RU2767104C1 - Laser powder surfacing device - Google Patents

Laser powder surfacing device Download PDF

Info

Publication number
RU2767104C1
RU2767104C1 RU2020105827A RU2020105827A RU2767104C1 RU 2767104 C1 RU2767104 C1 RU 2767104C1 RU 2020105827 A RU2020105827 A RU 2020105827A RU 2020105827 A RU2020105827 A RU 2020105827A RU 2767104 C1 RU2767104 C1 RU 2767104C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
nozzle
gas
laser
surfacing
Prior art date
Application number
RU2020105827A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альберт Харисович Гильмутдинов
Константин Юрьевич Нагулин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2020105827A priority Critical patent/RU2767104C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2767104C1 publication Critical patent/RU2767104C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • 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)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention can be used in laser powder surfacing, in particular, in additive manufacturing of articles from powder materials. Nozzle adapter housing is made with axial central channel for supply of protective gas and laser radiation. At least three gas-jet sound or ultrasonic radiators are located in the housing symmetrically to the nozzle axis, each of which is made in the form of a Hartmann whistle with the possibility of controlling the frequency of the generated acoustic radiation. Radiators are arranged with the possibility of action of generated oscillations on particles of supplied powder. Outlets of the radiators are communicated with the central channel of the nozzle body.EFFECT: method increases fluidity of powder material in channels of nozzle adapter and prevents clogging of powder tubes and coaxial gap of nozzle adapter with powder particles.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерных технологий и может быть использовано при лазерной порошковой наплавке, в том числе и при аддитивном изготовлении изделий из порошковых материалов.The invention relates to the field of laser technology and can be used in laser powder surfacing, including the additive manufacturing of products from powder materials.

Известны несколько способов подачи порошковых материалов в зону лазерного воздействия при лазерной порошковой наплавке: боковая подача, многоструйная и коаксиальная подача порошка [Зленко M.A. Аддитивные технологии в машиностроении / М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш // пособие для инженеров. - М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015. 220 с.]. Подача порошка в зону наплавки в многоструйных сопловых насадках осуществляется потоком транспортного газа, распространяющегося во внутренних транспортных каналах, а в коаксиальных сопловых насадках - в зазоре между направляющими конусами. Для прецизионной подачи порошка диаметр внутренних транспортных каналов и ширину зазора между конусами делают как можно меньше. При использовании порошка с неоднородным фракционным составом возникает высокая вероятность засора порошковых трубок в многоструйных сопловых насадках и засорения зазора между конусами в коаксиальных насадках. При отклонении оси сопловой насадки от вертикали вероятность засора порошка в ее каналах многократно возрастает, что препятствует аддитивному изготовлению изделий со сложной конфигурацией, при которой в процессе изготовления требуется наклон сопловой насадки - например, изготовление буртиков или боковых отводов. Засор сопловой насадки приводит к нестабильной подаче порошка в зону наплавки, что вызовет плохую воспроизводимость характеристик наплавочного валика. Для предотвращения засора сопловой насадки увеличивают расход транспортного газа, который переносит частицы порошкового материала в соединительных трубках и в каналах сопловой насадки. Однако, увеличение расхода транспортного газа приводит к расширению газопорошкового потока на выходе сопловой насадки и, как следствие, к снижению эффективности использования порошкового материала и производительности процесса наплавки.There are several ways of supplying powder materials to the laser exposure zone during laser powder surfacing: lateral supply, multi-jet and coaxial supply of powder [Zlenko M.A. Additive technologies in mechanical engineering / M.V. Nagaitsev, V.M. Dovbysh // manual for engineers. - M. SSC RF FSUE "NAMI" 2015. 220 p.]. The supply of powder to the surfacing zone in multi-jet nozzle nozzles is carried out by a transport gas flow propagating in internal transport channels, and in coaxial nozzle nozzles - in the gap between the guide cones. For precise powder feeding, the diameter of the internal transport channels and the width of the gap between the cones are made as small as possible. When using a powder with a non-uniform fractional composition, there is a high probability of clogging of the powder tubes in multi-jet nozzles and clogging of the gap between the cones in coaxial nozzles. When the nozzle nozzle axis deviates from the vertical, the probability of powder clogging in its channels increases many times, which prevents the additive manufacturing of products with a complex configuration, in which the nozzle nozzle tilt is required during the manufacturing process, for example, the manufacture of shoulders or side outlets. Clogged nozzle leads to unstable powder supply to the weld zone, which will cause poor reproducibility of the characteristics of the weld bead. To prevent clogging of the nozzle nozzle, the flow of transport gas is increased, which carries particles of powder material in the connecting tubes and in the channels of the nozzle nozzle. However, an increase in the transport gas consumption leads to an expansion of the gas-powder flow at the outlet of the nozzle nozzle and, as a result, to a decrease in the efficiency of the use of powder material and the productivity of the surfacing process.

