SU1764904A1 - Способ лазерной обработки - Google Patents

Abstract

Использование: легирование, наплавка, рафинирование и т. п. Сущность изобретени : в процессе одновременного воздействи  на деталь лазерного луча и дугового разр да, локализованного в зоне обработки , производ т колебательное перемещение зоны локализации дугового разр да по поверхности обрабатываемой детали, сканиру  лазерный луч по области воздействи  дугового разр да на поверхности детали. Кроме того, производ т перемещение электрода синхронно со сканированием луча вдоль траектории его перемещени . В процессе обработки производ т также модул цию мощности дугового разр да и (или) мощности лазерного излучени  и (или) рассто ни  между электродом и п тном воздействи  луча на поверхность детали синхронно с колебани ми лазерного луча и электрода. 4 з. п. ф-лы, 3 ил. сл

Description

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

Известны способы лазерной поверхностной обработки, при которых на поверхность перемещающейс  металлической детали воздействует лазерным лучом с плотностью мощности, позвол ющей производить обработку тонкого поверхностного сло . Основным недостатком этих способов  вл етс  низка  производительность, что объ сн етс , во-первых, низким (10...20%) КПД лазерных установок, а во-вторых, невысокой поглощающей способностью металлической поверхности лазерного излучени 

(до 10% без применени  поглощающих покрытий ). К недостаткам способов лазерной обработки поверхности относитс  также высока  стоимость лазеров.

По своей технической сущности наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ лазерной обработки, при котором дл  увеличени  мощности источника нагрева в п тно воздействи  лазерного луча на поверхность детали ввод т дуговой разр д, зажигаемый между поверхностью детали и электродом, расположенным над поверхностью детали вблизи п тна воздействи  лазерного луча. Этот способ прин т в качестве прототипа. Данный способ позвол ет существенно увеличить производительность, использу  дополнительно более дешевый источник энергии при сохранении локальноVJ

О

ю

g

го характера нагрева, присущего лазерной обработке.

Недостатками этого способа  вл ютс  мала  ширина трека и ограниченные возможности обработки тонкого поверхностного сло  детали.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества лазерно-дуговой поверхностной обработки путем увеличени  ширины трека и повышени  равномерности глубины проплавлени .

Дл  достижени  указанной цели в известном способе лазерной обработки, при котором на поверхности детали воздействуют одновременно лазерным лучом и дуговым разр дом, локализованным в обрабатываемой зоне, зажигаемым между деталью и электродом, согласно изобретению производ т колебательное перемещение зоны локализации дугового разр да по поверхности обрабатываемой детали, сканиру  лазерный луч по области воздействи  дугового разр да на поверхности детали. Кроме того, дополнительно производ т модул цию мощности дугового разр да и (или) лазерного луча синхронизированно со сканированием луча. Предлагаетс  также в процессе обработки производить колебани  электрода синхронизированно со сканированием лазерного луча вдоль траектории его перемещени . При этом предлагаетс  производить изменение рассто ни  между электродом и п тном воздействи  лазерного луча на поверхность детали синхронизированно со сканированием лазерного луча.

За счет колебаний электрода вдоль траектории перемещени  лазерного луча синх- ронизированно со сканированием лазерного луча обеспечиваютс  дополнительное увеличение площади зоны обработки , увеличение ширины трека, расшир ютс  возможности обработки. Изменение рассто ни  между электродом и п тном воздействи  луча при синхронизированных сканировании луча и колебании электрода обеспечивает эффект модул ции мощности источника нагрева независимо от внешнего источника питани . С изменением этого рассто ни  измен етс  напр жение дугового разр да 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 колебани ми электрода вдоль траектории сканировани  лазерного луча.

Фиг. 3 иллюстрирует вли ние характера модул ции мощности (тока) дугового разр да , мощности лазерного луча и рассто ни  между электродами и п тном воздействи  луча на поверхности детали на распределение энерговклада и на изменение глубины

проплавлени  обрабатываемой детали по ширине трека.

Способ осуществл етс  следующим образом .

На поверхность детали 1 воздействуют

фокусируемым лазерным лучом 2. Между деталью и электродом 3, расположенным вблизи п тна 4 воздействи  луча на деталь, зажигают дуговой разр д 5, который локализуетс  в п тне 4. Лазерный луч сканирует

по заданному закону в пределах области воздействи  дугового разр да в отсутствии лазерного луча, ограниченной пунктирной

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

разр да 4. Дл  увеличени  размеров обрабатываемого участка поверхности производ тперемещениеэлектрода синхронизированно с движением луча вдоль траектории его перемещени . Например , в случае обработки поверхности относительно большой площади при поступательном перемещений детали производ т поперечное (поперек трека 6) сканирование лазерного луча и поперечное

колебание электрода (фиг. 2).

