayos láser con un alto
producto de los parámetros del rayo, sin que se requieran para ello
sistemas de lentes complicados en el interior de la lanza o una
configuración también complicada de la lanza de revestimiento como
conductor óptico hueco.
A esto se añade el que en una primera variante de
la invención, según la cual el conductor óptico del láser es hecho
girar junto con la lanza de revestimiento y la radiación del láser
es acoplada al extremo del conductor óptico del lado del aparato
mediante un acoplamiento giratorio óptico, pero de preferencia
directamente desde la fuente de láser dispuesta en la cabeza del
aparato y giratoria también al mismo tiempo, el aparato de
revestimiento no está limitado a formas de lanza rectilíneas, sino
que pueden utilizarse también sin problemas, según el caso de
aplicación, formas de lanza de diferentes curvaturas y resulta
superfluo de manera sencilla un espejo de desviación en la punta de
la lanza para desviar lateralmente el rayo debido a que el conductor
óptico está doblado en el segmento extremo del lado de
desacoplamiento o posee una superficie frontal inclinada hacia el
eje del conductor óptico, mientras que en la segunda variante de la
invención, en la que la conducción de la luz del láser en la lanza
de revestimiento se efectúa por medio de un conductor óptico
dispuesto de manera solidaria en rotación, el cual está fijado en un
tubo interior de la lanza de revestimiento unido igualmente de
manera solidaria en rotación con la cabeza del aparato, en una
posición exactamente coaxial al eje de giro de la lanza de
revestimiento, se obtiene una transmisión de energía más mejorada
aun cuando la fuente del láser esté dispuesta alejada de la cabeza
del aparato, ya que en este caso el conductor óptico puede
realizarse de manera óptica y constructivamente favorable como una
estructura continua, exenta de acoplamientos giratorios, desde la
punta de la lanza hasta la fuente del láser. El recinto anular
existente entre los tubos exterior e interior de la lanza se
aprovecha aquí preferiblemente como canal de refrigerante y/o de
medio de trabajo, por ejemplo gas protector.
En una ejecución especialmente preferida de la
invención se ha previsto como fuente de láser un láser de diodo cuyo
producto de parámetros del rayo en sí desfavorablemente elevado
carece de repercusión sobre la potencia del láser efectivamente
aplicada a causa de la superior calidad de transmisión del aparato
de revestimiento según la invención, incluso en el caso de una lanza
de revestimiento de configuración muy esbelta, pero el cual posee,
por lo demás, valores de potencia (rendimiento de caja de enchufe)
sensiblemente mejores que los de un láser sólido convencional, por
ejemplo un láser de Nd:YAG. Asimismo, se facilita convenientemente
la vigilancia del proceso debido a que las señales infrarrojas
ópticas que indican, por ejemplo, la temperatura de fusión en el
lugar de revestimiento correspondiente son retornadas en el
conductor óptico desde la punta de la lanza en sentido contrario al
rayo láser y son desacopladas para controlar el proceso en la cabeza
del aparato. Para poder adaptar de manera sencilla la característica
de irradiación del rayo láser en la punta de la lanza al respectivo
caso de aplicación, dicha punta contiene convenientemente una óptica
de enfoque recambiable.
Se explica ahora la invención con más detalle
haciendo referencia a dos ejemplos de ejecución representados en el
dibujo en forma muy esquematizada. Éste muestra en:
Las figuras 1a, b, un aparato de revestimiento en
una primera forma de ejecución de la invención en sección
longitudinal (a) y en sección transversal (b); y
La figura 2, una representación -correspondiente
a la figura 1- de un segundo ejemplo de ejecución de la
invención.
El aparato de revestimiento mostrado en la figura
1 contiene como componentes principales un láser de diodo 1 de alta
potencia, una cabeza de aparato 3 acoplada ópticamente a éste a
través de un conductor óptico 2 y una lanza de revestimiento 4 que
está montada en una guía giratoria 5 de la cabeza 3 del aparato y
que, por medio de un motor de accionamiento 6, incluyendo un
embrague de resbalamiento 7, puede ser accionada con posibilidad de
rotación continua en torno a un eje central A-A. El
conductor óptico 2 discurre a través de la cabeza 3 del aparato en
un tubo de soporte 8 unido sólidamente con éste y coaxial al eje
A-A, extendiéndose continuamente hasta la punta de
la lanza, y está fijado en el extremo del tubo de soporte, en
posición exactamente centrada con respecto al eje de giro
A-A de la lanza de revestimiento 4, por medio de un
enchufe 9 del extremo de la fibra óptica y un cojinete de bolas 11
que actúa entre éste y el tubo exterior rotativo 10 de la lanza de
revestimiento 4.