Известно устройство для лазерной порошковой наплавки с использованием порошкового питателя с звуковым или ультразвуковым воздействием на порошковый поток [W. Wang and L. Li High-quality high-material-usage multiple-layer laser deposition of nickel alloys using sonic or ultrasonic vibration powder feeding // Proc. IMechE Vol. 225 Part B: J. Engineering Manufacture P. 130-139]. В нем порошок подается в транспортные каналы под действием силы тяжести без участия транспортного газа. Для увеличения текучести порошкового материала вся конструкция сопловой насадки приводится в колебательное движение за счет применения пьезоэлектрического привода, на который подается напряжение от внешнего генератора. Недостатком данного устройства является необходимость встраивания в конструкцию сопловой насадки пьезоэлектрического привода и обеспечения его защиты от электропроводящего мелкодисперсного порошкового материала, который может вызвать замыкание между обкладками пьезоэлектрического привода. Также для пьезоэлектрического привода необходим внешний высоковольтный генератор электрических колебаний.A device for laser powder welding using a powder feeder with sonic or ultrasonic effects on the powder flow [W. Wang and L. Li High-quality high-material-usage multiple-layer laser deposition of nickel alloys using sonic or ultrasonic vibration powder feeding // Proc. IMechE Vol. 225 Part B: J. Engineering Manufacture P. 130-139]. In it, the powder is fed into the transport channels under the action of gravity without the participation of the transport gas. To increase the fluidity of the powder material, the entire design of the nozzle nozzle is driven into oscillatory motion by using a piezoelectric drive, which is energized from an external generator. The disadvantage of this device is the need to build in the design of the nozzle nozzle of the piezoelectric actuator and ensure its protection from electrically conductive fine powder material, which can cause a short circuit between the plates of the piezoelectric actuator. An external high-voltage generator of electrical oscillations is also required for the piezoelectric drive.

Известны газоструйные ультразвуковые излучатели низкого давления типа свистка с дозвуковым режимом истечения газа или излучатели высокого давления типа генератора Гартмана со сверхзвуковым режимом истечения газа [Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука М.: Наука, 1967, 378 с.]. Газоструйные излучатели отличаются относительной простотой конструкции, отсутствием внешнего генератора электрических колебаний, механической прочностью и могут быть использованы в конструкциях, где имеется течение газа при низком (свистки) или высоком (генератор Гартмана) давлении.Known gas-jet low-pressure ultrasonic emitters of the whistle type with subsonic gas outflow or high-pressure emitters of the Hartmann generator type with supersonic gas outflow [Rozenberg L.D. Physics and technology of powerful ultrasound. Book 1. Sources of powerful ultrasound M.: Nauka, 1967, 378 p.]. Gas-jet radiators are distinguished by their relative simplicity of design, the absence of an external generator of electrical oscillations, mechanical strength and can be used in structures where there is a gas flow at low (whistles) or high (Hartmann generator) pressure.

