[go: up one dir, main page]

RU2732467C1 - Device for laser facing and optical head - Google Patents

Device for laser facing and optical head Download PDF

Info

Publication number
RU2732467C1
RU2732467C1 RU2019144268A RU2019144268A RU2732467C1 RU 2732467 C1 RU2732467 C1 RU 2732467C1 RU 2019144268 A RU2019144268 A RU 2019144268A RU 2019144268 A RU2019144268 A RU 2019144268A RU 2732467 C1 RU2732467 C1 RU 2732467C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mirrors
laser
laser radiation
beams
optical head
Prior art date
Application number
RU2019144268A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Васильевич Мальцев
Дмитрий Олегович Чухланцев
Владимир Павлович Умнов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТермоЛазер"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ТермоЛазер" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТермоЛазер"
Priority to RU2019144268A priority Critical patent/RU2732467C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2732467C1 publication Critical patent/RU2732467C1/en
Priority to PCT/IB2020/062454 priority patent/WO2021130727A1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to equipment for application of metal coatings by means of laser facing. Device for laser facing includes laser and optical head. Optical head comprises a housing, a lens installed in the housing, a device for separating laser radiation, a device for reducing laser beams, a device for feeding the deposited material and a device for feeding the deposited material. Separation device is made in form of two adjoining mirrors. Reducing device contains two mirrors.EFFECT: technical result is higher welding efficiency and quality.8 cl, 12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к оборудованию для термической обработки изделий лазерным излучением, ещё более конкретно к устройствам для нанесения металлического покрытия на поверхность изделия путём лазерной наплавки. The invention relates to mechanical engineering, more specifically to equipment for thermal treatment of products with laser radiation, and even more specifically to devices for applying a metal coating to the surface of a product by laser surfacing.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны различные конструкции оборудования для лазерной наплавки.Various designs of laser cladding equipment are known in the art.

Известно устройство для лазерной обработки, в частности лазерного спекания материалов, содержащее основной лазер, дополнительный лазер, поворотное зеркало с отверстием, поглотитель лазерного излучения. (RU167356, дата публикации 10.01.2017). Недостатком этого известного средства является необходимость использования двух разных источников лазерного излучения, с направлением значительной части энергии дополнительного лазера в поглотитель, а не на выполнение полезной работы. Known device for laser processing, in particular laser sintering of materials, containing a main laser, an additional laser, a rotating mirror with a hole, an absorber of laser radiation. (RU167356, publication date 01/10/2017). The disadvantage of this known means is the need to use two different sources of laser radiation, with the direction of a significant part of the energy of the additional laser in the absorber, and not to perform useful work.

Известно устройство для нанесения покрытия на образец, содержащее рабочую камеру, распылительное сопло и лазерный блок, установленные с возможностью взаимного перемещения относительно оси симметрии фокусирующих линз лазерного блока и оси симметрии распылительного сопла, электромагнитный индуктор (RU2645631, дата публикации 26.02.2018). Недостатком данного известного устройства является сложность и высокие энергозатраты, вызванные использованием электромагнитного индуктора в качестве второго источника нагрева образца. Кроме этого недостатком устройства является оплавление порошкового материала только в ванне расплава на поверхности образца, что снижает производительность. Known device for coating a sample containing a working chamber, a spray nozzle and a laser unit mounted with the possibility of mutual movement relative to the axis of symmetry of the focusing lens of the laser unit and the axis of symmetry of the spray nozzle, an electromagnetic inductor (RU2645631, publication date 02/26/2018). The disadvantage of this known device is the complexity and high energy consumption caused by the use of an electromagnetic inductor as a second source of heating the sample. In addition, the disadvantage of the device is the melting of the powder material only in the molten bath on the sample surface, which reduces productivity.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано известное устройство для лазерной наплавки, содержащее лазер, систему разделения лазерного пучка, в виде оптической системы формирования серии кольцевых лазерных пучков с регулируемым распределением мощности лазерного излучения по кольцевым пучкам, фокусирующую линзу, систему подачи наплавляемого материала, и систему сведения лазерных пучков, в виде системы фокусирующих конических зеркал, фокусы которых лежат на одной оптической оси, вдоль которой подается наплавляемый материал (RU2580220, дата публикации 10.04.2016). Недостатком данного известного средства является невозможность управления положением ванны расплава относительно оси подачи наплавляемого материала на поверхности объекта обработки, сложность точного изготовления и юстировки конических зеркал. Недостатком также является невозможность управления положением пятна для последующего подогрева трека поверхности наплава, для снятия напряжений, относительно оси подачи наплавляемого материала, а также расположение трубки подачи наплавляемого материала в зоне следования лазерных пучков, что требует охлаждения трубки и создает тень на поворотном зеркале и в кольцевых пучках подогрева трека на поверхности обработки.As the closest analogue, a well-known device for laser cladding was selected, containing a laser, a laser beam separation system, in the form of an optical system for forming a series of ring laser beams with an adjustable distribution of laser radiation power over ring beams, a focusing lens, a system for feeding the deposited material, and a convergence system laser beams, in the form of a system of focusing conical mirrors, the focuses of which lie on one optical axis along which the deposited material is fed (RU2580220, publication date 04/10/2016). The disadvantage of this known means is the impossibility of controlling the position of the molten bath relative to the feed axis of the deposited material on the surface of the processing object, the complexity of precise manufacturing and alignment of conical mirrors. The disadvantage is also the impossibility of controlling the position of the spot for the subsequent heating of the track of the weld surface, to relieve stresses relative to the axis of the deposited material supply, as well as the location of the supply tube of the deposited material in the zone of the laser beams, which requires cooling the tube and creates a shadow on the rotating mirror and in the annular beams of heating track on the processing surface.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в расширении эксплуатационных и технологических возможностей оборудования для лазерной наплавки. The problem solved by the present invention is to expand the operational and technological capabilities of equipment for laser cladding.

