RU202295U1

RU202295U1 - Device for laser multilayer cladding of powder materials

Info

Publication number: RU202295U1
Application number: RU2020129730U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Гоц; Дмитрий Сергеевич Гусев; Алексей Владимирович Жокин; Алексей Викторович Завитков; Дмитрий Андреевич Кочуев; Александр Борисович Люхтер; Дмитрий Викторович Родионов; Валерий Григорьевич Прокошев; Руслан Владимирович Чкалов
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-02-10

Abstract

Полезная модель относится к устройству для лазерной многослойной наплавки порошковых материалов. Технический результат заключается в обеспечении равномерного проплавления подложки, постоянной высоты и однородности структуры наплавленного слоя. Для этого устройство содержит систему управления и подогреваемый стол. Система управления выполнена с возможностью контролирования данных, получаемых с датчиков обратной связи в составе инфракрасных пирометров и датчика измерения двухмерного профиля наплавляемого валика, и внесении коррекции в режим обработки путем изменения выходной мощности лазерного излучения, массового расхода порошка и скорости наплавки с обеспечением качественной наплавки валиков и слоев. 1 ил.The utility model relates to a device for laser multilayer cladding of powder materials. The technical result consists in ensuring uniform penetration of the substrate, constant height and uniformity of the structure of the deposited layer. For this, the device contains a control system and a heated table. The control system is configured to control the data obtained from feedback sensors in the composition of infrared pyrometers and a sensor for measuring the two-dimensional profile of the bead being deposited, and making a correction to the processing mode by changing the output power of laser radiation, the mass flow rate of the powder and the deposition rate, ensuring high-quality surfacing of the beads and layers. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для нанесения износостойких, коррозионностойких, антифрикционных порошковых материалов на стальные подложки с использованием лазерного излучения.The utility model relates to mechanical engineering and can be used to apply wear-resistant, corrosion-resistant, antifriction powder materials on steel substrates using laser radiation.

Известен промышленный робот для лазерной обработки (полезная модель RU 169869 U1), содержащий станину и смонтированные на ней блок управления, лазерную установку с системой транспортировки лазерного луча к конечному звену антропоморфного манипулятора, несущему фокусирующее устройство, коаксиально которому смонтировано сопло аппарата подачи газопорошковой смеси, связанного с блоком управления роботом, отличающийся тем, что он снабжен установленной на станине поворотной платформой для обрабатываемого изделия с приводом и системой его управления, связанной с блоком управления роботом. Недостатком данного устройства является отсутствие контроля за показателями процесса наплавки, и как следствие за качеством наплавляемых слоев.Known industrial robot for laser processing (utility model RU 169869 U1), containing a bed and mounted on it a control unit, a laser installation with a system for transporting a laser beam to the end link of an anthropomorphic manipulator, carrying a focusing device, coaxially mounted to which the nozzle of the apparatus for supplying a gas-powder mixture with a robot control unit, characterized in that it is equipped with a rotary platform mounted on the bed for the workpiece with a drive and its control system associated with the robot control unit. The disadvantage of this device is the lack of control over the parameters of the surfacing process, and, as a consequence, over the quality of the deposited layers.

Наиболее близким по технической сущности из известных - устройство (полезная модель RU 160350 U1) для газопорошковой лазерной наплавки, содержащее защитную кабину, лазерный блок с лазерной головкой, привод вертикального перемещения с кареткой для перемещения лазерного блока, установленной на каретке привода горизонтального перемещения, технологический стол и устройства крепления и вращения обрабатываемой детали, отличающееся тем, что оно снабжено направляющими, на которых установлена каретка привода горизонтального перемещения лазерного блока, и приводом для перемещения по упомянутым направляющим каретки горизонтального перемещения лазерного блока в направлении, перпендикулярном направлению ее горизонтального перемещения, а лазерный блок выполнен с возможностью поворота на 90°. Недостатком данного устройства является ограничение перемещения лазерной головки в трех измерениях, отсутствие контроля за показателями процесса (высотой или шириной валика, температурой подложки или области воздействия лазерного излучения) в ходе выполнения наплавки.The closest in technical essence of the known - a device (utility model RU 160350 U1) for gas-powder laser cladding, containing a protective cabin, a laser unit with a laser head, a vertical movement drive with a carriage for moving the laser unit mounted on the horizontal movement drive carriage, a technological table and a device for fastening and rotating the workpiece, characterized in that it is equipped with guides on which the carriage of the drive of horizontal movement of the laser unit is installed, and a drive for moving along the said guides of the carriage for horizontal movement of the laser unit in a direction perpendicular to the direction of its horizontal movement, and the laser unit is designed to be rotated by 90 °. The disadvantage of this device is the limitation of the movement of the laser head in three dimensions, the lack of control over the process parameters (the height or width of the bead, the temperature of the substrate or the area of exposure to laser radiation) during surfacing.