Известно устройство для комбинированной газо-лазерно-ультразвуковой резки листового металла [RU 2 670 629 С9 B23K 26/38 (2014.01), B23K 26/14 (2014.01), B23K 26/348 (2014.01), опубликован 23.11.2018 Бюл. №33], содержащее лазерный резак, сопло с форкамерой, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний (УЗК), отличающееся тем, что генератор УЗК выполнен с резонирующим объемом с, по меньшей мере, тремя свистками Гартмана, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и совмещен с ней. В устройстве лазерной резки ультразвуковые колебания в канале реза создаются газоструйным излучателем Гартмана, работающим в потоке технологического газа, истекающего из сопла.A device for combined gas-laser-ultrasonic cutting of sheet metal is known [EN 2 670 629 C9 B23K 26/38 (2014.01), B23K 26/14 (2014.01), B23K 26/348 (2014.01), published on 11/23/2018 Bull. No. 33], containing a laser cutter, a nozzle with a prechamber, a process gas supply manifold and an ultrasonic vibration generator (UT), characterized in that the ultrasonic vibration generator is made with a resonating volume with at least three Hartmann whistles spaced evenly along its perimeter, in this case, the resonating volume is placed coaxially with the nozzle prechamber and aligned with it. In a laser cutting device, ultrasonic vibrations in the cut channel are created by a Hartmann gas-jet emitter operating in a process gas flow flowing from a nozzle.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение текучести порошкового материала в каналах сопловой насадки для лазерной порошковой наплавки и предотвращения засора порошковых трубок и коаксиального зазора сопловой насадки частицами порошка.The technical problem to be solved by the proposed technical solution is to increase the fluidity of the powder material in the channels of the nozzle nozzle for laser powder surfacing and prevent clogging of the powder tubes and the coaxial gap of the nozzle nozzle with powder particles.

Технический результат предлагаемого устройства для лазерной порошковой наплавки заключается в возбуждении в потоке защитного газа звуковых или ультразвуковых колебаний при помощи газоструйных излучателей.The technical result of the proposed device for laser powder surfacing consists in the excitation of sound or ultrasonic vibrations in the shielding gas flow using gas-jet emitters.

Технический результат предлагаемого устройства для лазерной порошковой наплавки, включающего корпус сопловой насадки, систему формирования многоструйного или коаксиального потока газопорошковой смеси, осевой канал в корпусе сопловой насадки для подачи защитного газа и лазерного излучения для плавления порошка в зоне его фокусировки достигается, что в центральном канале корпуса сопловой насадки установлены не менее трех газоструйных звуковых или ультразвуковых излучателей, выходы которых сообщаются с центральным каналом в корпусе сопловой насадки.The technical result of the proposed device for laser powder surfacing, including a nozzle body, a system for generating a multi-jet or coaxial flow of a gas-powder mixture, an axial channel in the nozzle body for supplying protective gas and laser radiation for melting the powder in its focus zone, is achieved that in the central channel of the body At least three gas-jet sound or ultrasonic emitters are installed in the nozzle nozzle, the outputs of which communicate with the central channel in the nozzle nozzle housing.

На Фиг 1 схематически изображено предлагаемое устройство для лазерной порошковой наплавки при использовании многоструйной подачи порошкового материала в зону наплавки. В корпусе сопловой насадки 1, имеющей центральный канал 3, установлены трубки 2 для подачи порошкового материала таким образом, что газопорошковые потоки, выходящие из трубок 2 пересекаются в одной точке 4 пространства на оси корпуса сопловой насадки 1. Смесь 6 наплавляемого порошкового материала с транспортным газом подается в трубки 2. Вместо трубок 2 в корпусе сопловой насадки 1 могут быть выполнены цилиндрические каналы, по (которым подаются газопорошковые потоки. Вдоль оси сопловой насадки по центральному каналу 3 распространяется лазерное излучение 5, фокусирующееся на точке пересечения газопорошковых потоков 4. Внутри корпуса 1 сопловой насадки симметрично относительно ее оси установлено не менее трех газоструйных звуковых или ультразвуковых излучателей Гартмана 7, выходы которых соединены с центральным каналом 3. Регулировка частоты генерируемого акустического излучения осуществляется за счет изменения длины резонатора путем перемещения поршня с регулировочным винтом 8. Излучатели 7 приводятся в действие потоком защитного газа, подаваемого через штуцер 9.Figure 1 schematically shows the proposed device for laser powder surfacing using multi-jet supply of powder material to the surfacing zone. In the body of the nozzle 1, which has a central channel 3, tubes 2 are installed for supplying powder material in such a way that the gas-powder flows coming out of the tubes 2 intersect at one point 4 of the space on the axis of the body of the nozzle 1. Mix 6 of the deposited powder material with transport gas is fed into tubes 2. Instead of tubes 2, cylindrical channels can be made in the body of the nozzle nozzle 1, through which gas-powder flows are supplied. Laser radiation 5 propagates along the axis of the nozzle nozzle through the central channel 3, focusing on the point of intersection of gas-powder flows 4. Inside the body 1 At least three gas-jet sound or ultrasonic Hartmann emitters 7 are installed symmetrically about its axis, the outputs of which are connected to the central channel 3. The frequency of the generated acoustic radiation is adjusted by changing the length of the resonator by moving the piston with the adjusting screw 8. Radiate fir 7 are driven by a flow of protective gas supplied through the fitting 9.