En la zona de la punta de la lanza está montada
en el tubo 10 de la lanza una pieza inserta recambiable 12 que gira
juntamente con dicho tubo y que lleva una óptica de colimación 13 y
un espejo de desviación y enfoque 14. El rayo de luz que sale en
forma divergente del extremo del conductor óptico es convertido por
la óptica de colimación 13, que gira en torno al eje del conductor
óptico, en un haz de luz paralelo al eje y es desviado y enfocado
por el espejo de desviación 14, a través de una ventana de vidrio de
protección 15, hacia la superficie interior 16 del componente a
revestir, por ejemplo la superficie de deslizamiento de los
cilindros de un bloque de motor.
El aparato de revestimiento se completa con
tuberías 17, 18 de alimentación de polvo y de gas fijadas por fuera
al tubo 10 de la lanza, a través de las cuales se proyectan por
soplado el polvo de revestimiento, por ejemplo un polvo de aluminio
de alto contenido de silicio, y un gas protector sobre la región de
enfoque del rayo láser, así como con un canal de aire comprimido 18
que discurre en el tubo exterior 10 desde la cabeza 3 del aparato
hasta la punta de la lanza y que está destinado a generar un chorro
cruzado que despeja por soplado la ventana de vidrio protector 15, y
un circuito de agua de refrigeración para refrigerar el extremo
distal del conductor óptico, el cual contiene una camisa de agua de
refrigeración 20 recorrida por el refrigerante, dispuesta en la zona
del enchufe del extremo de la fibra óptica en el espacio anular
entre el tubo de soporte 8 y el tubo 10 de la lanza y canales de ida
y de retorno asociados 21, 22 en el tubo 10 de la lanza (figura
1b).
En el revestimiento de la superficie 16 de
deslizamiento de un cilindro se funde por medio del rayo láser el
polvo de revestimiento que llega a la región de enfoque a través de
la tubería 17 de alimentación de polvo, y por giro de la lanza de
revestimiento 4 y desplazamiento simultáneo de la cabeza 3 del
aparato en la dirección de la flecha P se obtienen cordones de
revestimiento yuxtapuestos en forma de espiral mediante los cuales
se puede generar un revestimiento de gran extensión en la superficie
de deslizamiento. Debido a la relación de longitud/sección
transversal de prácticamente cualquier magnitud de la lanza de
revestimiento 4, se pueden revestir de esta manera superficies 16 de
deslizamiento de cilindros de alto grado de esbeltez o bien otras
superficies interiores de componentes difícilmente accesibles con
pequeñas pérdidas de potencia del láser. Asimismo, las señales para
la vigilancia del proceso, por ejemplo señales de infrarrojos
indicadoras de temperatura, pueden retornar en el conductor óptico 2
a la cabeza 3 del aparato desde el lugar de revestimiento en sentido
contrario al rayo láser, y en dicha cabeza del aparato las señales
mencionadas son desacopladas por medio de un elemento de espejo
semipermeable con respecto a una unidad de control del proceso (no
mostrada), por ejemplo para la regulación térmica del proceso de
revestimiento.
El ejemplo de ejecución mostrado en la figura 2,
en el que los componentes correspondientes a los de la forma de
ejecución anteriormente descrita se han identificado por números de
referencia incrementados en 100, se diferencia de la forma de
ejecución anterior, en primer lugar, porque el conductor óptico 102
dispuesto en la lanza de revestimiento 104 no está montado en un
tubo de soporte estacionario, sino que gira juntamente con la lanza
de revestimiento 104. El rayo del láser de diodo 101 es transmitido
a la cabeza 103 del aparato por medio de un conductor óptico
adicional 102' unido sólidamente con esta cabeza y llega al
conductor óptico rotativo 102 a través de un acoplamiento giratorio
óptico 23. En la zona de la punta de la lanza están doblados el tubo
110 de dicha lanza y el conductor óptico 102, de modo que el rayo
láser es emitido en el extremo del conductor óptico en dirección
oblicua con respecto al eje de giro A-A de la lanza
de revestimiento 104 y es concentrado sobre la superficie 116 de
deslizamiento del cilindro por una óptica de colimación y enfoque
pospuesta 24, que es a su vez recambiable, sin que se requiera para
ello un espejo de desviación. El tubo 110 de la lanza puede estar
construido aquí en forma regulable en la dirección de doblado para
poder variar así el ángulo de desviación del rayo láser. Por lo
demás, el modo de construcción y de funcionamiento de este ejemplo
de ejecución es el mismo que en el aparato de revestimiento según la
figura 1.