Технический результат заявляемого устройства заключается в поддержании показателей процесса наплавки (ширины, высоты валика, угла смачивания, температуры подложки, температуры ванны расплава и пр.) на заданном уровне, благодаря чему обеспечивается равномерное проплавление подложки, постоянная высота и однородность структуры наплавленного слоя, уменьшается доля удаляемого механической обработкой материала при создании покрытия.The technical result of the claimed device consists in maintaining the parameters of the surfacing process (width, height of the bead, contact angle, substrate temperature, melt bath temperature, etc.) at a given level, thereby ensuring uniform penetration of the substrate, constant height and uniformity of the structure of the deposited layer, reducing the proportion material removed by machining when creating a coating.

Технический результат достигается за счет использования датчиков (инфракрасных пирометров, датчика измерения двухмерного профиля, спектрометра, спектрально-селективной камеры), подогреваемого стола, путем контроля по следующим показателям: температуре подогреваемого стола (для деталей, требующих предварительного подогрева), температуре наплавленного валика в зоне обработки или на незначительном (до 50 мм) удалении от ванны расплава, его высоте и ширине и их соотношения, интенсивности сигналов получаемых от спектрометра, линейным размерам ванны расплава или зоны термического влияния для каждого по отдельности или по совокупности показателей с использованием коррекции выходной мощности лазерного излучения, скорости наплавки, массового расхода порошка с использованием единой системы управления, позволяющей запускать управляющие программы с согласованным последовательным запуском элементов комплекса, использующей обратную связь от упомянутых датчиков для контроля упомянутых показателей процесса наплавки.The technical result is achieved through the use of sensors (infrared pyrometers, a two-dimensional profile measurement sensor, a spectrometer, a spectroscopic selective camera), a heated table, by monitoring the following indicators: temperature of the heated table (for parts requiring preheating), temperature of the deposited bead in the zone processing or at an insignificant (up to 50 mm) distance from the melt bath, its height and width and their ratio, the intensity of signals received from the spectrometer, the linear dimensions of the melt bath or heat-affected zone for each individually or by a set of indicators using correction of the laser output power radiation, deposition rate, powder mass flow rate using a unified control system that allows you to run control programs with coordinated sequential start-up of the complex elements, using feedback from the mentioned sensors to control the mentioned indicators surfacing process.

Такая совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемое устройство, позволяет обеспечить равномерное проплавление подложки, постоянную высоту слоя, однородность структуры наплавленного слоя, уменьшить долю удаляемого механической обработкой материала при создании покрытия.Such a set of essential features characterizing the claimed device makes it possible to ensure uniform penetration of the substrate, constant layer height, uniformity of the structure of the deposited layer, and to reduce the proportion of material removed by machining when creating a coating.

Заявленное техническое решение поясняется чертежом.The claimed technical solution is illustrated by a drawing.

Фиг. 1 - Схема лазерной технологической установки и взаимосвязи его элементов.FIG. 1 - Diagram of a laser technological installation and the relationship of its elements.

Установка состоит из промышленного шестиосевого робота 1, волоконного лазера 2, питателя порошка 3, наплавочной головки 4, установленной на промышленном роботе, из коаксиальной насадки которой происходит подача газопорошковой смеси в зону наплавки 5 детали 6, установленную на подогреваемом основании 7.The installation consists of an industrial six-axis robot 1, a fiber laser 2, a powder feeder 3, a surfacing head 4 installed on an industrial robot, from the coaxial nozzle of which the gas-powder mixture is fed into the surfacing zone 5 of part 6, installed on a heated base 7.

Задание скорости перемещения промышленного робота и двухосевого позиционера (не указан на фиг. 1) осуществляется при помощи контроллера ЧПУ робота 8, который также управляет величинами выходной мощности лазерного излучения и массового расхода порошка.The speed of movement of the industrial robot and the two-axis positioner (not indicated in Fig. 1) is set using the robot's CNC controller 8, which also controls the values of the laser output power and the mass flow rate of the powder.

Рабочая зона, в которой находится робот, двухосевой позиционер и питатель порошка ограждены защитной кабиной (на схеме не указана).The working area in which the robot is located, the two-axis positioner and the powder feeder are fenced with a protective cabin (not shown in the diagram).