В ходе решения указанной задачи, достигается следующая совокупность технических результатов: повышение производительности и качества обработки за счёт возможности регулирования положения и мощности пятен лазерного излучения на обрабатываемой поверхности, упрощение конструкции и улучшение массо-габаритных характеристик. In the course of solving this problem, the following set of technical results is achieved: increasing the productivity and quality of processing due to the possibility of adjusting the position and power of laser radiation spots on the treated surface, simplifying the design and improving the mass-dimensional characteristics.

Указанный технический результат достигается тем, что оптическая головка содержит корпус, установленные в упомянутом корпусе линзу для фокусировки лазерного излучения, устройство разделения лазерного излучения, устройство сведения лазерных пучков, упомянутое устройство разделения лазерного излучения выполнено в виде двух соприкасающихся зеркал, расположенных под углом друг к другу с возможностью разделения лазерного излучения, по меньшей мере, на два противоположно направленных лазерных пучка, упомянутое устройство сведения содержит два зеркала, которые направляют упомянутые противоположно направленные лазерные пучки в зону обработки, при этом упомянутые зеркала устройства сведения выполнены поворотными.The specified technical result is achieved in that the optical head contains a housing installed in the said housing lens for focusing laser radiation, a device for separating laser radiation, a device for converging laser beams, said device for separating laser radiation is made in the form of two contacting mirrors located at an angle to each other with the possibility of dividing the laser radiation into at least two oppositely directed laser beams, said convergence device contains two mirrors that direct said oppositely directed laser beams into the processing area, said convergence device mirrors are made rotatable.

Указанный технический результат достигается также тем, что в корпусе установлено устройство подачи наплавляемого материала, а зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены в виде плоских зеркал.The specified technical result is also achieved by the fact that a device for feeding the material to be welded is installed in the housing, and the mirrors of the device for separating laser radiation are made in the form of flat mirrors.

Указанный технический результат достигается также тем, что, по меньшей мере, одно зеркало устройства разделения лазерного излучения выполнено в виде нескольких плоских прямоугольных зеркал, расположенных с угловым смещением друг к другу.The specified technical result is also achieved in that at least one mirror of the device for separating laser radiation is made in the form of several flat rectangular mirrors located angularly displaced to each other.

Указанный технический результат достигается также тем, что зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном оптической оси линзы для фокусировки.The specified technical result is also achieved in that the mirrors of the laser separation device are made with the ability to move in the direction perpendicular to the optical axis of the lens for focusing.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для лазерной наплавки содержит источник лазерного излучения, оптическую головку, имеющую корпус, установленные в упомянутом корпусе линзу для фокусировки лазерного излучения, устройство разделения лазерного излучения, устройство сведения лазерных пучков, устройство подачи наплавляемого материала, упомянутое устройство разделения лазерного излучения выполнено в виде двух соприкасающихся зеркал, расположенных под углом друг к другу так, что лазерное излучение разделяется, по меньшей мере, на два противоположно направленных лазерных пучка, упомянутое устройство сведения содержит два зеркала, которые направляют упомянутые противоположно направленные лазерные пучки в зону обработки, при этом упомянутые зеркала устройства сведения выполнены поворотными.The specified technical result is also achieved in that the device for laser cladding comprises a source of laser radiation, an optical head having a housing, a lens for focusing laser radiation installed in said housing, a device for separating laser radiation, a device for converging laser beams, a device for feeding the material to be welded, said device the separation of laser radiation is made in the form of two contacting mirrors located at an angle to each other so that the laser radiation is divided into at least two oppositely directed laser beams, the said converting device contains two mirrors that direct the said oppositely directed laser beams into the zone processing, while the said mirrors of the information device are rotary.

Указанный технический результат достигается также тем, что подача наплавляемого материала в зону обработки осуществляется вдоль оптической оси линзы для фокусировки.This technical result is also achieved by the fact that the deposited material is fed into the processing zone along the optical axis of the focusing lens.

Указанный технический результат достигается также тем, что оптическая головка выполнена с возможностью поворота вокруг оптической оси линзы для фокусировки.The specified technical result is also achieved by the fact that the optical head is made with the ability to rotate around the optical axis of the lens for focusing.

Указанный технический результат достигается также тем, что зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном оптической оси линзы для фокусировки.The specified technical result is also achieved in that the mirrors of the laser separation device are made with the ability to move in the direction perpendicular to the optical axis of the lens for focusing.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является разделение входного лазерного излучения на несколько пучков и возможность регулирования мощности и направления разделённых лазерных пучков на обрабатываемой поверхности. A distinctive feature of the present invention is the separation of the input laser radiation into several beams and the ability to control the power and direction of the separated laser beams on the treated surface.

