устройство для светолучевой обработки материалов

Формула изобретения

1. Устройство для светолучевой обработки материалов, содержащее охлаждаемый герметичный корпус с крышкой, концентратор излучения, размещенный в указанном корпусе и имеющий отражательную поверхность, состоящую из первого и второго эллипсоидов вращения, большие оси которых совмещены, и первый фокус, служащий рабочим и расположенный на обрабатываемом изделии, и второй фокус, расположенный внутри концентратора излучения и служащий излучающим, которые также совмещены и между которыми размещена отражающая усеченная сферическая поверхность, центр которой совмещен с излучающим фокусом, узел поджига дуги, имеющий электроды, размещенные в излучающем фокусе концентратора излучения и подключенные к соответствующим полюсам источника питания, и соленоид для поджига дуги на электродах, световод, излучающий конец которого направлен в полость концентратора, а другой конец соединен с источником лазерного излучения, и предназначенный для направления пучка лазерного излучения в рабочий фокус концентратора, герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный на торце концентратора со стороны рабочего фокуса, имеющий сферическую форму, причем выпуклость сферы обращена к излучающему фокусу, стеклянную защитную крышку, установленную на торце корпуса устройства со стороны обрабатываемого изделия, отверстие для вакуумирования и подачи рабочих газов, отличающееся тем, что отверстие для вакуумирования и подачи рабочих газов выполнено в крышке корпуса и связано с вакуумным насосом и емкостью для рабочего газа, при этом в крышке корпуса выполнено второе отверстие с приливом, а устройство содержит узел крепления световода, закрепленный на приливе во втором отверстии, ось которого размещена под углом 5-85^o к большой оси концентратора излучения так, что точка пересечения оси световода и большой оси концентратора излучения совмещена с рабочим фокусом устройства, при этом имеется герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный в узле крепления световода, узел юстировки луча лазера, установленный в узле крепления и предназначенный для совмещения оси луча лазера с осью узла крепления световода, регулировки угла наклона луча лазера относительно большой оси и длины лазерного луча, при этом узел поджига дуги содержит дополнительный подпружиненный электрод, размещенный в полом выступе крышки и третьем отверстии, выполненном в крышке и концентраторе, конец дополнительного электрода размещен в непосредственной близости от излучающего фокуса, а соленоид для поджига дуги размещен на внутренней поверхности корпуса кнопки узла поджига дуги.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит соленоид, размещенный в корпусе концентратора излучения, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на область прикатодной зоны для формирования в рабочем фокусе максимальной плотности лучистого потока.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на отражающую поверхность концентратора нанесен слой материала для повышения энергетических характеристик метастабильной плазмы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус содержит полость в боковой стенке для подвода охлаждающей жидкости.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный в узле крепления световода, выполнен плоским.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что герметичный корпус предназначен для поддержания давления внутри него в пределах от 0,001 Па до 10 МПа.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит узел подачи присадочной сварочной проволоки, закрепленный на корпусе устройства и размещенный так, что его ось находится под углом в пределах от 45 до 135^o к оси устройства, а конец плавящегося электрода находится в непосредственной близости от рабочего фокуса.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит плазменно-струйный источник энергии, закрепленный на корпусе устройства и размещенный так, что его ось находится под углом в пределах от 45 до 135^o к оси устройства, а рабочая точка плазменного потока находится в непосредственной близости от рабочего фокуса.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит закрепленный на электродном узле металлический элемент для связывания кислорода, входящего в состав плазмообразующего газа.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве металла использован титан.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрод, служащий анодом, содержит полость, в которой размещен соленоид для сканирования дуги по рабочей поверхности анода, и закреплен в крышке посредством резьбы.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрод, служащий анодом, содержит корпус в виде стакана, в стенках и днище которого выполнены каналы для подачи и отвода охлаждающей жидкости соответственно, направление которых таково, что жидкость подается по касательной на днище корпуса, при этом внутри корпуса размещен соленоид, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на анодную область поджигаемой дуги, а на внешней поверхности корпуса выполнена резьба для крепления корпуса к крышке.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрод, служащий катодом, размещен с возможностью перемещения относительно электрода, служащего анодом.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройствам для обработки материалов, а более точно к устройству для светолучевой обработки материалов.

Изобретение может быть использовано для сварки, резки, термической обработки, пайки и оплавления металлов, пластических материалов, керамики с помощью светового луча, а также в ветеринарии и в медицине для проведения хирургических операций и антибактерицидной обработки.

