2. Характеристики фокусирующей оптической системы

Характеристики фокусирующей системы (составная часть сварочной головки) показаны на рисунке 3.6.

Рис. 3.6 – Геометрическая схема сфокусированного луча лазера

1 - Оптическая ось лазерного излучения

2 - Диаметр пучка лазерного излучения – D

3 - θ – угол расходимости луча лазера

4 - Луч лазера

5 - Фокусирующая линза

6 - F - фокусное расстояние линзы

7 - Фокальная плоскость

8 - ΔL – глубина фокуса

d_f – диаметр сфокусированного луча лазера в фокальной плоскости;

d_n – диаметр сфокусированного луча лазера на обрабатываемой поверхности;

Где – плотность мощности, при которой происходит плавление обрабатываемого материала.

Перетяжка луча лазера – ∆L определяется как область, в которой изменение d_n не приводит к уменьшению W_p до значений, соответствующих неравенству .

3. Геометрические параметры наплавленного валика.

Геометрические параметры наплавленного валика показаны на рисунке 3.7.

в

Рисунок 3.7 – Геометрические параметры наплавленного слоя, получаемого при импульсной лазерной наплавке

где:

S_n – площадь шлифа зоны проплавления,

S_н – площадь шлифа наплавленного валика,

h – высота наплавленного валика,

h_пр – максимальная глубина проплавления,

в – ширина наплавленного валика,

Методы наплавки – газопламенные, плазменные, лазерные и др. характеризуются очень важным параметром – коэффициентом перемешивания (К_п). Чем выше значение коэффициента перемешивания, тем труднее сформировать необходимые функциональные свойства наплавленного слоя за один проход.

- коэффициент перемешивания.

Импульсная лазерная наплавка характеризуется коэффициентом перемешивания, близким к нулю (рисунок 3.8)

Рисунок 3.8 – Геометрия формирования наплавленного слоя при импульсной лазерной наплавке при К_п = 0,

где: S₁ – площадь первого валика, S₂ – площадь второго валика,

S – зона перекрытия

Глубина проплава h_пр должна обеспечивать металлургическое взаимодействие наплавленного слоя с подложкой.

Коэффициент перемешивания должен быть минимальным, т.е. стремиться к нулю, но в то же время должен обеспечивать высокое значение адгезии, то есть, должно быть металлургическое взаимодействие, обеспечивающее необходимую механическую прочность наплавленного валика с основной (подложкой).

Формирование геометрии зоны дефекта при многослойной импульсной лазерной наплавке показано на рисунок 3.8.

Заполнение зоны выборки дефекта наплавляемым металлом производят многослойным способом: наплавкой одного валика на другой показанной на рисунке 3.9 в определённой геометрической последовательности 1-2-3-4-5-6-7.

Зона дефекта

Наплавленный валик

Рисунок 3.9 – Рекомендуемый многослойный способ наплавки при заполнении выборки места дефекта

3.5 Расчет режимов импульсной лазерной наплавки.

К основным техническим параметрам импульсной лазерной наплавки, для разработки технологии, относятся[7]:

1. Р - мощность лазерного излучения, Вт;

2. υ_напл – скорость лазерной наплавки, мм/с;

3. F – величина расфокусировки, см;

4. d_п - диаметр пятна, мм;

5. К_и – коэффициент перекрытия;

6. f – частота следования импульсов, Гц.

Расчёт толщины наносимого покрытия.

Толщину покрытия, наносимого на сторону определяем по формуле:

h = U/2 + z₁ + z₂ (3.1)

где h – толщина покрытия, мм;

U – износ детали, мм;

z₁ – припуск на обработку перед покрытием, мм (ориентировочно 0.1…0.3 мм на сторону);

z₂ - припуск на механическую обработку после нанесения покрытия, мм на сторону, (не менее 0,2 мм на сторону по указанию из технической характеристики)

h = 0,1/2 + 0,2 + 0,25 = 0,5 мм

При высоте наплавляемого валика h=0,5 мм его ширина (диаметр пятна) b будет составлять примерно 1,6 мм .

Скорость наплавки.

С увеличением скорости обработки время облучения единицы поверхности, а, следовательно, и удельная погонная энергия уменьшаются. Кроме того уменьшается относительный расход порошка, ширина и высота валиков. В этом случае имеется тенденция к возрастанию коэффициента перемешивания.

Рисунок 3.3 – Влияние скорости обработки на размеры наплавляемого валика.

Для получения валика заданной высоты скорость наплавки будет составлять 41,7 мм/с (2,5 м/мин).

Мощность лазерного излучения.

Повышение мощности излучения при постоянных значениях остальных параметров приводит к увеличению ширины b и высоты h валиков. При этом так же наблюдается тенденция к возрастанию коэффициентов перемешивания γ.

Рисунок 3.4 – Влияние мощности лазерного излучения на размеры наплавляемого валика.

Необходимая мощность, из графика, составляет 2,7 кВт.

Величина расфокусировки.

В процессе возрастания величины расфокусировки плотность мощности излучения снижается, вследствие чего количество используемого порошка уменьшается. При этом высота валиков уменьшается, а их ширина вначале возрастает, а затем снова уменьшается. Коэффициент перемешивания γ так же снижается.

Рисунок 3.5 – Влияние степени расфокусировки лазерного излучения на размеры наплавляемого валика.

Расфокусировку оптической системы выбирают из условия получения диаметра пятна d_п = 2,5…3 мм.

Исходя из графика, для получения заданных параметров шва величина расфокусировки ∆F=60мм.

Коэффициент перекрытия.

При выборе коэффициента перекрытия руководствуются необходимо задавать высоту наплавленного покрытия (с учетом последующей механической обработки), волнистость получаемой поверхности, а также усилие термического воздействия на основной металл. Рекомендуемые значения находятся в диапазоне 0,4..0,7.

Принимаем K_и=0,5.

Частота следования импульсов.

[16] (1)

Из формулы (1) определяем частоту следования импульсов:

;

Расчетные режимы импульсной лазерной наплавки приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – режимы импульсной лазерной наплавки