Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий



Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий
Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий
Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий
Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий
C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2710704:

Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") (RU)

Изобретение относится к автоматизированному комплексу для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий. Технический результат изобретения состоит в расширении технологических возможностей и повышении качества обработки поверхности изделий. Комплекс содержит источник лазерного излучения, оптическую систему, блок охлаждения, систему управления, выполненную в виде интеллектуальной системы на основе компьютера с программными средствами, систему мониторинга, систему контроля процесса обработки и технологический стол. Также содержатся два шестикоординатных робота, на одном из которых размещена сменная оптическая головка оптической системы, а другой шестикоординатный робот выполнен с возможностью доставки объектов обработки в рабочую зону и на нем размещены система мониторинга процесса и система неразрушающего контроля. Оптическая система содержит сменную оптическую головку, а источник лазерного излучения выполнен в виде многоканального диодного источника лазерного излучения с многоволоконной системой транспортировки лазерного излучения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологическому оборудованию для обработки внутренней поверхности изделий различной конфигурации, в том числе и трубчатой формы, при помощи лазерного излучения, и может быть использовано для лазерного упрочнения поверхности изделий.

Лазерное технологическое оборудование дает высокое качество, производительность и практически не влияет на экологию.

Известные лазерные технологические комплексы для обработки изделий включают в свой состав технологический лазер, систему управления, манипулятор оптики, а также системы поворотных зеркал, передающих лазерное излучение от технологического лазера к оптикофокусирующей системе. (Технологические лазеры. Справочник Под ред. Абильсиитов Г.А. т. 1. - М.: Машиностроение, 1991, с. 118 и 389; JP 62-144890 В, 1987).

Недостаток этих лазерных технологических комплексов состоит в том, что они предназначены для обработки только плоских изделий.

Известен также лазерный технологический комплекс, в состав которого кроме вышеперечисленных узлов и элементов, входит манипулятор оптики мостового типа, в котором две продольные направляющие расположены на опорах, а на вертикальном манипуляторе имеется механизм перемещения оптикофокусирующей системы по вертикали (JP 62-5459 3В, 1987). Это позволяет проводить лазерную обработку поверхностей, расположенных на различной высоте в обрабатываемом объекте.

Недостатком этого комплекса является большая длина оптического тракта, что приводит к ухудшению качества лазерного излучения, и, следовательно, качества лазерной обработки - сварки, резки и т.д., требует

Заявляемый технический результат достигается тем, что в автоматизированном комплексе для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий, содержащем источник лазерного излучения, оптическую систему, блок охлаждения, систему управления, выполненную в виде интеллектуальной системы на основе компьютера с программными средствами, систему мониторинга, систему контроля процесса обработки, технологический стол, два шестикоординатных робота, на одном из которых размещена сменная оптическая головка оптической системы, а другой шестикоординатный робот выполнен с возможностью доставки объектов обработки в рабочую зону и на нем размещены система мониторинга процесса и система неразрушающего контроля, при этом оптическая система содержит сменную оптическую головку, а источник лазерного излучения выполнен в виде многоканального диодного источника лазерного излучения с многоволоконной системой транспортировки лазерного излучения

Источником излучения является многоканальный диодный источник лазерного излучения. Переход от СО2 - лазера к диодному с меньшей длиной волны позволяет при одинаковой мощности излучения увеличить эффективность обработки и отказаться от специальных поглощающих покрытий.

Многоканальный диодный лазер прямого излучения состоит из 40 модулей, по 125 Вт. каждый, в сумме - 5000 Вт и 40 блоков питания. Причем, возможно изменение мощности любого модуля излучения от 0 до 125 Вт. Кроме того, возможна замена как модулей, так и любого блока питания.

Формирование пятна лазерного излучения на обрабатываемой поверхности осуществляется оптической головкой, размещенной на специализированном шестикоординатном роботе, выполняющем движения в трех линейных и трех круговых координатах, при этом предусмотрена замена головки при необходимости проведения различных видов лазерной поверхностной обработки (например, оптической головки для поверхностной обработки на оптическую головку для обработки внутрицилиндрических поверхностей).

На оптической головке смонтированы высокоскоростная видеокамера для визуального наблюдения за процессом упрочнения и пирометр для контроля температуры закалки.

Установка обрабатываемого объекта в технологическую зону обработки осуществляется дополнительным специализированным шестикоординатным роботом, предназначенным для манипуляции обрабатываемыми изделиями. Также, на нем размещена система неразрушающего контроля в которую входят измеритель глубины закаленного слоя и твердомер.