Перечень фигур чертежейList of drawing figures

На Фиг.1 показана конструкция оптической головки устройства для лазерной наплавки. Figure 1 shows the structure of the optical head of the laser cladding device.

На Фиг.2–6 показаны варианты выполнения зеркал устройства разделения. Figures 2-6 show embodiments of the mirrors of the separating device.

На Фиг.7-11 показаны варианты расположения лазерных пучков относительно обрабатываемой поверхности.Figures 7-11 show variants of the arrangement of laser beams relative to the treated surface.

На Фиг.12 показано пространственное расположение зеркал устройства разделения.Fig. 12 shows the spatial arrangement of the mirrors of the separation device.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Оборудование для лазерной наплавки должно обладать качественной оптической системой и средствами точной подачи наплавляемого материала в зону воздействия лазерного излучения, обеспечивающей высокий коэффициент использования материала. Кроме этого, современное оборудование в этой области должно обеспечивать управление размерами, мощностью пятна нагрева и его положением относительно оси подачи наплавочного материала в области обработки в широком диапазоне. Для прецизионной и производительной наплавки необходимо обеспечить возможность предварительного нагрева обрабатываемой поверхности вплоть до ее оплавления. Вместе с этим, важно также предусмотреть возможность создания ванны расплава на обрабатываемой поверхности до попадания на неё наплавляемого материала, а также, при необходимости, сопутствующий подогрев наплавленного трека. Это позволит предотвратить образование горячих трещин за счёт уменьшения скорости охлаждения и формирования напряжения сжатия в остывающей зоне наплавки.Equipment for laser cladding must have a high-quality optical system and means of precise supply of the material to be welded to the zone of laser radiation, which ensures a high utilization of the material. In addition, modern equipment in this area should provide control over the size, power of the heating spot and its position relative to the axis of supply of the surfacing material in the processing area in a wide range. For precision and productive surfacing, it is necessary to ensure the possibility of preheating the surface to be treated up to its melting. Along with this, it is also important to provide for the possibility of creating a pool of melt on the treated surface before the deposited material hits it, as well as, if necessary, concomitant heating of the deposited track. This will prevent the formation of hot cracks by reducing the cooling rate and the formation of compressive stress in the cooling zone of the surfacing.

Устройство для лазерной наплавки, показанное на Фиг.1, содержит источник 1 лазерного излучения (например, твердотельный или газовый лазер) и оптическую головку 21. Оптическая головка 21 установлена на устройстве для наплавки с возможностью поворота вокруг своей оси и прямолинейного перемещения относительно обрабатываемой поверхности.The device for laser cladding, shown in Fig. 1, contains a source 1 of laser radiation (for example, a solid-state or gas laser) and an optical head 21. The optical head 21 is mounted on the device for surfacing with the possibility of rotation around its axis and rectilinear movement relative to the surface to be treated.

Оптическая головка 21 содержит корпус 18, в котором установлены линза 2 для фокусировки лазерного излучения от лазера 1, устройство разделения лазерного излучения и устройство сведения лазерных пучков. The optical head 21 contains a housing 18, in which a lens 2 is installed for focusing laser radiation from a laser 1, a device for separating laser radiation and a device for converging laser beams.

Устройство разделения лазерного излучения выполнено в виде двух зеркал 3 и 4, соприкасающихся своими боковыми сторонами в области 23 и расположенных под углом друг к другу, как показано на Фиг.12. Зеркала 3 и 4 установлена так, что обеспечивают разделение входного лазерного излучения от лазера 1 на два противоположно направленных лазерных пучка. Угол β между зеркалами 3 и 4, показанный на Фиг.4, может составлять величину от 70 градусов до 110 градусов. На Фиг.12 позицией 23 обозначена область контакта боковых сторон зеркал 3 и 4. Зеркала 3 и 4 системы разделения пучков плотно контактируют друг с другом боковыми сторонами без какого-либо зазора между ними для исключения потерь мощности лазерного излучения при разделении пучка. Функция зеркал 3 и 4 состоит в разделении входного излучения от лазера 1 на два пучка, направленных в противоположные стороны. Близкие величины расходимости разделенных пучков позволяют получить в фокальной плоскости линзы 2 возле обрабатываемой поверхности 10 такие же близкие размеры фокальных пятен лазерного излучения.The device for separating laser radiation is made in the form of two mirrors 3 and 4, touching their lateral sides in the region 23 and located at an angle to each other, as shown in Fig. 12. Mirrors 3 and 4 are installed so that they provide separation of the input laser radiation from the laser 1 into two oppositely directed laser beams. The angle β between mirrors 3 and 4 shown in FIG. 4 can be between 70 degrees and 110 degrees. In Fig. 12, reference number 23 denotes the contact area of the lateral sides of the mirrors 3 and 4. The mirrors 3 and 4 of the beam separation system are in close contact with each other with their lateral sides without any gap between them to eliminate laser radiation power losses during beam separation. The function of mirrors 3 and 4 is to separate the input radiation from laser 1 into two beams directed in opposite directions. Close values of the divergence of the separated beams make it possible to obtain in the focal plane of the lens 2 near the treated surface 10 the same close dimensions of the focal spots of laser radiation.