Рассмотрим работу устройства для лазерной порошковой наплавки при использовании многоструйной подачи порошкового материала в зону наплавки. Включается подача защитного газа в штуцеры 8 и устанавливаются необходимые по технологии наплавки значения давления и расхода защитного газа в интервале значений 2-4 атм и 5-30 л/мин соответственно. Включается подача газопорошковой смеси 6 в порошковые трубки 2. Устанавливаются необходимые по технологии наплавки значения давления (1-3 атм) и расхода (1-15 л/мин) транспортного газа и массовый расход порошкового материала. Наплавочную головку подводят на заданное расстояние к подложке, на которую будет осуществляться наплавка (на Фиг 1 не показана), включают источник лазерного излучения и перемещают наплавочную головку с заданной скоростью и по заранее заданной траектории. За счет воздействия на частицы порошкового материала в трубках 2 звуковых или ультразвуковых колебаний, генерируемых газоструйными излучателями Гартмана 7, не происходит агрегации частиц порошка и их прилипания к внутренней поверхности стенок трубок 2, что обеспечивает стабильность подачи порошка в зону наплавки. Также звуковые или ультразвуковые колебания, распространяющиеся в центральном канале 3 препятствуют оседанию частиц порошка на защитное стекло (на Фиг 1 не показано), которое отделяет центральный канал 3 от зоны, где располагаются фокусирующие линзы наплавочной головки. Это способствует продлению срока службы защитного стекла, поскольку при попадании лазерного излучения на частицу, осевшую на защитное стекло приводит к немедленному повреждению последнего.Let us consider the operation of a device for laser powder surfacing using a multi-jet supply of powder material to the surfacing zone. The shielding gas supply to the fittings 8 is switched on and the values of pressure and shielding gas flow required by the surfacing technology are set in the range of 2-4 atm and 5-30 l/min, respectively. The supply of the gas-powder mixture 6 to the powder tubes 2 is switched on. The values of pressure (1-3 atm) and flow rate (1-15 l/min) of the transport gas and the mass flow rate of the powder material necessary for the surfacing technology are set. The surfacing head is brought to a predetermined distance to the substrate on which surfacing will be carried out (not shown in Fig. 1), the laser radiation source is turned on and the surfacing head is moved at a given speed and along a predetermined trajectory. Due to the impact on the particles of the powder material in the tubes 2 of sonic or ultrasonic vibrations generated by the Hartmann gas-jet emitters 7, there is no aggregation of the powder particles and their adhesion to the inner surface of the walls of the tubes 2, which ensures the stability of the powder supply to the surfacing zone. Also, sound or ultrasonic vibrations propagating in the central channel 3 prevent the powder particles from settling on the protective glass (not shown in Fig. 1), which separates the central channel 3 from the area where the focusing lenses of the welding head are located. This contributes to extending the service life of the protective glass, since when laser radiation hits a particle that has settled on the protective glass, it immediately damages the latter.