En el marco de la invención es posible también
disponer el láser de diodo directamente en la cabeza del aparato,
estando prolongado el conductor óptico del láser por el lado de
incidencia de la radiación hasta el láser de diodo, y en la forma de
ejecución según la figura 2 este láser de diodo gira juntamente con
la lanza de revestimiento 104 o bien está unido en posición
estacionaria con la cabeza del aparato, y el conductor óptico 102
del láser está conectado entonces al láser 101 a través de un
acoplamiento giratorio.
Claims (9)
1. Aparato aplicar con láser a superficies
interiores de componentes un revestimiento de un material aditivo
especialmente en forma de polvo, el cual está constituido por una
fuente de láser y una cabeza de aparato unida ópticamente con ésta y
dotada de una lanza de revestimiento soportada en ella por medio de
una guía giratoria y desplazable en traslación y rotación a lo largo
de la superficie interior, en cuya lanza el rayo láser es dirigido
axialmente desde la guía giratoria hasta la punta de la lanza y
desde allí hasta la superficie interior del componente,
caracterizado porque la lanza de revestimiento (4; 104)
contiene un conductor óptico (2; 102) de guía del rayo láser que
discurre continuamente por toda la longitud de la lanza desde la
guía giratoria (5; 105) de la cabeza (3; 103) del aparato, por fuera
de la superficie interior (16; 116) del componente, hasta la punta
de la lanza.
2. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque el conductor óptico (102) del láser es
accionado a rotación conjuntamente con la lanza de revestimiento
(104) y en la zona del extremo del conductor óptico del lado de la
cabeza del aparato está previsto un acoplamiento giratorio óptico
(23) para acoplar el rayo láser.
3. Aparato según la reivindicación 2,
caracterizado porque la fuente del láser está dispuesta en la
cabeza del aparato y el rayo láser emitido por la fuente del láser
es acoplado directamente con el conductor óptico del láser que gira
juntamente con la lanza de revestimiento.
4. Aparato para aplicar con láser a superficies
interiores de componentes un revestimiento de un material aditivo
especialmente en forma de polvo, el cual está constituido por una
fuente de láser y una cabeza de aparato unida ópticamente con ésta y
dotada de una lanza de revestimiento soportada en ella por medio de
una guía giratoria y desplazable en traslación y rotación a lo largo
de la superficie interior, en cuya lanza el rayo láser es dirigido
axialmente desde la guía giratoria hasta la punta de la lanza y
desde allí hasta la superficie interior del componente,
caracterizado porque la lanza de revestimiento (4) contiene
un tubo exterior (10) accionado a rotación y un tubo interior (8)
dispuesto en éste y unido solidariamente en rotación con la cabeza
(3) del aparato, incluyendo un conductor óptico (2) de guía del rayo
láser que está fijo en el tubo interior solidario en rotación
coaxialmente al eje de giro (A-A) del tubo exterior
(10) y que discurre desde la guía giratoria (5) hasta la punta de la
lanza.
5. Aparato según la reivindicación 4,
caracterizado porque la fuente de láser (1) está dispuesta
lejos de la cabeza (3) del aparato y el conductor óptico (2) del
láser se prolonga continuamente más allá de la guía giratoria (5)
hasta la fuente del láser.
6. Aparato según la reivindicación 4 ó 5,
caracterizado por canales (19, 21, 22) de refrigerante y de
medio de trabajo que rodean al tubo interior (8).
7. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la fuente de láser (1; 101)
es un láser de diodo.
8. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque las señales ópticas de
vigilancia del proceso son hechas retornar en el conductor óptico
(2; 102) del láser desde el extremo distal de dicho conductor óptico
en sentido contrario al rayo láser.
9. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la punta de la lanza
contiene una óptica de enfoque recambiable (13, 14; 24).
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1247878B1 (de) | 2005-02-02 |
| DE50202153D1 (de) | 2005-03-10 |
| DE10116720A1 (de) | 2002-10-10 |
| EP1247878A1 (de) | 2002-10-09 |
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