Известно устройство для светолучевой обработки, содержащее охлаждаемый герметичный корпус с крышкой, концентратор излучения, размещенный в указанном корпусе и имеющий отражательную поверхность, состоящую из первого и второго эллипсоидов вращения, большие оси которых совмещены и первый фокус, служащий рабочим и расположенный на обрабатываемом изделии, и второй фокус, расположенный внутри концентратора излучения и служащий излучающим, которые также совмещены и между которыми размещена отражающая усеченная сферическая поверхность, центр которой совмещен с излучающим фокусом, узел поджига дуги, имеющий электроды, размещенные в излучающем фокусе концентратора излучения и подключенные к соответствующим полюсам источника питания, и соленоид для поджига дуги на электродах, световод, излучающий конец которого направлен в полость концентратора, а другой конец соединен с источником лазерного излучения, и предназначенный для направления пучка лазерного излучения в рабочий фокус концентратора, герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный на торце концентратора со стороны рабочего фокуса, имеющий сферическую форму, причем выпуклость сферы обращена к излучающему фокусу, стеклянную защитную крышку, установленную на торце корпуса устройства со стороны обрабатываемого изделия, отверстие для вакуумирования и подачи рабочих газов.

В указанном устройстве угол ввода лазерного луча расположен под углом 90 град. к большой оси концентратора излучения, причем лазерный луч вводится через боковую стенку концентратора, а затем отражается от противоположной поверхности, что не позволяет осуществить фокусировку лазерного луча.

Устройство не позволяет осуществлять регулировку оптической оси лазерного луча с рабочим фокусом на обрабатываемом изделии. Указанное устройство не позволяет минимизировать величину угла между осью светового луча и осью лазерного луча для достижения максимального коэффициента синергетического действия энергии светового и лазерного луча при обработке. Отсутствует возможность регулирования энергетических характеристик метастабильной плазмы. Нельзя осуществлять быструю замену электродов. Отсутствует эффективное охлаждение рабочей части анода. Потери световой энергии при отражении от концентратора составляют от 7 до 10%.

Устройство не позволяет формировать на обрабатываемом материале пятно нагрева высокой плотности, обеспечивать предварительный нагрев обрабатываемого материала световым лучом.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства для светолучевой обработки, в котором размещение световода под углом к большой оси концентратора излучения и наличие узла юстировки для регулирования наклона и длины луча лазера позволит уменьшить габариты устройства, формировать на обрабатываемом материале пятно нагрева высокой плотности, обеспечивать предварительный нагрев обрабатываемого материала световым лучом и осуществлять быструю замену изнашиваемых электродов.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для светолучевой обработки материалов, содержащем охлаждаемый герметичный корпус с крышкой, концентратор излучения, размещенный в указанном корпусе и имеющий отражательную поверхность, состоящую из первого и второго эллипсоидов вращения, большие оси которых совмещены и первый фокус, служащий рабочим и расположенный на обрабатываемом изделии, и второй фокус, расположенный внутри концентратора излучения и служащий излучающим, которые также совмещены и между которыми размещена отражающая усеченная сферическая поверхность, центр которой совмещен с излучающим фокусом, узел поджига дуги, имеющий электроды, размещенные в излучающем фокусе концентратора излучения и подключенные к соответствующим полюсам источника питания, и соленоид для поджига дуги на электродах, световод, излучающий конец которого направлен в полость концентратора, а другой конец соединен с источником лазерного излучения, и предназначенный для направления пучка лазерного излучения в рабочий фокус концентратора, герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный на торце концентратора со стороны рабочего фокуса, имеющий сферическую форму, причем выпуклость сферы обращена к излучающему фокусу, стеклянную защитную крышку, установленную на торце корпуса устройства со стороны обрабатываемого изделия, отверстие для вакуумирования и подачи рабочих газов, согласно изобретению

отверстие для вакуумирования и подачи рабочих газов выполнено в крышке корпуса и связано с вакуумным насосом и с емкостью для рабочего газа,

при этом в крышке корпуса выполнено второе отверстие с приливом,

а устройство содержит узел крепления световода, закрепленный на приливе во втором отверстии, ось которого размещена под углом 5-85^o к большой оси концентратора излучения так, что точка пересечения оси световода и большой оси концентратора излучения совмещена с рабочим фокусом устройства, при этом имеется герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный в узле крепления световода,

узел юстировки луча лазера, установленный в узле крепления и предназначенный для совмещения оси луча лазера с осью узла крепления световода, регулировки угла наклона луча лазера относительно большой оси и длины лазерного луча,

при этом узел поджига дуги содержит дополнительный подпружиненный электрод, размещенный в полом выступе крышки и третьем отверстии, выполненном в крышке и в концентраторе, конец дополнительного электрода размещен в непосредственной близости от излучающего фокуса, а соленоид для поджига дуги размещен на внутренней поверхности корпуса кнопки узла поджига дуги.