На Фиг 2 схематически изображено предлагаемое устройство для лазерной порошковой наплавки при использовании коаксиальной подачи порошкового материала в зону наплавки. В корпусе сопловой насадки 1, состоящем не менее чем из двух коаксиально расположенных направляющих конусов и формирующих в промежутке между собой конический канал 2 для подачи газопорошковой смеси, на оси имеется центральный канал 3. Газопорошковые потоки, выходящие из зазора 2 между направляющими конусами, пересекаются в одной точке 4 пространства на оси корпуса сопловой насадки 1. Смесь 6 наплавляемого порошкового материала с транспортным газом подается в зазор 2 между конусами в корпусе 1. Вдоль оси сопловой насадки по центральному каналу 3 распространяется лазерное излучение 5, фокусирующееся на точке пересечения газопорошковых потоков 4. Внутри корпуса 1 сопловой насадки симметрично относительно ее оси установлено не менее трех газоструйных звуковых или ультразвуковых излучателей Гартмана 7, выходы которых соединены с центральным каналом 3. Регулировка частоты генерируемого акустического излучения осуществляется за счет изменения длины резонатора путем перемещения поршня с регулировочным винтом 8. Излучатели 7 приводятся в действие потоком защитного газа, подаваемого через штуцер 9.Figure 2 schematically shows the proposed device for laser powder surfacing using coaxial supply of powder material to the surfacing zone. In the nozzle body 1, consisting of at least two coaxially arranged guide cones and forming a conical channel 2 between them for supplying the gas-powder mixture, there is a central channel 3 on the axis. The gas-powder flows emerging from the gap 2 between the guide cones intersect in one point 4 of space on the axis of the body of the nozzle nozzle 1. The mixture 6 of the deposited powder material with the transport gas is fed into the gap 2 between the cones in the body 1. Laser radiation 5 propagates along the axis of the nozzle nozzle through the central channel 3, focusing on the intersection point of the gas-powder flows 4. At least three Hartmann gas-jet sound or ultrasonic emitters 7 are installed inside the body 1 of the nozzle nozzle, symmetrically about its axis, the outputs of which are connected to the central channel 3. The frequency of the generated acoustic radiation is adjusted by changing the length of the resonator by moving the piston from the control adjusting screw 8. Emitters 7 are driven by a flow of protective gas supplied through fitting 9.

Рассмотрим работу устройства для лазерной порошковой наплавки при использовании коаксиальной подачи порошкового материала в зону наплавки. Включается подача защитного газа в штуцеры 9 и устанавливаются необходимые по технологии наплавки значения давления (2-4 атм) и расхода (5-30 л/мин) защитного газа. Включается подача газопорошковой смеси 6 в зазор между конусами 2. Устанавливаются необходимые по технологии наплавки значения давления (1-3 атм) и расхода (1-15 л/мин) транспортного газа и массовый расход порошкового материала. Наплавочную головку подводят на заданное расстояние к подложке, на которую будет осуществляться наплавка (на Фиг 2 не показана), включают источник лазерного излучения и перемещают наплавочную головку с заданными пользователем скоростью и траекторией. За счет воздействия на частицы порошкового материала в зазоре между конусами 2 звуковых или ультразвуковых колебаний, генерируемых газоструйными излучателями Гартмана 7, не происходит агрегации частиц порошка и их прилипания к внутренней поверхности конусов, что обеспечивает стабильность подачи порошка в зону наплавки. Также звуковые или ультразвуковые колебания, распространяющиеся в центральном канале 3 препятствуют оседанию частиц порошка на защитное стекло (на Фиг 2 не показано), которое отделяет центральный канал 3 от зоны, где располагаются фокусирующие линзы наплавочной головки. Это способствует продлению срока службы защитного стекла, поскольку при попадании лазерного излучения на частицу, осевшую на защитное стекло приводит к немедленному повреждению последнего.Let us consider the operation of a device for laser powder surfacing using coaxial supply of powder material to the surfacing zone. The shielding gas supply to the fittings 9 is switched on and the values of pressure (2-4 atm) and flow rate (5-30 l/min) of the shielding gas required by the surfacing technology are set. The supply of the gas-powder mixture 6 into the gap between the cones 2 is switched on. The values of pressure (1-3 atm) and flow rate (1-15 l/min) of the transport gas and the mass flow rate of the powder material, necessary for the surfacing technology, are set. The surfacing head is brought to a predetermined distance to the substrate on which surfacing will be carried out (not shown in Fig. 2), the laser radiation source is turned on, and the surfacing head is moved at a user-defined speed and trajectory. Due to the impact on the particles of powder material in the gap between the cones 2 of sound or ultrasonic vibrations generated by gas-jet Hartmann radiators 7, there is no aggregation of the powder particles and their adhesion to the inner surface of the cones, which ensures the stability of the powder supply to the surfacing zone. Also, sound or ultrasonic vibrations propagating in the central channel 3 prevent the powder particles from settling on the protective glass (not shown in Fig. 2), which separates the central channel 3 from the area where the focusing lenses of the welding head are located. This contributes to extending the service life of the protective glass, since when laser radiation hits a particle that has settled on the protective glass, it immediately damages the latter.