Дл  управлени  распределением энерговклада с целью оптимизации температурного пол  в поверхностном слое детали производ т модул цию тока дугового

разр да и (или) мощности лазерного луча и (или) изменение рассто ни  h между электродом 3 и п тном воздействи  луча 4, синх- ронизированно с колебани ми луча. Например (фиг. 3), дл  обеспечени  равномерного распределени  плотности мощности при поперечных (в направлении X) колебани х лазерного луча по гармоничному закону:

X Asiruwt,

где А - амплитуда,

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

P P0/cos u т./,

где I0 - максимальный ток дугового разр да ,

Ро - пикова  мощность лазерного излучени .

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

кривыми 7 иллюстрируетс  характер модул ции тока дугового разр да и мощности луча, когда обеспечиваетс  равномерное распределение плотности мощности 8 по ширине трека. Форма проплавлени  при этом сегментообразна (крива  9). Дл  обеспечени  равномерной глубины проплавлени  10 производ т менее глубокую модул цию 11 (штриховые линии), либо модулируют только ток разр да или только мощность луча. Пунктирные кривые 12 иллюстрируют распределение плотности мощности и форму проплавлени  в отсутствии модул ции мощности источника нагрева при гармоническом законе сканировани  лазерного луча.

Управление распределением плотности мощности в зоне обработки может производитьс  также за счет изменени  рассто ни  h между торцом электрода и зоной локализации дугового разр да синхронизирование со сканированием лазерного луча и колебани ми электрода. Напр жение дугового разр да и, следовательно, мгновенна  мощность комбинированного источника нагрева пропорциональны рассто нию h. Изменение величины h может производитьс  при изменении рассто ни  между торцом электрода и поверхностью детали, а также при отклонении п тна воздействи  лазерного луча от электрода в пло- скости обрабатываемой поверхности, подбира  соответствующие законы перемещени  луча электрода. Нижн   диаграмма (крива  13) фиг. 3 иллюстрирует характер изменени  рассто ни  h, при котором обеспечиваетс  равномерна  глубина проплавлени  по ширине трека в случае гармоничного закона сканировани  луча и синхронного перемещени  электрода. Оптимальный закон модул ции мощности дугового разр да, лазерного излучени  и рассто ни  и определ етс  конкретным технологическим применением способа.

Предлагаемый способ был применен при переплаве поверхностного сло  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 фокусировалс  линзой из селенида цинка с фокусным рассто нием 220 мм. Сканирование луча поперек трека с частотой 50 Гц производилась путем колебаний зеркала (фиг. 2) с использованием электромагнитного колебательного привода. Дуговой разр д пр мой пол рности зажигалс  между деталью и вольфрамовым электродом, располагавшимс  над поверхностью детали на рассто нии 4 мм. Дл  создани  разр да использовалс  сварочный источник тока УПС-301. Переплав поверхности деталей производилс  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 проплавлени  основы 0,2 мм. В отсутствие

сканировани  лазерного луча не удаетс  получить ширину трека более 2,5 мм. Формирование наплавленных валиков значительно хуже, больше дол  участи  осноаы в наплавленном слое, что снижает качество.

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

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позвол ет:

а) увеличить равномерность глубины проплавлени  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, позвол ет производить обработку участка детали, перемеща  источник нагрева по заданному контуру с заданной скоростью, оставл   деталь и электрод неподвижными, что расшир ет возможности лазерно-дуговой обработки.

Claims (5)

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

воздействуют лазерным лучом и локализованным в зоне обработки дуговым разр дом , возбуждаемым между деталью и электродом, отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества, производ т

колебательное перемещение зоны локализации дугового разр да на поверхности детали , дл  чего лазерный луч сканируют в пределах катодного п тна при дуговом разр де в отсутствие лазерного луча.

2.Способ по п. 1,отличающийс  тем, что синхронно со сканированием лазерного луча модулируют мощность дугового разр да.

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

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

5. Способ по п. 3, отличающийс  тем, что синхронно со сканированием лазерного луча измен ют рассто ние между электродом и п тном воздействи  лазерного луча на поверхность детали.

Фиг. / /т

Фиг. 2

I

3

4 3

«М

f

«VI

Ј

eu

5

м fe

L И

Ч