Целесообразно, чтобы устройство дополнительно содержало соленоид, размещенный в корпусе концентратора излучения, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на область прикатодной зоны для формирования в рабочем фокусе максимальной плотности лучистого потока.

Полезно, чтобы на отражающую поверхность концентратора был нанесен слой материала для повышения энергетических характеристик метастабильной плазмы.

Выгодно, чтобы корпус содержал полость в боковой стенке для подвода охлаждающей жидкости.

Полезно также, чтобы герметизирующий экран из прозрачного материала, закрепленный в узле крепления световода, был выполнен плоским.

Выгодно, чтобы герметичный корпус был предназначен для поддержания давления внутри него в пределах от 0,001 Па до 10 МПа.

Целесообразно, чтобы устройство дополнительно содержало узел подачи присадочной сварочной проволоки, закрепленный на корпусе устройства и размещенный так, что его ось находится под углом в пределах от 45^o до 135^o к оси устройства, а конец плавящегося электрода находится в непосредственной близости от рабочего фокуса.

Полезно, чтобы устройство дополнительно содержало плазменно-струйный источник энергии, закрепленный на корпусе устройства и размещенный так, что его ось находилась под углом в пределах от 45^o до 135^o к оси устройства, а рабочая точка плазменного потока находилась в непосредственной близости от рабочего фокуса.

Выгодно, чтобы устройство дополнительно содержало закрепленный на электродном узле металлический элемент для связывания кислорода, входящего в состав плазмообразующего газа.

Полезно, чтобы в качестве металла был использован титан.

Целесообразно, чтобы электрод, служащий анодом, содержал полость, в которой был размещен соленоид для сканирования дуги по рабочей поверхности анода, и закреплен в крышке посредством резьбы.

Полезно, чтобы электрод, служащий анодом, содержал корпус в виде стакана, в стенках и днище которого были выполнены каналы для подачи и отвода охлаждающей жидкости соответственно, направление которых таково, что жидкость подается по касательной на днище корпуса, при этом внутри корпуса был размещен соленоид, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на анодную область поджигаемой дуги, а на внешней поверхности корпуса выполнена резьба для крепления корпуса к крышке.

Выгодно, чтобы электрод, служащий катодом, был размещен с возможностью перемещения относительно электрода, служащего анодом.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых

фиг. 1 изображает устройство для светолучевой обработки материалов (продольный разрез) с узлом подачи присадочной сварочной проволоки согласно изобретению;

фиг. 2 изображает устройство для светолучевой обработки материалов (продольный разрез) с плазменно-струйным источником энергии согласно изобретению;

фиг.3 изображает электрод, служащий анодом, согласно изобретению;

фиг. 4 изображает охлаждаемый электрод, служащий анодом, согласно изобретению;

фиг.5 - разрез по линии У-У на фиг.4 согласно изобретению;

фиг.6 - разрез по линии У1-У1 на фиг.4 согласно изобретению.

Устройство для светолучевой обработки материалов содержит охлаждаемый герметичный корпус 1 (фиг.1) с крышкой 2, которая прижимается к корпусу 1 посредством прижимного кольца 3 на резьбе 4. Крышка 2 уплотнена посредством прокладки 5.

Концентратор 6 излучения размещен в указанном корпусе 1 и имеет отражательную поверхность, состоящую из первого и второго эллипсоидов 7, 8 вращения соответственно, большие оси 0-0 которых совмещены и фокусы которых также совмещены. Первый фокус 9 эллипсоидов, служащий рабочим, расположен на обрабатываемом изделии 10. Второй фокус 11 эллипсоидов расположен внутри концентратора 6 излучения и служит излучающим фокусом. Между эллипсоидами 7, 8 размещена отражающая усеченная сферическая поверхность 12, центр которой совмещен с излучающим фокусом 11.

Устройство содержит также узел 13 поджига дуги, имеющий электроды 14, 15, размещенные в излучающем фокусе 11 концентратора 6 излучения и подключенные к соответствующим полюсам (не показаны) источника питания.

Устройство содержит световод 16, излучающий конец которого направлен в полость концентратора 6, а другой конец (не показан) соединен с источником лазерного излучения (не показан). Световод 16, предназначенный для направления пучка лазерного излучения в рабочий фокус 9 концентратора 6.

Герметизирующий экран 17 из прозрачного материала закреплен на торце концентратора 6 со стороны рабочего фокуса 9 и имеет сферическую форму, причем выпуклость сферы обращена к излучающему фокусу 11.