Применение предлагаемого устройства для лазерной порошковой наплавки по сравнению с прототипом, позволит путем воздействия на газопорошковый поток, распространяющийся в порошковых каналах в корпусе головки для лазерной порошковой наплавки, предотвращать засорение порошковых каналов и стабилизировать массовый расход порошка, подаваемого в ванну расплава, а также продлить срок службы защитного стекла в головке для лазерной наплавки.The use of the proposed device for laser powder surfacing in comparison with the prototype will allow, by influencing the gas-powder flow propagating in the powder channels in the body of the head for laser powder surfacing, to prevent clogging of the powder channels and stabilize the mass flow rate of the powder supplied to the melt bath, as well as extend the period protective glass service in the head for laser cladding.

Рассмотрим пример реализации заявленного устройства для лазерной порошковой наплавки. Была изготовлена сопловая трехструйная насадка, у которой сопловые каналы были выполнены осесимметрично в коническом латунном корпусе. В верхней части корпуса сопловой насадки установлен излучатель Гартмана (см. Фиг. 1) с регулируемой длиной резонансной камеры. Диаметр камеры резонатора и сопла Лаваля составил 10 мм, диаметр перетяжки сопла 3,5 мм. Изменение длины камеры резонатора осуществляется регулировочным винтом за счет перемещения его торца в камере в интервале 4-10 мм. Во входное отверстие излучателя поступает защитный газ (аргон) под давлением 1-3 атм и расходом 10-20 л/мин. Выходное отверстие излучателя соединено с центральным каналом корпуса сопловой насадки. С использованием пьезоэлектрического микрофона, а также пьезоэлектрического датчика, закрепленного на корпусе сопловой насадки было установлено, что при подаче на излучатель защитного газа в центральном канале сопловой насадки и в ее корпусе формировались упругие колебания с частотой от 15 кГц до 30 кГц. Регулировка частоты осуществляется путем изменения давления защитного газа в интервале 1-3 атм или объема резонатора за счет перемещения регулировочного винта в интервале 4-10 мм. С использованием высокоскоростной видеосъемки были зарегистрированы изображения газопорошкового потока с включенным акустическим излучателем и без него (Фиг. 3а и б, соответственно). Без акустического воздействия струя порошка (Фиг. 3б), вытекающая из выходного отверстия порошковой трубки нестабильна - за счет трения частиц порошка между собой и стенками трубки массовый расход порошка периодически меняется, что ухудшает метрологические параметры процесса наплавки. Порошок, поступающий в трубки, агломерируется в виде крупны частиц. Сталкиваясь между собой в потоке, эти крупные частицы рассеиваются, что снижает плотность потока порошка в точке пересечения порошковых струй. Воздействие акустической волны на газопорошковый поток создает эффект псевдоожиженного слоя, уменьшает трение частиц порошка в потоке и препятствует закупорке порошковых трубок. Агломерация частиц порошка и их рассеяние существенно меньше, а плотность потока порошка в зоне фокусировки трех струй увеличилась. Как результат, течение газопорошкового потока становится более стабильным - струя порошка однородная (Фиг. 3а), а коэффициент использования порошкового материала повышается.Consider an example of the implementation of the claimed device for laser powder surfacing. A three-jet nozzle was made, in which the nozzle channels were made axisymmetrically in a conical brass body. A Hartmann emitter (see Fig. 1) with an adjustable length of the resonant chamber is installed in the upper part of the nozzle body. The diameter of the resonator chamber and the Laval nozzle was 10 mm, the diameter of the nozzle waist was 3.5 mm. Changing the length of the resonator chamber is carried out with an adjusting screw by moving its end in the chamber in the range of 4-10 mm. Protective gas (argon) enters the inlet of the emitter at a pressure of 1-3 atm and a flow rate of 10-20 l/min. The emitter outlet is connected to the central channel of the nozzle body. Using a piezoelectric microphone, as well as a piezoelectric sensor mounted on the nozzle body, it was found that when shielding gas was supplied to the emitter, elastic vibrations with a frequency of 15 kHz to 30 kHz were formed in the central channel of the nozzle nozzle and in its body. Frequency adjustment is carried out by changing the pressure of the protective gas in the range of 1-3 atm or the volume of the resonator by moving the adjusting screw in the range of 4-10 mm. Using high-speed video recording, images of the gas-powder flow were recorded with and without the acoustic emitter turned on (Fig. 3a and b, respectively). Without acoustic impact, the powder jet (Fig. 3b) flowing out of the outlet of the powder tube is unstable - due to the friction of powder particles between themselves and the tube walls, the mass flow rate of the powder periodically changes, which worsens the metrological parameters of the surfacing process. The powder entering the tubes is agglomerated in the form of coarse particles. Colliding with each other in the flow, these large particles are scattered, which reduces the density of the powder flow at the point of intersection of the powder jets. The impact of an acoustic wave on the gas-powder flow creates the effect of a fluidized bed, reduces the friction of powder particles in the flow and prevents clogging of the powder tubes. The agglomeration of powder particles and their scattering are significantly less, and the powder flux density in the focus zone of the three jets has increased. As a result, the flow of the gas-powder flow becomes more stable - the powder jet is uniform (Fig. 3a), and the utilization rate of the powder material is increased.