Устройство сведения содержит два зеркала 5 и 6, которые направляют противоположно направленные лазерные пучки в зону обработки обрабатываемой поверхности 10. Зеркала 5 и 6 выполнены с возможности поворота независимо друг от друга. Одним из конструктивных вариантов реализации этой функции является установка зеркал 5 и 6 на шаровые шарниры, а в качестве привода поворота могут использоваться линейные пьезодвигатели, сообщающие зеркалам 5 и 6 угловое перемещения непосредственно или через систему рычагов. Диапазон угловых перемещений зеркал 5 и 6 должен быть достаточным, чтобы обеспечить пересечение разделённых пучков 8 и 9 в области 13, как показано на Фиг.1, т.е. раньше, чем пучки 8 и 9 достигнут обрабатываемой поверхности 10. The convergence device contains two mirrors 5 and 6, which direct oppositely directed laser beams to the processing area of the treated surface 10. Mirrors 5 and 6 are made with the possibility of turning independently of each other. One of the constructive options for implementing this function is the installation of mirrors 5 and 6 on ball joints, and linear piezo motors can be used as a rotation drive, imparting angular displacement to the mirrors 5 and 6 directly or through a system of levers. The range of angular displacements of mirrors 5 and 6 should be sufficient to ensure the intersection of the separated beams 8 and 9 in region 13, as shown in Fig. 1, i.e. before the beams 8 and 9 reach the treated surface 10.

Внутри корпуса 18 оптической головки установлено устройство 7 для подачи наплавляемого материала вдоль оси 12. Ось 12 подачи наплавляемого материала совпадает с оптической осью 11, а само устройство 7 подачи расположено между пучками 8 и 9, отражёнными зеркалами 5 и 6 устройства сведения. В качестве наплавляемого материала может использоваться порошковый металл с требуемыми свойствами.Inside the housing 18 of the optical head, a device 7 is installed for supplying the material to be welded along the axis 12. The axis 12 of supplying the material to be welded coincides with the optical axis 11, and the supply device 7 itself is located between the beams 8 and 9 reflected by mirrors 5 and 6 of the convergence device. Powdered metal with the required properties can be used as the deposited material.

Каждое из соприкасающихся зеркал 3 или 4 может состоять из одного (как показано на Фиг.4) или нескольких плоских прямоугольных соприкасающихся боковыми поверхностями зеркал. На Фиг.2, 3 и 5 показаны различные возможные комбинации выполнения одного из зеркал 3 или 4 или обоих этих зеркал состоящими из трёх плоских прямоугольных зеркал 14, 15 и 16, расположенных с угловым смещением α друг к другу относительно линии 17, проходящей через область 21 контакта зеркал 3 и 4 и находящейся в плоскостях зеркал 3 и 4. Величина угла α может достигать 10 градусов. Такая воображаемая линия 17 будет ортогональна (под углом 900) оптической оси 11 фокусирующей линзы 2. Зеркала 3 и/или 4 могут быть составлены не только из трёх, но и двух, и четырёх плоских зеркал. Величина α углового смещения зеркал 14, 15 или 16 может достигать 8 градусов. Each of the touching mirrors 3 or 4 can consist of one (as shown in Fig. 4) or several flat rectangular mirrors touching the side surfaces. Figures 2, 3 and 5 show various possible combinations of making one of the mirrors 3 or 4 or both of these mirrors consisting of three flat rectangular mirrors 14, 15 and 16 located with an angular displacement α to each other relative to the line 17 passing through the region 21 contacts of mirrors 3 and 4 and located in the planes of mirrors 3 and 4. The value of the angle α can reach 10 degrees. Such an imaginary line 17 will be orthogonal (at an angle of 90 0 ) to the optical axis 11 of the focusing lens 2. Mirrors 3 and / or 4 can be composed not only of three, but also of two or four flat mirrors. The value α of the angular displacement of the mirrors 14, 15 or 16 can reach 8 degrees.

На Фиг.4 оба соприкасающихся зеркала 3 и 4 выполнены плоскими. На Фиг.5 каждое из зеркал 3 или 4 состоит из трех плоских соприкасающихся зеркал 14, 15, 16. Место трёх, можно использовать два или четыре зеркала. На Фиг.2 и 3 только одно из зеркал 3 или 4 выполнено составным. 4, both touching mirrors 3 and 4 are flat. In Fig. 5, each of the mirrors 3 or 4 consists of three flat contacting mirrors 14, 15, 16. Place three, you can use two or four mirrors. In Figs. 2 and 3, only one of the mirrors 3 or 4 is made composite.

Зеркала 3 и 4 целесообразно выполнить с возможностью одновременного перемещения вдоль линии 17, как обозначено двойной стрелкой на Фиг.6, относительно оптической оси 11 фокусирующей линзы 2. Mirrors 3 and 4 are expediently made with the possibility of simultaneous movement along line 17, as indicated by the double arrow in Fig. 6, relative to the optical axis 11 of the focusing lens 2.