Возможность перемещения лазерного пучка по упрочняемой поверхности за счет движения руки манипулятора робота при неподвижном объекте обработки, позволяет проводить обработку в специальных жидких средах. Таким образом, например, можно формировать защитный слой карбида титана на поверхности изделий из титановых сплавов.

Для передачи энергии излучения лазера к месту обработки служит многоволоконная система транспортировки, представляющая собой специализированную оплетку из 40 волокон. Излучение по оптоволокну и кабельному каналу поступает в оптическую головку.

В зоне обработки расположен поворотный стол (с 2-х поворотным вращателем) для манипулирования деталью. С помощью пневмозахвата объект, например, трубу, предназначенную для обработки, помещают в 3-х кулачковый патрон на поворотном столе.

Основное внимание в настоящем техническом решении уделено характеристикам созданной автоматизированной системе управления технологическим процессом (АСУТП). Функциональные возможности ее определяются необходимостью обеспечения требуемых режимов лазерного термоупрочнения деталей любой сложности с учетом возможности контроля параметров каждого излучателя в отдельности (режим, мощность, вкл/выкл любого из 40 источников) как до начала, так и во время обработки со стабильной подачей излучения и разбросом мощности выходного излучения не более 5%. Поэтому, регулируемыми операциями являются:

во-первых, автоматический (в режиме реального масштаба времени) анализ схемы (траектории) обработки, осуществление подбора режимов обработки (мощность, скорость, диаметр и форма пятна), мониторинг обработки (визуализация лазерно-индуцированных процессов);

во-вторых, обеспечение автоматической фокусировки пятна в нужную геометрическую форму и диаметр без изменения положения в плоскости самих головок;

в-третьих, обеспечение точной манипуляции лазерным излучением при обработке деталей любой сложности с помощью как специализированного шестикоординатного робота, так и другого специализированного шестикоординатного робота с обеспечением точной манипуляции обрабатываемого изделия при его съеме и подаче в зону обработки.

Кроме того, по завершению обработки осуществляется неразрушающий контроль поверхности, который в числовом формате показывает трибологические параметры обработанной поверхности - твердость поверхности, глубину упрочненного слоя. По этим данным вносятся коррекции в процесс лазерной обработки через соответствующие команды АСУТП.

В целях обеспечения безопасности обслуживающего персонала, робот - манипулятор с лазерным лучом установлен в защитном кабинете. Наблюдение за техпроцессом ведется с помощью смотровых окон из специального защитного стекла.

Основным технологическим приемом, реализуемым при помощи интеллектуального автоматизированного комплекса для лазерного термоупрочнения с интегрированным контролем и диагностикой процессов упрочнения, является лазерное упрочнение поверхностей изделий без оплавления поверхности в соответствии с существующими принципами и моделями лазерной обработки металлов и сплавов без применения вспомогательных технологических сред и последующих доводочных операций.

Реализация данной технологии предполагает использование лазерного излучения с плотностью мощности излучения I=103-104 Вт/см2. При этом изобретение не является узкоспециализированным и может быть адаптировано под другие виды лазерной поверхностной обработки, возможность реализации которых определяется в основном уровнем плотности мощности излучения:

- лазерный отжиг (I=102-103 Вт/см2);

- упрочнение с фазовым переходом (I=104-105 Вт/см2);

- лазерное легирование(I=104-106 Вт/см2);

- лазерная наплавка (I=104-106 Вт/см2);

-амортизация поверхности(1=106-108 Вт/см);

- шоковое упрочнение(I=104-106 Вт/см2).

Изобретение предназначено для термоупрочнения изделий как из распространенных типов сталей, применяемых в машиностроении (например, 65Г, 30ХГСА, 45, У8А, 9ХС, Р18, Р6М5), так и особых сплавов (например, ВТ-6 ВТ-8 ВТ-12).

Номенклатура изделий, обработка которых возможна с применением данного технического решения очень широкая. Особенно это проявляется при использовании его на предприятиях, специализирующихся на оказании услуг по лазерной обработке материалов сторонним заказчикам. В данном случае особенную актуальность приобретает возможность гибкой перенастройки комплекса на новую технологию лазерной поверхностной обработки. При использовании комплекса на крупном машиностроительном предприятии одновременно со стабильностью работы универсальность комплекса остается востребованной с учетом широты ассортимента изготавливаемых деталей и непрерывной модернизации выпускаемой продукции.

Основными показателями, определяющими эффективность эксплуатации комплекса, являются твердость поверхностного слоя материала, достигаемая в результате лазерной термообработки, глубина упрочненного слоя и сохранение шероховатости поверхности.