Таким образом, испытание устройства для лазерной порошковой наплавки продемонстрировало положительный эффект воздействия акустических волн на стабильность газопорошковых потоков, формируемых сопловой насадкой и на эффективность использования порошкового материала.Thus, testing of the device for laser powder surfacing demonstrated the positive effect of acoustic waves on the stability of gas-powder flows formed by the nozzle nozzle and on the efficiency of using powder material.

Claims (1)

Устройство для лазерной порошковой наплавки, содержащее сопловую насадку, корпус которой выполнен с осевым центральным каналом для подачи защитного газа и лазерного излучения, и размещенную в упомянутом корпусе систему формирования многоструйного или коаксиального потока газопорошковой смеси с возможностью подачи порошка в зону фокусировки лазерного излучения, отличающееся тем, что в корпусе сопловой насадки симметрично ее оси расположены по меньшей мере три газоструйных звуковых или ультразвуковых излучателя, каждый из которых выполнен в виде свистка Гартмана с возможностью регулирования частоты генерируемого акустического излучения, при этом излучатели размещены с возможностью воздействия генерируемых колебаний на частицы подаваемого порошка, а выходные отверстия излучателей сообщены с центральным каналом корпуса сопловой насадки.A device for laser powder surfacing, containing a nozzle nozzle, the body of which is made with an axial central channel for supplying protective gas and laser radiation, and a system for forming a multi-jet or coaxial gas-powder mixture flow located in the said body with the possibility of supplying powder to the laser radiation focusing zone, characterized in that that at least three gas-jet sonic or ultrasonic emitters are located in the body of the nozzle nozzle symmetrically to its axis, each of which is made in the form of a Hartmann whistle with the ability to control the frequency of the generated acoustic radiation, while the emitters are placed with the ability to influence the generated vibrations on the particles of the supplied powder, and the outlet openings of the emitters are in communication with the central channel of the nozzle body.
RU2020105827A 2019-05-24 2019-05-24 Laser powder surfacing device RU2767104C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105827A RU2767104C1 (en) 2019-05-24 2019-05-24 Laser powder surfacing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105827A RU2767104C1 (en) 2019-05-24 2019-05-24 Laser powder surfacing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2767104C1 true RU2767104C1 (en) 2022-03-16