Выполнение одного или обоих зеркал 3 и 4 составными позволяет разделить входное излучение на несколько пучков и получить несколько фокальных пятен на или возле обрабатываемой поверхности 10. Например, в соответствии с Фиг.2 зеркало 3 формирует один пучок, а составное зеркало 4 формирует три пучка. Разделённые зеркалами 3 и 4, а затем сведённые зеркалами 5 и 6 пучки оказываются на обрабатываемой поверхности 10 с разных сторон от оси 12 подачи наплавляемого материала. Однако, при этом геометрические центры всех пучков на обрабатываемой поверхности 10 расположены на одной прямой проходящей через ось подачи наплавляемого материала 12. Это повышает энергетическую эффективность использования лазерного излучения, так как исключает нагрев соседних областей, происходящий при кольцевом пучке, в которых не происходит процесс наплавки подаваемого по оси 12 наплавляемого материала. Making one or both mirrors 3 and 4 composite makes it possible to divide the input radiation into several beams and obtain several focal spots on or near the treated surface 10. For example, in accordance with Fig. 2, mirror 3 forms one beam, and composite mirror 4 forms three beams. Separated by mirrors 3 and 4, and then converged by mirrors 5 and 6, beams appear on the treated surface 10 from different sides from the axis 12 of the deposited material supply. However, in this case, the geometric centers of all beams on the treated surface 10 are located on one straight line passing through the axis of supply of the deposited material 12. This increases the energy efficiency of the use of laser radiation, since it excludes the heating of neighboring regions that occurs with an annular beam, in which the surfacing process does not occur supplied along the axis 12 of the deposited material.

Соприкасающиеся областью 23 зеркала 3 и 4 выполнены с возможностью одновременного перемещения вдоль линии пересечения плоскостей зеркал 17 относительно оптической оси 11 фокусирующей линзы. При одновременном перемещении всех зеркал относительно лазерного излучения, идущего от линзы 2 по оптической оси 11 изменяется полная мощность пучка, отражаемого каждым из зеркал, что позволяет регулировать распределение мощности входного лазерного излучения по разделенным пучкам. The mirrors 3 and 4 touching the area 23 are made with the possibility of simultaneous movement along the line of intersection of the planes of the mirrors 17 relative to the optical axis 11 of the focusing lens. With the simultaneous movement of all mirrors relative to the laser radiation coming from the lens 2 along the optical axis 11, the total power of the beam reflected by each of the mirrors changes, which makes it possible to control the power distribution of the input laser radiation over the separated beams.

Поскольку устройство разделения лазерного пучка в виде зеркал 3 и 4 разделяет входное лазерное излучение 22 в диаметрально противоположных направлениях, то ввод наплавляемого материала в устройство подачи 7, ориентация и закрепление этого устройства 7 внутри корпуса 18 осуществляется перпендикулярно к разделённым пучкам, т.е. во внутренней области корпуса 18, в которой нет ни других элементов, ни лазерных потоков. Это исключает образование теней и потерю мощности излучения. Since the device for dividing the laser beam in the form of mirrors 3 and 4 divides the input laser radiation 22 in diametrically opposite directions, the input of the deposited material into the feed device 7, the orientation and fixing of this device 7 inside the housing 18 is carried out perpendicular to the separated beams, i.e. in the inner region of the housing 18, in which there are no other elements or laser streams. This eliminates the formation of shadows and loss of radiation power.

Диапазон регулировок углового положения зеркал 5 и 6 обеспечивает возможность пересечения разделённых пучков 8 и 9 в области 13, в которой также находится наплавляемый материал (например, порошковый), поступающий по оси подачи 12 из устройства 7 к обрабатываемой поверхности 10. Пересечение пучков 8 и 9 с осью 12 подачи наплавляемого материала обеспечивает расположение центров лазерных пучков на обрабатываемой поверхности 10 на прямой линии, проходящей через ось подачи 12. Пересечение лазерных пучков 8 и 9 с подаваемым для наплавки материалом позволяет осуществлять предварительный нагрев, вплоть до расплавления, этого материала до его контакта с обрабатываемой поверхностью 10. Это повышает скорость и качество выполнения наплавки. The range of adjustments for the angular position of mirrors 5 and 6 provides the possibility of intersecting the separated beams 8 and 9 in the region 13, which also contains the deposited material (for example, powder), which comes along the feed axis 12 from the device 7 to the surface to be treated 10. Intersection of beams 8 and 9 with the axis 12 of the deposited material feed ensures the location of the centers of the laser beams on the surface to be treated 10 on a straight line passing through the feed axis 12. The intersection of the laser beams 8 and 9 with the material supplied for surfacing allows preheating, up to melting, of this material until its contact with a machined surface of 10. This increases the speed and quality of surfacing.