Глубина упрочненного слоя от 0,1 до 2, мм в зависимости от требований к упрочняемой поверхности.

Таким образом, заявляемый комплекс имеет ряд преимуществ как перед известными отечественными установками: переход от СО2-лазера к диодному лазерному излучателю с меньшей длиной волны позволяет при одинаковой мощности излучения увеличить эффективность обработки и отказаться от специальных поглощающих покрытий. Как следствие, в заявляемом комплексе предусмотрены большие скорость обработки и диаметр пятна фокусировки лазерного излучения, что обеспечивает большую производительность, так и перед зарубежными: перед установками компании Trumpf (Германия), использующими лазерные СО2 излучатели (например, TraLaser Cell 1100), аналогичны преимуществам, указанным при сравнении с отечественными технологическими комплексами этого типа. Установки, в которых используются диодные лазеры с длиной волны излучения 900-1030 нм (например, TruLaser Robot 5020) имеют сходные характеристики с заявляемым объектом, но - дорогостоящи и сложны в изготовлении. Кроме того, основным преимуществом заявляемого комплекса является ориентация на отечественные комплектующие и разработки. В отношении продукции компании Coherent, Inc (США) этот фактор становится еще более важным, чем в случае с европейской компанией Trumpf.

Также, весомыми преимуществами являются:

- интеллектуальная система управления,

- интегрированная система мониторинга и неразрушающего контроля упрочненного слоя,

Заявляемый комплекс является специализированным - для лазерного термоупрочнения и имеет следующие технические характеристики:

Изобретение поясняется следующими рисунками:

Фиг. 1 - Схема компоновки элементов интеллектуального автоматизированного комплекса для лазерного термоупрочнения с интегрированным контролем и диагностикой процессов упрочнения;

Фиг. 2 - Схема оптической головки.

Интеллектуальный автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения с интегрированным контролем и диагностикой процессов упрочнения состоит из следующих компонентов (Фиг. 1):

1. многоканальный диодный источник лазерного излучения;

2. оптическая головка для поверхностной обработки;

3. оптическая головка для обработки внутрицилиндрических поверхностей;

4. многоволоконная система транспортировки лазерного излучения;

5. автоматизированная системы управления технологическим процессом (АСУТП);

6. специализированный шестикоординатный робот;

7. специализированный шестикоординатный робот меньшей рабочей зоны;

8. поворотный стол для манипулирования деталью в зоне обработки;

9. защитный кабинет;

10. система мониторинга процесса;

11. система неразрушающего контроля;

12. рабочий стол грузоподъемностью 5 т;

13. холодильная установка (чиллер);

14 - пункт выдачи/приема обрабатываемых изделий.

Интеллектуальный автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения с интегрированным контролем и диагностикой процессов упрочнения состоит из многоканального диодного источника лазерного излучения (1), сменных оптических головок (2, 3), размещенных на специализированном шестикоординатном роботе (6), на котором смонтирована система мониторинга (10) для визуального наблюдения за процессом упрочнения и для контроля температуры закалки. Комплекс также содержит многоволоконную систему транспортировки лазерного излучения (4), автоматизированную систему управления комплексом (5), специализированный шестикоординатный робот (7), на котором размещена система неразрушающего контроля (11) (устройство для измерения глубины закаленного слоя + твердомер), блок охлаждения (13). Комплекс оборудован рабочим столом (12), грузоподъемностью 5 тонн и поворотным 2х осевым столом (8) для манипулирования деталью в зоне обработки. Комплекс расположен в отдельном помещении - защитном кабинете (9).

Комплекс работает следующим образом

Термоупрочнение материала на поверхности деталей реализуется за счет технологии локального лазерного нагрева путем перемещения пятна лазерного излучения многоканального диодного лазера относительно поверхности обрабатываемой детали. Формирование пятна лазерного излучения на обрабатываемой поверхности осуществляется оптической головкой, размещенной на специализированном роботе. Перемещение пятна лазерного излучения по обрабатываемой поверхности осуществляется специализированным роботом, позволяющим производить движение в трех линейных и трех круговых координатах и 2х осевым поворотным столом.

Установка обрабатываемой детали в технологическую зону обработки осуществляется дополнительным роботом, предназначенным для манипуляции обрабатываемыми изделиями.

Управление комплексом осуществляется при помощи специально разработанной интеллектуальной системы.

В ходе обработки поверхности изделия производится текущий мониторинг процесса и контроль результатов обработки.

Таким образом, реализация полезной модели решает все поставленные автором задачи.