Стеклянная защитная крышка 18 установлена на торце корпуса 1 устройства со стороны обрабатываемого изделия 10.

В крышке 2 выполнено отверстие 19 для вакуумирования полости концентратора 6 и подачи рабочих газов в эту полость. Отверстие 19 связано с вакуумным насосом (не показан) и с емкостью для рабочего газа (не показана).

При этом в крышке 2 корпуса выполнено второе отверстие 20 с приливом 21. Устройство содержит узел 22 крепления световода, закрепленный на приливе 21 во втором отверстии 20 на резьбе 23. Ось а-а отверстия размещена под углом , находящемся в пределах 5-85^o к большой оси 0-0 концентратора 6 излучения. При этом точка пересечения оси а-а световода и большой оси 0-0 концентратора излучения совмещена с рабочим 9 фокусом устройства. Имеется герметизирующий экран 24 из прозрачного материала, закрепленный в узле 22 крепления световода.

Узел 25 юстировки луча лазера установлен в узле 22 крепления и предназначен для совмещения оси луча лазера с осью узла крепления световода, регулировки угла наклона луча лазера относительно большой оси и длины лазерного луча. Узел 25 выполнен известным образом.

При этом узел 13 поджига дуги содержит дополнительный электрод 26 (фиг. 2), подпружиненный пружиной 27, размещенный в полом выступе 28 крышки 2 и в третьем отверстии 29, выполненном в крышке 2 и в концентраторе 6. Конец дополнительного электрода 26 размещен в непосредственной близости от излучающего фокуса 11. Соленоид 30 для поджига дуги размещен на внутренней поверхности корпуса кнопки 31 узла поджига дуги.

Устройство дополнительно содержит соленоид 32 (фиг.1), размещенный в корпусе 1 концентратора излучения, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на область прикатодной зоны для формирования в рабочем фокусе 9 максимальной плотности лучистого потока.

На отражающую поверхность концентратора 6 нанесен слой 33 материала для повышения энергетических характеристик метастабильной плазмы. В качестве указанного материала использован кварц SiО₂.

Корпус 1 содержит полость 34 в боковой стенке для подвода охлаждающей жидкости.

Герметизирующий экран 24 из прозрачного материала, закрепленный в узле крепления световода, выполнен плоским.

Герметичный корпус 1 предназначен для поддержания давления внутри него в пределах от 0,001 Па до 10 МПа.

Устройство дополнительно содержит узел 35 подачи присадочной сварочной проволоки, закрепленный на корпусе 1 устройства и размещенный так, что его ось в-в находится под углом , находящемся в пределах от 45 до 135^o к оси 0-0 устройства, а конец 36 присадочной сварочной проволоки 37 находится в непосредственной близости от рабочего фокуса 9. В описываемом варианте выполнения корпус 38 узла 35 жестко связан с корпусом 1 посредством резьбы 39.

Устройство дополнительно содержит плазменно-струйный источник 40 (фиг.2) энергии, закрепленный на корпусе 1 посредством резьбы 41 и размещенный так, что его ось с-с находится под углом в пределах от 45 до 135^o к оси 0-0 устройства, а рабочая точка плазменного потока находится в непосредственной близости от рабочего фокуса 9.

Устройство дополнительно содержит закрепленный на электроде 15, служащем катодом, металлический элемент 42 для связывания кислорода, входящего в состав плазмообразующего газа. В качестве плазмообразующего газа использован газ, выбранный из группы, состоящей из аргона, ксенона и криптона.

В качестве металла использован титан. К катоду подведена через изолятор 43 трубка 44 подвода воды для его охлаждения.

Возможен вариант выполнения электрода 14, служащего анодом, когда он содержит полость 45, в которой (фиг.3) размещен соленоид 46 для сканирования дуги по рабочей поверхности 47 анода. Электрод 14 крепится в крышке 2 на резьбе 48.

Возможен второй вариант выполнения, в котором электрод 14 охлаждается водой. В этом случае электрод 14 (фиг. 4, 5, 6) содержит корпус 49 в виде стакана, в стенках и днище которого выполнены каналы 50, 51, 52, 53 для подачи и отвода охлаждающей жидкости соответственно. Направление каналов таково, что жидкость подается по касательной на днище корпуса. При этом каналы 50 на стенке стакана предназначены для подвода жидкости, а каналы 52 - для ее отвода, каналы 51 на дне стакана предназначены для подвода жидкости, а каналы 53 - для ее отвода. Внутри корпуса размещен соленоид 46, обеспечивающий воздействие электромагнитным полем на анодную область поджигаемой дуги, а на внешней поверхности корпуса 49 выполнена резьба 54 для крепления корпуса 49 к крышке 2.