Как говорилось выше, зеркала 3, 4, 5 и 6 и устройство 7 подачи наплавляемого материала закреплены внутри корпуса 18 и. таким образом, могут поворачиваться вокруг оптической оси 11 и её продолжения - оси 12. Установка оптической головки 20 с возможностью поворота позволяет оптимально ориентировать на обрабатываемой поверхности 10 фокальные пятна лазерных пучков и область подачи наплавляемого материала по оси 12 и координировать их ориентацию с направлением перемещения относительно обрабатываемой поверхности 10. Это позволяет наплавлять материал с полным использованием всех лазерных пучков, что повышает энергетическую эффективность лазерной наплавки.As mentioned above, the mirrors 3, 4, 5 and 6 and the device 7 for the deposited material are fixed inside the housing 18 and. thus, they can rotate around the optical axis 11 and its continuation - the axis 12. The installation of the optical head 20 with the ability to rotate makes it possible to optimally orient the focal spots of the laser beams and the area of the deposited material along the axis 12 to the treated surface 10 and coordinate their orientation with the direction of movement relative to the processed surface 10. This allows the material to be deposited with full use of all laser beams, which increases the energy efficiency of laser deposition.

Вариант сведения лазерных пучков 8 и 9, пересекающихся с осью 12 подачи наплавляемого материала в области 13, показанный на Фиг.7, создаёт на обрабатываемой поверхности 10 промежуток между пучками. Стрелкой показано направление движения устройства. The variant of convergence of laser beams 8 and 9, intersecting with the axis 12 of the deposited material in the region 13, shown in Fig. 7, creates a gap between the beams on the treated surface 10. The arrow shows the direction of movement of the device.

Вариант сведения лазерных пучков 8 и 9, пересекающихся с осью 12 подачи наплавляемого материала в области 13, показанный на Фг.8, не создаёт на обрабатываемой поверхности 10 промежуток между пучками. Стрелкой показано направление движения устройства. The variant of convergence of laser beams 8 and 9, intersecting with the axis 12 of the deposited material in the region 13, shown in Fg. 8, does not create a gap between the beams on the treated surface 10. The arrow shows the direction of movement of the device.

В варианте сведения, показанном на Фиг.9, лазерные пучки 8 и 9 перекрываются на обрабатываемой поверхности 10 на оси 12 подачи наплавляемого материала. Стрелкой показано направление движения устройства. In the convergence variant shown in Fig. 9, the laser beams 8 and 9 overlap on the treated surface 10 on the axis 12 of the deposited material supply. The arrow shows the direction of movement of the device.

В варианте сведения, показанном на Фиг.10, лазерные пучки 8 и 9 не пересекаются с наплавляемым материалом и расположены с разных сторон от зоны подачи наплавляемого материала на обрабатываемую поверхность 10 по оси 12. Стрелкой показано направление движения устройства. Пучок 9 создает ванну расплава 19, в которую в ходе перемещения устройства попадает наплавляемый материал, а пучок 8 в зоне подогрева трека 20 поверхности наплава снимает остаточные напряжения после наплава. In the convergence option shown in Fig. 10, the laser beams 8 and 9 do not intersect with the material to be welded and are located on different sides from the zone of supply of the material to be welded to the work surface 10 along the axis 12. The arrow shows the direction of movement of the device. The beam 9 creates a pool of melt 19, into which, during the movement of the device, the deposited material enters, and the beam 8 in the heating zone of the track 20 of the weld surface removes residual stresses after the deposition.

В варианте сведения, показанном на Фиг.11, пучок 9 создает ванну расплава в зоне подачи наплавляемого материала на обрабатываемую поверхность 10, а пучок 8 в зоне подогрева трека поверхности наплава снимает остаточные напряжения после наплавления. Стрелкой показано направление движения устройства. In the variant of convergence, shown in Fig. 11, the beam 9 creates a pool of melt in the zone of supply of the material to be welded to the workpiece surface 10, and the beam 8 in the zone of heating the track of the weld surface removes residual stresses after fusion. The arrow shows the direction of movement of the device.

Устройство работает следующим образом. The device works as follows.

Лазер 1 генерирует входное лазерное излучение 22 и направляет его вдоль оптической оси 11 на фокусирующую линзу 2. После фокусирующей линзы 2 устройство разделения лазерного пучка, содержащая соприкасающиеся зеркала 3 и 4, разделяет лазерное излучение 22, по меньшей мере, на два пучка или две группы пучков, и направляет их на два поворотных зеркала 5 и 6 устройства сведения. Поворотные зеркала 5 и 6 направляют лазерные пучки 8 и 9 на обрабатываемую поверхность 10 в зону подачи наплавляемого материала. При одновременном перемещении зеркал 5 и 6 относительно лазерного излучения 22, идущего от линзы 2 по оптической оси 11, изменяется полная мощность излучения, отражаемая каждым из зеркал 3, 4, 5 или 6 что позволяет регулировать распределение мощности лазерного излучения по разделенным пучкам. Независимое угловое перемещение поворотных зеркал 5 и 6 пучков позволяет реализовать различное расположение лазерных пучков, как относительно друг руга, так и относительно оси 12 подачи наплавляемого материала. Конкретное расположение пучков на обрабатываемой поверхности определяется свойствами наплавляемого материала, материала обрабатываемой поверхности, технологическими режимами и пр. а поверхности объекта обработки 10 в зависимости от параметров технологического процесса наплавки. The laser 1 generates an input laser radiation 22 and directs it along the optical axis 11 to the focusing lens 2. After the focusing lens 2, a laser beam splitting device containing contacting mirrors 3 and 4 separates the laser radiation 22 into at least two beams or two groups beams, and directs them to two rotating mirrors 5 and 6 of the convergence device. Swivel mirrors 5 and 6 direct the laser beams 8 and 9 to the surface to be treated 10 into the zone of supply of the deposited material. With the simultaneous movement of the mirrors 5 and 6 relative to the laser radiation 22 coming from the lens 2 along the optical axis 11, the total radiation power reflected by each of the mirrors 3, 4, 5 or 6 changes, which makes it possible to regulate the distribution of the laser radiation power over the separated beams. The independent angular movement of the rotary mirrors 5 and 6 of the beams makes it possible to realize a different arrangement of the laser beams, both relative to each other and relative to the axis 12 of the deposited material supply. The specific location of the beams on the surface to be treated is determined by the properties of the deposited material, the material of the surface to be treated, technological modes, etc., and the surface of the object to be treated 10, depending on the parameters of the deposition process.