Автоматизированный комплекс для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий, содержащий источник лазерного излучения, оптическую систему, блок охлаждения, систему управления, выполненную в виде интеллектуальной системы на основе компьютера с программными средствами, систему мониторинга, систему контроля процесса обработки, технологический стол, отличающийся тем, что он снабжен двумя шестикоординатными роботами, на одном из которых размещена сменная оптическая головка оптической системы, а другой шестикоординатный робот выполнен с возможностью доставки объектов обработки в рабочую зону и на нем размещены система мониторинга процесса и система неразрушающего контроля, при этом оптическая система содержит сменную оптическую головку, а источник лазерного излучения выполнен в виде многоканального диодного источника лазерного излучения с многоволоконной системой транспортировки лазерного излучения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. Для повышения ударной вязкости при сохранении высокой прочности стальных деталей способ производства закаленной прессованной детали включает первый процесс термической обработки, содержащий нагрев заготовочного стального материала до температуры выше точки превращения Ac3 для аустенитного превращения, а затем охлаждение для мартенситного превращения или бейнитного превращения, и второй процесс термической обработки, содержащий нагрев стального материала, который подвергся первому процессу термической обработки, до температуры выше точки превращения Ac3 для аустенитного превращения, а затем охлаждение для мартенситного превращения.

Изобретение относится к области производства деталей бурового нефтегазового оборудования, в частности цилиндровых втулок бурового насоса из стали Х12МФЛ, работающих в условиях абразивного износа, коррозионного воздействия и высоких переменных давлениях.

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности. Способ осуществляют вальцеваним полотна пилы роликами по заданным радиальным направлениям с образованием радиальных ребер, разделяющих полотно пилы на секторы, ребра формируются с опережающим индукционным локальным нагревом материала полотна в зоне перед фронтом рабочей поверхности ролика до состояния пластификации материала.

Изобретение относится к автоматизированному лазерному технологическому комплексу для термоупрочнения детали. Комплекс снабжен разборным кабинетным ограждением зоны обработки детали, имеющим двери раздвижные Г- образной формы для доступа в зону обработки детали и загрузки деталей, и шарнирную дверь для обеспечения доступа при обслуживании лазера.

Группа изобретений относится к устройствам для термической обработки и способам для термической обработки. Устройство содержит устройство для подачи термически обрабатываемой детали далее в направлении подачи вдоль линии прохождения термически обрабатываемой детали, нагревательное устройство, включающее нагревательную катушку, расположенную после устройства подачи в направлении подачи, и окружающее линию прохождения, охлаждающее устройство, которое расположено рядом с нагревательной катушкой так, что отсутствует зазор с нагревательной катушкой, после нее в направлении подачи и окружающее линию прохождения, устройство подачи газа, которое расположено перед нагревательной катушкой в направлении подачи, непосредственно соединяется с нагревательной катушкой и окружает линию прохождения, и которое включает в себя множество газовых отделений, образующихся за счет внутреннего разделения устройства подачи газа в направлении подачи детали и дополнительно содержащее эластичный герметизирующий элемент на краю отверстия, окружающего линию прохождения, предусмотренного в стенке, разделяющей множество газовых отделений устройства подачи газа.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения качества закалки деталей предусмотрена система закаливания разбрызгиванием с одним или несколькими разбрызгивающими закалочными кольцами, которые выпускают управляемый объем разбрызгиваемой закалочной среды на обрабатываемую деталь, пропускаемую через закалочные кольца.

Изобретение относится к способу формирования упрочненного приповерхностного слоя в процессе лазерной резки деталей из листовых легированных сталей. Осуществляют газодинамическое воздействие на зону реза потоком лазерного излучения в инфракрасной области спектра.

Изобретение относится к способу и устройству для термической обработки и упрочнения объектов сложной формы, таких как коленчатые валы. Для повышения качества обработки объектов сложной формы способ включает стадии проецирования пучка (1) энергии, такого как лазерный пучок, на поверхность объекта (1000), приведения в действие сканера (2) для повторяемого сканирования пучком (1) с целью перемещения первичного пятна (11) в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на объекте действующего пятна (12) и перемещения указанного действующего пятна (12) относительно поверхности объекта (1000).

Группа изобретений относится к изготовлению конструктивных элементов из дуплексной стали с аустенитной фазой в форме зерен, включенной в ферритную матрицу. Порошкообразный исходный материал, изготовленный из дуплексной стали и содержащий аустенитную и ферритную фазы и дополнительные легирующие элементы, слоями наносят на носитель, каждый отдельный слой подвергают воздействию лазерного пучка и отверждают с обеспечением постепенного формирования конструктивного элемента.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения пониженной восприимчивости к разрушению стального пластинчатого элемента способ включает нагрев стального пластинчатого элемента до температуры, превышающей конечную температуру превращения аустенита, и последующее охлаждение со скоростью выше критической скорости охлаждения, затем локальный нагрев и охлаждение пластинчатого элемента с созданием второй области, имеющей твердость ниже твердости первой области пластинчатого элемента.