Установка снабжена датчиками обратной связи 9: инфракрасными пирометрами (один из которых измеряет температуру подогреваемого стола), датчиком измерения двухмерного профиля, спектрометром, спектрально-селективной камерой, которые управляются при помощи собственных контроллеров 10. Информация с устройств собирается по интерфейсу Ethernet в ЭВМ 11, на котором установлен программный продукт, в котором происходит обработка данных, полученных с датчиков обратной связи, и создание управляющих сигналов на контроллер ЧПУ робота, который непосредственно подает управляющие сигналы на изменение выходной мощности лазера, скорости перемещения промышленного робота относительно неподвижной детали, массового расхода порошка от питателя.The installation is equipped with feedback sensors 9: infrared pyrometers (one of which measures the temperature of the heated table), a two-dimensional profile measurement sensor, a spectrometer, a spectroscopic camera, which are controlled using their own controllers 10. Information from the devices is collected via the Ethernet interface in the computer 11, on which a software product is installed, in which the data received from the feedback sensors are processed and control signals are generated to the robot's CNC controller, which directly sends control signals to change the laser output power, the speed of movement of the industrial robot relative to the stationary part, the mass flow of powder from feeder.

Выполнение наплавки на комплексе происходит следующим образом.Cladding on the complex is performed as follows.

После успешного соединения программным комплексом со всеми элементами, оператор в нем выбирает:After successful connection by the software package with all the elements, the operator in it selects:

подготовленную при помощи пульта оператора программу с траекторией движения и известными местами начала и завершения включения лазерного излучения в автоматическом режиме работы контроллера ЧПУ робота;a program prepared with the help of the operator's panel with a trajectory of movement and known places of the beginning and end of laser radiation activation in the automatic mode of operation of the robot's CNC controller;

способ контроля и значения поддерживаемых параметров или выбирает их из базы данных;control method and values of supported parameters or selects them from the database;

поддерживаемую температуру подогреваемого стола (при необходимости).the maintained temperature of the heated table (if necessary).

После запуска управляющей программы при поступлении информации с датчиков обратной связи в программном продукте происходит сравнение полученных данных с заданными оператором, в случае выхода из допустимого диапазона рассчитывается величина коррекции, предусмотренная выбранным способом контроля, и сигнал коррекции передается на устройство управления (волоконный лазер, промышленный робот или питатель порошка). Через временную задержку процедура контроля повторяется до момента завершения процесса наплавки.After starting the control program, when information is received from the feedback sensors in the software product, the received data are compared with those specified by the operator, in case of going out of the permissible range, the correction value provided by the selected control method is calculated, and the correction signal is transmitted to the control device (fiber laser, industrial robot or powder feeder). After a time delay, the control procedure is repeated until the end of the surfacing process.

Управляющая программа может быть автоматически остановлена (лазерное излучение прекращается, промышленный робот перестает перемещаться и т.д.), если температура подогреваемого стола или диапазон параметров, используемых системой контроля, вышли за допустимый диапазон, обеспечивающий стабильный процесс лазерной наплавки.The control program can be automatically stopped (laser radiation stops, the industrial robot stops moving, etc.) if the temperature of the heated table or the range of parameters used by the control system goes beyond the permissible range, which ensures a stable laser cladding process.

В научно-образовательном центре внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых создан действующий образец лазерного роботизированного комплекса наплавки. Экспериментальные исследования показали, что разработанный стенд позволяет получить наплавку требуемого качества на детали машиностроительного производства с производительностью до 2 кг/час. Проведение работ по наплавке металлических порошков из коррозионностойких сталей и сплавов, жаростойких сплавов на основе никеля, баббитов и пр. показал возможность восстановления или создания новых покрытий для рабочих поверхностей машин и механизмов, валов, рабочих кромок прессформ и штампов.In the scientific and educational center for the introduction of laser technologies of the Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov, a working model of a laser robotic surfacing complex has been created. Experimental studies have shown that the developed stand makes it possible to obtain surfacing of the required quality on machine-building parts with a capacity of up to 2 kg / h. Work on the surfacing of metal powders from corrosion-resistant steels and alloys, heat-resistant alloys based on nickel, babbits, etc. showed the possibility of restoring or creating new coatings for the working surfaces of machines and mechanisms, shafts, working edges of molds and dies.

Claims

A device for laser multilayer cladding of powder materials, containing an industrial six-axis robot, a two-axis positioner, a controller for controlling said robot and positioner, a fiber laser, a system for feeding a coaxial laser radiation of powder material into the heating zone, a laser head with a focusing system and a coaxial nozzle for feeding a powder material , installed on an industrial robot, and a protective cabin, characterized in that it is equipped with feedback sensors in the form of infrared pyrometers, a sensor for measuring the two-dimensional profile of the bead being deposited, a spectrometer, a spectral selective camera and a control system made with the ability to control data received from the sensors feedback in the composition of infrared pyrometers and a sensor for measuring the two-dimensional profile of the bead being deposited, and making a correction to the processing mode by changing the output power of laser radiation, the mass flow of powder and the deposition rate ensuring high-quality surfacing of beads and layers.