Разделение лазерного излучения 22 плоскими прямоугольными соприкасающимися зеркалами 14, 15, 16 на несколько пучков по разным направлениям в параллельных плоскостях, регулирование распределения мощности между разделенными пучками путём одновременного перемещения зеркал, предварительный подогрев наплавляемого порошкового материала путем пересечения с ним лазерных пучков, ориентация лазерных пятен и области подачи наплавляемого материала по направлению движения устройства, регулирование при этом расположения пятен и их мощности — это обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышает скорость и качество выполнения лазерной наплавки, повышает ее энергетическую эффективность.Separation of laser radiation by 22 flat rectangular contacting mirrors 14, 15, 16 into several beams in different directions in parallel planes, regulation of the power distribution between the separated beams by simultaneous movement of the mirrors, preheating of the deposited powder material by intersecting laser beams with it, orientation of laser spots and areas of supply of the deposited material in the direction of movement of the device, while regulating the location of the spots and their power - this provides an expansion of functionality , increases the speed and quality of laser surfacing, and increases its energy efficiency.

Таким образом, оптическая головка и созданное на её основе устройство для лазерной наплавки позволяют регулировать положение ванны расплава и зоны подогрева на обрабатываемой поверхности, позволяют осуществлять предварительный подогрев наплавляемого материала перед обрабатываемой поверхностью вплоть до его оплавления, что расширяет функциональные возможности устройства, повышает скорость и качество выполнения операции лазерной наплавки. Thus, the optical head and the device for laser cladding created on its basis make it possible to adjust the position of the molten pool and the heating zone on the treated surface, allow preheating of the material to be welded in front of the treated surface up to its melting, which expands the functionality of the device, increases the speed and quality. performing laser cladding operations.

Claims (8)

1. Оптическая головка, содержащая корпус, установленные в упомянутом корпусе линзу для фокусировки лазерного излучения, устройство разделения лазерного излучения, устройство сведения лазерных пучков, отличающаяся тем, что устройство разделения лазерного излучения выполнено в виде двух соприкасающихся зеркал, расположенных под углом друг к другу с возможностью разделения лазерного излучения по меньшей мере на два противоположно направленных лазерных пучка, упомянутое устройство сведения содержит два зеркала, которые направляют упомянутые противоположно направленные лазерные пучки в зону обработки, при этом упомянутые зеркала устройства сведения выполнены поворотными.1. An optical head containing a housing, a lens for focusing laser radiation, a device for separating laser radiation, a device for converging laser beams, installed in said housing, a device for converting laser beams, characterized in that the device for separating laser radiation is made in the form of two contacting mirrors located at an angle to each other with the possibility of dividing the laser radiation into at least two oppositely directed laser beams, said convergence device contains two mirrors that direct said oppositely directed laser beams into the processing zone, while said convergence device mirrors are rotatable. 2. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе установлено устройство подачи наплавляемого материала, а зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены в виде плоских зеркал.2. The optical head according to claim 1, characterized in that a device for feeding the material to be welded is installed in the housing, and the mirrors of the device for separating laser radiation are made in the form of flat mirrors. 3. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно зеркало устройства разделения лазерного излучения состоит из по меньшей мере двух плоских прямоугольных зеркал, расположенных с угловым смещением друг к другу.3. Optical head according to claim 1, characterized in that at least one mirror of the laser separation device consists of at least two flat rectangular mirrors located angularly offset to each other. 4. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси линзы для фокусировки.4. The optical head according to claim 1, characterized in that the mirrors of the laser separation device are made with the ability to move in a direction perpendicular to the optical axis of the focusing lens. 5. Устройство для лазерной наплавки, содержащее источник лазерного излучения, оптическую головку, имеющую корпус, установленные в упомянутом корпусе линзу для фокусировки лазерного излучения, устройство разделения лазерного излучения, устройство сведения лазерных пучков и устройство подачи наплавляемого материала, отличающееся тем, что устройство разделения лазерного излучения выполнено в виде двух соприкасающихся зеркал, расположенных под углом друг к другу так, что лазерное излучение разделяется по меньшей мере на два противоположно направленных лазерных пучка, устройство сведения содержит два зеркала, которые направляют упомянутые противоположно направленные лазерные пучки в зону обработки, при этом упомянутые зеркала устройства сведения выполнены поворотными.5. A device for laser cladding, comprising a source of laser radiation, an optical head having a housing, a lens for focusing laser radiation, a device for separating laser radiation, a device for converging laser beams and a device for feeding a material to be welded, characterized in that the device for separating the laser radiation is made in the form of two touching mirrors located at an angle to each other so that the laser radiation is divided into at least two oppositely directed laser beams, the convergence device contains two mirrors that direct the said oppositely directed laser beams into the treatment zone, while the mentioned the mirrors of the information device are rotary. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что подача наплавляемого материала в зону обработки осуществляется вдоль оптической оси линзы для фокусировки.6. The device according to claim 5, characterized in that the deposited material is fed into the processing zone along the optical axis of the focusing lens. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оптическая головка выполнена с возможностью поворота вокруг оптической оси линзы для фокусировки.7. The device according to claim 5, characterized in that the optical head is rotatable around the optical axis of the lens for focusing. 8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что зеркала устройства разделения лазерного излучения выполнены с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси линзы для фокусировки.8. The device according to claim 5, characterized in that the mirrors of the laser separation device are movable in a direction perpendicular to the optical axis of the focusing lens.
RU2019144268A 2019-12-27 2019-12-27 Device for laser facing and optical head RU2732467C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144268A RU2732467C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Device for laser facing and optical head
PCT/IB2020/062454 WO2021130727A1 (en) 2019-12-27 2020-12-24 Device for laser build-up welding, and optical head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144268A RU2732467C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Device for laser facing and optical head