Family

ID=80737376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020105827A RU2767104C1 (en) 2019-05-24 2019-05-24 Laser powder surfacing device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2767104C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218217U1 (en) * 2022-12-01 2023-05-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Nozzle head for hybrid laser cladding of powder materials and wire

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031764C1 (en) * 1991-06-27 1995-03-27 Научно-производственное объединение технологии автомобильной промышленности "НИИТавтопром" Nozzle for laser processing
US8076607B2 (en) * 2007-06-27 2011-12-13 Ross Technology Corporation Method and apparatus for depositing raised features at select locations on a substrate to produce a slip-resistant surface
RU2641586C1 (en) * 2016-12-07 2018-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" Method of contact butt welding of rails
RU2670629C9 (en) * 2017-05-10 2018-11-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) Method of ultrasonic gas laser cutting of sheet metal and device for ultrasonic gas laser cutting of sheet metal (options)
RU189306U1 (en) * 2018-10-16 2019-05-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Device for laser processing products

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031764C1 (en) * 1991-06-27 1995-03-27 Научно-производственное объединение технологии автомобильной промышленности "НИИТавтопром" Nozzle for laser processing
US8076607B2 (en) * 2007-06-27 2011-12-13 Ross Technology Corporation Method and apparatus for depositing raised features at select locations on a substrate to produce a slip-resistant surface
RU2641586C1 (en) * 2016-12-07 2018-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" Method of contact butt welding of rails
RU2670629C9 (en) * 2017-05-10 2018-11-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) Method of ultrasonic gas laser cutting of sheet metal and device for ultrasonic gas laser cutting of sheet metal (options)
RU189306U1 (en) * 2018-10-16 2019-05-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Device for laser processing products

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218217U1 (en) * 2022-12-01 2023-05-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Nozzle head for hybrid laser cladding of powder materials and wire

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5409163A (en) Ultrasonic spray coating system with enhanced spray control
US4473187A (en) Apparatus for atomizing liquids
JP2680493B2 (en) Powder feeder used to form coatings by laser beam treatment
US7712680B2 (en) Ultrasonic atomizing nozzle and method
CN113634763B (en) Coaxial wire feeding laser additive manufacturing method combined with ultrasonic impact
US8748785B2 (en) Microwave plasma apparatus and method for materials processing
US8691014B2 (en) System and nozzle for prepping a surface using a coating particle entrained in a pulsed fluid jet
JPH01224063A (en) Liquid spray apparatus
WO2008003942A2 (en) Powder delivery apparatus
JPH06501131A (en) High-speed arc spraying equipment and spraying method
US6372298B1 (en) High deposition rate thermal spray using plasma transferred wire arc
KR20040031700A (en) An apparatus and process for solid-state deposition and consolidation of high velocity powder particles using thermal plastic deformation
JPH049105B2 (en)
CN112139492B (en) Adjustable compound vibration material disk of super-strong steel normal position silk powder composition
JP2009274181A (en) Fluid polishing apparatus
RU2767104C1 (en) Laser powder surfacing device
US6423921B2 (en) Method and apparatus for processing components in which a molten phase is produced by local energy input
RU165282U1 (en) THREE-CHAMBER NOZZLE FOR GAS-POWDER LASER SURFACE
CN112703078A (en) Coaxial powder nozzle tip module for workpiece surface treatment
RU2669953C1 (en) Device for hybrid laser-acoustic creation of functional-gradient material
US3487194A (en) Sonic apparatus for the irradiation of weld fusion zones
US6734384B2 (en) Electrical discharge machine apparatus with improved dielectric flushing
JP2010253639A (en) Surface machining device
RU2670629C1 (en) Method of ultrasonic gas laser cutting of sheet metal and device for ultrasonic gas laser cutting of sheet metal (options)
CN107107097B (en) Thermal spray process incorporating selective particle removal