Изобретение относится к области лазерно-дуговой сварки и может быть использовано в разных отраслях промышленности, например, при производстве труб. В предлагаемом способе лазерно-дуговой сварки осуществляют предварительный этап электродуговой сварки на пробном образце и при установившемся процессе электродуговой сварки определяют диапазон изменения и максимальное значение скорости подачи плавящегося сварочного электрода при электродуговой сварке в режиме поддержания заданных значений параметров сварки.

Изобретение относится к изготовлению высокоточной заготовки из порошка титанового сплава. Способ включает послойное выращивание заготовки на установке прямого лазерного выращивания с использованием данных 3D-модели заготовки в программном обеспечении или внесенных оператором данных программы вручную с пульта оператора, фокусировку лазерного излучения в герметичной рабочей камере в зоне обработки порошка с помощью оптической системы лазерной головки, подачу порошка в зону воздействия лазерного излучения и послойное наплавление слоев заготовки из порошка посредством перемещения осциллированного лазерного излучения.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для упрочнения поверхности новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления поверхностей изношенных деталей.

Изобретение относится к лазерной системе с многолучевым выходным излучением (варианты) и способу сварки заготовок. Система представляет мультиволоконную лазерную систему, подающую выходное излучение по меньшей мере по трем волокнам, расположенным по окружности или же выходное излучение по меньшей мере четырех отдельных лазеров из одного рабочего кабеля.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно–дуговой наплавки изделия из металла. Способ включает формирование сварочной ванны на изделии в виде подложки, детали или предыдущего наплавленного слоя одновременным воздействием электрической дуги и маломощным лазерным лучом 100-200 Вт в защитной среде.

Изобретение относится к способу лазерной сварки детали (варианты) и детали. Приводят компонент из сплошного металла в контакт с компонентом из пористого металла в зоне контакта.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении изготовления.

Изобретение относится к способу изготовления сварного соединения внахлест (варианты) и сварному соединению внахлест, имеющему улучшенный предел усталости. Часть первого стального материала, имеющего заданную толщину, и часть второго стального материала, имеющего заданную толщину, перекрывают друг друга в виде перекрывающихся частей.

Изобретение относится к станку для лазерной обработки труб и профилей. Станок содержит: рабочий орган (12) с фокусирующим устройством (18), выполненным с возможностью фокусировать лазерный луч на поверхности трубы или профиля (Т), подлежащих обработке, каретку (26), на которой установлен рабочий орган (12), и сканирующую систему (20), выполненную с возможностью сканирования по меньшей мере одного участка контура поперечного сечения трубы или профиля (Т).

Изобретение относится к способу и устройству для термической обработки и упрочнения объектов сложной формы, таких как коленчатые валы. Для повышения качества обработки объектов сложной формы способ включает стадии проецирования пучка (1) энергии, такого как лазерный пучок, на поверхность объекта (1000), приведения в действие сканера (2) для повторяемого сканирования пучком (1) с целью перемещения первичного пятна (11) в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на объекте действующего пятна (12) и перемещения указанного действующего пятна (12) относительно поверхности объекта (1000).

Изобретение относится к способу формирования упрочненного приповерхностного слоя в процессе лазерной резки деталей из листовых легированных сталей. Осуществляют газодинамическое воздействие на зону реза потоком лазерного излучения в инфракрасной области спектра.

Изобретение относится к автоматизированному комплексу для лазерного термоупрочнения поверхностей изделий. Технический результат изобретения состоит в расширении технологических возможностей и повышении качества обработки поверхности изделий. Комплекс содержит источник лазерного излучения, оптическую систему, блок охлаждения, систему управления, выполненную в виде интеллектуальной системы на основе компьютера с программными средствами, систему мониторинга, систему контроля процесса обработки и технологический стол. Также содержатся два шестикоординатных робота, на одном из которых размещена сменная оптическая головка оптической системы, а другой шестикоординатный робот выполнен с возможностью доставки объектов обработки в рабочую зону и на нем размещены система мониторинга процесса и система неразрушающего контроля. Оптическая система содержит сменную оптическую головку, а источник лазерного излучения выполнен в виде многоканального диодного источника лазерного излучения с многоволоконной системой транспортировки лазерного излучения. 2 ил.

Наверх