Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 7

Для измерений валика впроцессе выращивания используются бесконтактные измерители расстояния –40инфракрасные камеры с регистрацией отраженного сигнала. Такая системаустановлена, например, в комплексе фирмы Fraunhofer.Для анализа размеров уже выращенного объекта используют измерителирасстояний, контактные и бесконтактные [34]. По ряду физических причин(температура выращиваемой детали в момент измерений, шероховатость детали,быстродействие) контактные измерители расстояний применяют достаточноредко. Бесконтактные датчики измерения расстояний – оптические. Их точностьочень сильно зависит от качества поверхности, температуры фотоприемника,размера луча измерения, среды, в которой лазерный луч распространяется.Фирма Trumpf в комплексе DMD POM 5050 использует дальномер дляизмерения высоты выращиваемого валика.

Уникальность технологическойоснастки комплекса состоит в том, что система снабжена несколькимидатчиками контроля за параметрами процесса. Один датчик производитрегистрациютемпературываликаспомощьюинфракраснойкамерынепосредственно в процессе выращивания. Другой датчик - измерительрасстояния, производит контроль размеров.

Третий датчик – измеряетхимический состав паров металла в зоне выращивания. Недостатками комплексаявляетсявысокаясложностьпрограммногообеспеченияиотсутствиеинформации о макроразмерах выращенной детали. Кроме того, нам не известноо результатах работы такой сложной системы.Процесс прямого лазерного выращивания характеризуется наличиемзначительногообратногоотражениялазерногоизлучения,взвесейгазопорошкового материала в зоне выращивания. В связи с этим измерениеименновзоневыращиванияпомехозащищенностидатчика.впрямомПрименениеэфиретребуетвысокойбесконтактногодатчикарационально не в процессе выращивания, а между проходами, когда деталь ужедостаточно остывает (до температур не более 200 С), а лазерный луч и порошокне вносят помех в измерения.Для контроля процесса выращивания в отечественной системе реализованвстроенный в ЧПУ датчик измерения расстояний. Алгоритм работы датчика41разрабатывается специально для каждой детали.Технологическоеоснащение комплекса – набор инструментов, обеспечивающих стабильность ивоспроизводимость процесса.

При существующем многообразии техническихрешений, создать универсальную систему практически невозможно. Например,известно, что для повышения точности выращенного изделия необходимоуменьшатьразмеродиночноговалика.Однако,приэтомпадаетпроизводительность процесса. Единственным выходом представляется системас переменным диаметром луча на поверхности обработки. Необходима высокаяскорость изменения диаметра, точность и воспроизводимость при многократномповторении выращенных слоев.

Однако, для задания параметров излучения ксистемепеременногодиаметранеобходимовначалеисследоватьгазопорошковый поток, который попадает на поверхность обработки.2.3.3. Исследование эффективности способов подачи порошкаСпособ подачи порошка влияет на качество нанесенного материала и напроизводительность процесса. Чем эффективнее подается материал в зонувоздействия лазерного луча, тем выгоднее эксплуатация комплекса и темстабильнее будет процесс выращивания.Выделяют несколько основныхпринципов подачи порошка в зону воздействия:1.Боковая подача2.Многоструйная осесимметричная подача3.Коаксиальная подачаКаждый способ обеспечивает определенное распределение частицпорошка по поперечному сечению газопорошкового потока как на подлете кплоскости обработки, так и непосредственно в ней. Боковая подача обеспечиваетв общем случае распределение частиц на поверхности в форме эллипса [35], всвязи с чем проявляет ряд недостатков: несимметричность относительноперемещения подложки, сложность точного взаимного расположения подающейтрубки и лазерного луча.