Электрод 15 (фиг.1), служащий катодом, размещен с возможностью перемещения относительно электрода 14, служащего анодом. Это осуществляется посредством калиброванных прокладок(не показаны).

Устройство для светолучевой обработки материалов работает следующим образом.

Вначале полость концентратора 6 (фиг.1) вакуумируется до 0,001 Па. Затем в полость герметичного корпуса 1 через отверстие 19 закачивается газ, например аргон. Затем подается напряжение на электроды 14 и 15, одновременно подается напряжение на обмотку соленоида 30 (фиг.2). Нажатием на кнопку 31 перемещают электрод 26 в область 13. Закорачивают межэлектродный промежуток. В это время осуществляется сжатие возвратной пружины 27. Когда пружина 27 распрямляется, электрод 26 отводится в исходное положение. В этот момент загорается дуга. При этом титановый элемент 42 контактирует с сильно разогретым электродом 15, служащим катодом, изготовленным из вольфрама, разогревается до температуры 1500^oС и связывает свободный кислород, входящий в состав плазмообразующего газа.

При возбуждении дугового разряда образующийся световой поток попадает на внутреннюю отражающую поверхность концентратора 6 и, отражаясь от нее, проходит через выпуклое стекло 17 и плоский защитный экран 18 и фокусируется в рабочем фокусе 9, в зоне которого устанавливается обрабатываемое изделие 10.

Воздействуя на область фокуса 11 электромагнитным полем соленоида 32, можно получать в рабочем фокусе 9 световой луч различной плотности и мощности, при этом предотвратить потерю светового потока благодаря слою 33 на отражающей поверхности концентратора 6.

При повышенных энергетических режимах работы электрод 14 (фиг.4) охлаждается водой, но при этом также содержит соленоид 46 для сканирования дуги по всей рабочей поверхности анода.

Для охлаждения анода воду подают в каналы 50 в стенке стакана, направляют ее по каналам 51 в дне и отводят по каналам 53, 52.

Такое прохождение воды и сканирование по поверхности анода дуги обеспечивает минимальную эрозию анода.

Возбуждают генерацию лазера. Излучение лазера проходит через световод 16, фокусирующую систему 25 и фокусируется в рабочем фокусе 9 концентратора 6 излучения 8.

Лазерный луч и световой поток выводят на рабочий режим, направляют в рабочий фокус 9 на обрабатываемом изделии 10, суммируя излучение от двух источников.

В другом варианте выполнения добавляют энергию дугового разряда, поджигаемого при подаче присадочной проволоки 37 от узла 35 подачи присадочной проволоки. Возбуждается дуга, проволока 37 плавится и поступает в область рабочего фокуса 9.

В некоторых случаях добавляют энергию плазменного потока, создаваемого с помощью плазменно-струйного источника 40 энергии.

В процессе обработки материалов обеспечивается любая регулировка энергетических характеристик и движение пятна нагрева в любую необходимую точку по пространственной траектории.

Предлагаемое устройство позволяет суммировать лучи, отраженные концентратором излучения от светового источника излучения и от лазерного источника излучения, и формировать на обрабатываемом материале пятно нагрева высокой плотности. При объединении светового и лазерного лучей в рабочем фокусе обеспечивается вначале предварительный прогрев обрабатываемого материала световым лучом, а затем лазерный луч позволяет произвести концентрированный скоростной нагрев и обеспечить достаточную глубину проплавления.

Устройство согласно изобретению имеет уменьшенные габариты и может перемещаться в пространстве относительно обрабатываемого изделия без нарушения взаимного расположения оптических осей двух источников излучения - лазерного и светолучевого.

Пределы изменения температуры в рабочем фокусе от 200 до 2500^oС.

Устройство может быть использовано для сварки и пайки труб горловин бензобаков, изделий из металлокерамики, меди, алюминия, нержавеющей и углеродистой тонколистовой стали, элементов светотехники, например люстр, зубных протезов, ювелирных изделий, рекламных металлических букв, трубных соединений, элементов солнечных батарей.

При дополнительном использовании плавящегося электрода можно сваривать изделия из алюминия, например кузовные детали легковых автомобилей. При использовании дополнительно плазменно-струйного источника появляется возможность производить оплавление самофлюсующихся износостойких покрытий для повышения срока службы деталей погружных насосов в нефтедобывающей промышленности.

При использовании указанного устройства появляется возможность осуществлять сварку и пайку с программированием температуры в точке обработки на изделии, например, встык без присадки без опасности прожогов.