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2732467C1 true RU2732467C1 (en) 2020-09-17

Family

ID=72516570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019144268A RU2732467C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Device for laser facing and optical head

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2732467C1 (en)
WO (1) WO2021130727A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070097592A (en) * 2003-04-24 2007-10-04 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드 Diffraction optical element and optical pickup device using same
CN103060801A (en) * 2013-01-29 2013-04-24 西安交通大学 Coaxial powder delivery nozzle applied to variable spot technique
CN208628429U (en) * 2018-05-03 2019-03-22 中国兵器装备研究院 A kind of increasing material manufacturing device
RU2017131835A (en) * 2017-12-18 2019-06-18 Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") Optical head for laser processing of internal surfaces of cylindrical products

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2283738C1 (en) * 2005-02-15 2006-09-20 ОАО "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Device for laser working
RU162815U1 (en) * 2016-02-09 2016-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") INSTALLATION FOR LASER PROCESSING
CA3014185C (en) * 2016-02-12 2024-05-28 Ipg Photonics Corporation Laser cutting head with dual movable mirrors providing beam alignment and/or wobbling movement
RU187729U1 (en) * 2018-06-20 2019-03-15 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Laser processing unit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070097592A (en) * 2003-04-24 2007-10-04 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드 Diffraction optical element and optical pickup device using same
CN103060801A (en) * 2013-01-29 2013-04-24 西安交通大学 Coaxial powder delivery nozzle applied to variable spot technique
RU2017131835A (en) * 2017-12-18 2019-06-18 Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") Optical head for laser processing of internal surfaces of cylindrical products
CN208628429U (en) * 2018-05-03 2019-03-22 中国兵器装备研究院 A kind of increasing material manufacturing device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021130727A1 (en) 2021-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11135680B2 (en) Irradiation devices, machines, and methods for producing three-dimensional components
RU200662U1 (en) Laser cladding device
US5147999A (en) Laser welding device
CN109434107B (en) A multi-energy beam high-efficiency additive manufacturing method
US10751936B2 (en) Laser operating machine for additive manufacturing by laser sintering and corresponding method
EP3525960B1 (en) Laser operating machine for additive manufacturing by laser thermal treatment, in particular by fusion, and corresponding method
CN109837497B (en) Center coaxial powder feeding type supersonic laser spraying method
CN102015189B (en) Method for laser treating work pieces by way of a laser beam and a dynamic beam control of the laser beam
CN111132780B (en) Method, irradiation device and processing machine for producing a continuous surface region
US20190331929A1 (en) Laser broadband cladding device
EP3525961B1 (en) Laser operating machine for additive manufacturing by laser thermal treatment, in particular by fusion, and corresponding method
US20220379402A1 (en) Machining apparatus for laser machining a workpiece, method for laser machining a workpiece
CN112313079B (en) Apparatus and method for manufacturing three-dimensional objects
SG185226A1 (en) Method of manufacturing a component
WO2015132640A1 (en) Laser cladding method and device for implementing same
US20110259858A1 (en) Apparatus and method for laser deposition welding using a powdery welding material
CN108950545A (en) A kind of rotary light beam ultrahigh speed laser cladding method and device
RU2676064C1 (en) Method of supersonic laser deposition of powder materials and device for its implementation
US11383323B2 (en) Beam-forming and deflecting optical system for a laser machining device, and method for machining a workpiece using a laser beam
CN106862756B (en) Multi-angle can preheat reversal-flame type laser melting coating head
EP4076796A1 (en) System and method for laser metal powder deposition
CN112410779A (en) Coaxial multi-beam laser synthesis axis powder feeding ultrahigh-speed laser cladding head and cladding method thereof
CN111005016A (en) Scanning galvanometer-assisted supersonic laser composite high-speed deposition device
RU2732467C1 (en) Device for laser facing and optical head
RU200648U1 (en) Optical head for laser cladding