Данный способ применяется для выращивания42тонкостенных тел вращения и создания покрытий [36]. Согласно исследованиям,боковая подача порошковых материалов совместно с высокой мощностьюобработки, позволяет получить более высокие свойства материала по сравнениюс классическими методами обработки.Многоструйная осесимметричная подача (Рисунок 2.14) обеспечиваетподачу порошка струей с нормальным распределением для больших диаметровлуча: от 0,5 до 4 мм. Область применения таких технологических решений –нанесение металла с наклоном головы относительно вертикали. Это бываетнеобходимо при ремонте массивных деталей с помощью манипулятора, и привыращивании объектов сложной формы с перемещением технологическойголовы, а не заготовки. При многоструйной подаче перетяжка порошковогопотока остается на оси излучениятехнологическойголовы,втодаже привремякакпризначительном наклонекоаксиальнойподачегазопорошковый поток отклоняется от оси и не позволяет получить стабильногоформирования нанесенных валиков.

Причина таких различий – в скоростивылетающих из технологической оснастки частиц. Из перечисленных вышекомплексов фирмы Optomec и Trumpf придерживается такой технологическойоснастки.Рисунок 2.14.Трехструйная подача порошка43Коаксиальная подача присадочного материала (Рисунок 2.15) позволяетполучить максимально «острое» распределение порошковых частиц благодарячему применима для обработки лучами диаметром менее 1 мм с высокимкоэффициентом использования порошка. Кроме того, в системах данного типаравномерность подачи выше, симметрия потока максимальная. Повышаетсякоэффициент использования порошка, снижается динамическое воздействие наформирующийся валик.

При этом комплексы, в которых не предусмотрен наклонголовы, используют коаксиальные технологические головы. Такие головыиспользуют в своих комплексах: Easy CLAD, Huffman, Fraunhofer.Рисунок 2.15.Коаксиальная подача порошкаИзвестные комплексы, как видно, используют технологические головы сразличными сопловыми насадками. Главная причина – различные скорости навыходе частиц из сопла.Экспериментальные измерения распределения частиц порошка в потокепроводились многими исследователями: Ковачевич, Пинкертон, Де-Хоссон.Сообщается, что диаметр газопорошкового потока зависит как от угла наклонасопла, так и от размера частиц.

Используемые при выращивании частицыдолжны иметь сферическую форму и узкий диапазон разброса размеров: не более20%. В противном случае нанесение валиков будет неравномерными44нестабильным (см. Рисунок 2.13). Обеспечение оптимальных параметров подачипорошкового материала – задача, требующая отдельного исследования.Рисунок 2.13.Порошок никелевого сплава, увеличение 200 кратВ многоструйных насадках скорость вылета частиц значительно выше. Навылете из сопла они еще сохраняют симметрию и траекторию движения.Благодаря этому возникает возможность обрабатывать крупногабаритныедетали не поворачивая их, а наклоняя технологическую голову. Комплексы,использующие дополнительную пару осей для наклона и поворота головы,неизменно оснащают технологическую оснастку трехструйным соплом.

Так,например, поступили Optomec и Trumpf.Плотность распределения частиц порошкового материала, в зависимостиот технологической оснастки, изменяется значительно. Соответственно сплотностью изменяется и форма нанесенных валиков. Поскольку плотностьпотока порошкового материала изменяется от сечения к сечению, то необходимоконтролировать зазор в пределах определенного, узкого диапазона. Дляустановления диапазона оптимальных зазоров для каждого типа насадкипроведены эксперименты по измерению плотности потока в различныхсечениях.Распределение частиц порошка при коаксиальной подаче близко кнормальному, однако с ростом размеров частиц от 50 до 150 мкм оно будетухудшаться, «сглаживаясь»: диаметр перетяжки газопорошкового потока будет45увеличиваться. Причиной этого является преобладание сил газодинамическогосопротивления над силами тяжести частиц в данном диапазоне размеров.Порошок подавался в технологическую голову с помощью питателятранспортирующим газом – аргоном.

Технологическая голова в процессеизмерений была расположена вертикально. Выходящий из нее порошковыйпоток подсвечивался специальным образом и регистрировался камерой. Врезультате на ней отображались только те частицы, которые пролетают в данномсечении газопорошкового потока.

Перемещая голову ступенчато вдоль оси ипоследовательнорегистрируятакиеизображения,получаемкартинураспределения частиц в газопорошковом потоке. Схема экспериментальногостенда представлена на Рисунке 2.16. Стенд состоит из технологической головы(2), неподвижного источника света щелевого типа (4), видеокамеры (1).Источник света представляет из себя диодный светильник зеленого цвета сосветимостью 2000 Лм.

Светильник создает излучение зеленого цвета, выходящеечерез специальную щель в корпусе. Ширина щели составляет 2 мм. Шириналуча, освещающего поток порошка – тоже 2 мм, поскольку поток ссыпаетсянепосредственно возле щели, расходимостью луча пренебрегаем.46Рисунок 2.16.Схема измерений распределения газопорошкового потока по сечениямРисунок 2.17.Параметры газопорошкового потока, вычисленные с помощью эксперимента47На Рисунке 2.17 указаны наиболее важные параметры газопорошковогопотока:Zmin – расстояние, на котором диаметр потока имеет минимальный диаметр, аследовательно,максимальнуюплотность.Обычноданноерасстояниерассматривают как рабочее, с максимальным коэффициентом использованияпорошка.Lrab – зона потока, обработка в которой обеспечивает формированиестабильного валика, без перегрева порошковых частиц и с оптимальнымкоэффициентом порошкового материала.Dmin – минимальный диаметр газопорошкового потока, достигаемый в данномсопле при использовании данного порошка.

Этот диаметр характеризуетвозможность получения валиков минимальной ширины с эффективнымиспользованиемпорошка.Перечисленныепараметрынеобходимыдляэффективного назначения конкретной насадки в определенной технологииобработки. Размер перетяжки, например, влияет на стабильность процессананесения покрытия.Для качественного установления плотности порошковых частиц в зонеобработки при том или ином способе подачи порошков были проведеныисследования их распределения по сечению методами скоростной съёмки ирегистрации групп частиц. Измерения показали, что коаксиальная подачапорошков обеспечивает максимальную концентрацию частиц в зоне обработки.Рабочая зона для порошка никелевого сплава, сферической формы и с размерамичастиц до 100 мкм составила не более 14 мм. Подача порошковых материалов сростом размера частиц от 50 до 100 мкм приводит к увеличению диаметраперетяжки газопорошкового потока.В результате измерений были получены такие параметры газопорошковогопотока, как: фокусное расстояние технологической оснастки по порошку,минимальный диаметр газопорошкового потока, размер «перетяжки» той илииной оснастки, относительная плотность частиц газопорошкового потока вразличных его сечениях.48Рисунок 2.18.Размеры газопорошкового потока, измеренные для коаксиального соплаРисунок 2.19.Размеры газопорошкового потока, измеренные для четырехструйного сопла49Таким образом, с учетом измерений и литературных данных, вразрабатываемомкомплексеустановленатехнологическаяголоваскоаксиальной подачей порошка.

Формы насадок: коаксиальные, угол привершине и диаметр сопла на срезе, могут быть выбраны различные, взависимости от применяемого материала и диаметра лазерного луча,используемого для обработки конкретной детали.Разработка технологической головы для лазерной обработки придлительномпроцессевыполнениерядатребуеттребованийтщательногокисследования.технологическойНеобходимооснастке,посколькудлительность процесса выращивания может составлять часы.На стабильное формирование валиков при выращивании объектов, какизвестно, влияет множество факторов. Среди них следует выделить несколько,зависящих от используемой технологической оснастки, т.е. технологическойголовы.1.Стабильностьимощностьсистемыохлажденияэлементовтехнологической головы (насадок, оптических частей, корпуса).Дляобеспечениястабильностисистемыохлаждениянеобходимообеспечить равномерный и достаточный проток охлаждающей жидкости черезвсе нагревающиеся элементы оснастки.