Інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон

Реферат: Інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон містить один або більше катодних вузла, оптичний вузол, вузол юстирування вісі лазерного пучка, вузол подачі плазмоутворюючого та захисного газу. Він додатково містить металеву міжелектродну вставку (МЕВ), завихрювач, сопло-анод і вузол подачі порошку. UA 68075 U (12) UA 68075 U UA 68075 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв для нанесення покриттів, модифікації поверхні та реалізації плазмохімічних процесів. Пристрій може бути використаний у різних галузях техніки для нанесення зносостійких, корозійностійких, теплозахисних, декоративних та інших видів покриттів, модифікації поверхні та плазмохімічного синтезу матеріалів. Відомий пристрій для лазерно-плазмового порошкового наплавлення при спільному використанні плазмової дуги і лазерного випромінювання. У даному плазмотроні прямої дії дуга постійного струму горить у аксіальному потоці плазмоутворюючого газу (аргону) між тугоплавким (вольфрамовим) трубчатим катодом та виробом, що наплавляється (анодом). На початковій ділянці розряд стабілізується стінкою співвісного з катодом плазмоформуючого сопла. Зовнішнє сопло слугує для розподіленої подачі в розряд порошку. Через отвір катода у розряд вводиться сфокусований оптичною системою пучок випромінювання СО 2-лазера безперервної дії, що розповсюджується вздовж осі плазмотрона. Плазмоутворюючий газ подається у плазмоформуючий канал як через отвір катода, так і у зазор між катодом та стінкою сопла, причому витрати одного газу можуть варіюватися незалежно від іншого. Порошок подається потоком транспортуючого газу в зазор між соплами. [Сом А. И., Кривцун И. В. Лазер+плазма: поиск новых возможностей в наплавке // Автомат, сварка. - 2000. - № 12. - С. 3641., Seyffarth P., Krivtsun I. V. Laser-arc processes and their applications in welding and material treatment // Welding and Allied Processes. - 2002. - Vol. 1. -London, Taylor and Francis Books. 200p.] Недоліком відомого плазмотрона є те, що застосована схема забезпечує горіння дуги постійного струму між вольфрамовим трубчатим катодом і виробом, що наплавляється (анодом), а лазерний пучок, проходячи по каналу плазмотрона, фокусується у міждуговому проміжку біля поверхні виробу, в результаті значного тепловкладення у виріб, що обробляється від дуги прямої дії і лазерного випромінювання має місце інтенсивний нагрів виробу, а коротка дистанція між плазмотроном та виробом обмежує можливий час нагріву напилюваного порошку в дузі, що не дозволить часткам порошку перейти у розплавлений або пластичний стан, що необхідно для формування на поверхні виробу шару покриття. Найбільш близьким по технічній суті, (прототип) до описуваної корисної моделі є лазерноплазмовий зварювальний пальник, який включає в себе корпус з каналом для лазерного пучка, оптичну систему для фокусування на виробі лазерного пучка, який входить, один або більше катодних вузлів, встановлених під кутом до поздовжньої осі пальника, плазмоформуюче сопло, захисну насадку і канали для подачі плазмоутворюючого і захисного газів. [United States Patent Patent Number: 5,705,785 Dykhno et al. Date of Patent: Jan. 6, 1998 COMBINED LASER AND PLASMA ARC WELDING TORCH Inventors: Igor Dykhno; Igor Parneta; George Ignatchenko; Michael Chizhenko, all of Bayalik, Israel, Assignee: Plasma-Laser Technologies Ltd, Haifa, Israel, Appl. No.: 753,125, Filed: Nov. 20, 1996]. Недоліком відомого пристрою є неможливість його використання для лазерно-плазмового напилювання покриттів і модифікації поверхні виробів через відсутність можливості введення напилюваного матеріалу в плазмовий струмінь. В основу корисної моделі поставлена задача створення конструкції лазерно-дугового плазмотрона непрямої дії, що забезпечує нанесення покриттів, проведення газофазних процесів (CVD) з осадженням тонких покриттів або модифікацією поверхні. Поставлена задача вирішується тим, що інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон, що містить один або більше катодних вузлів, оптичний вузол, вузол юстирування осі лазерного пучка, вузол подачі плазмоутворюючого та захисного газу, відповідно до корисної моделі, додатково містить металеву міжелектродну вставку (МЕВ), завихрювач, сопло-анод і вузол подачі порошку, причому в анодному вузлі плазмотрона виготовлений спеціальний канал для подачі в завихрювач газу-завихрювача, реакційних газів або парів. Така конструкція плазмотрона забезпечує горіння електричних дуг паралельно від двох катодів до сопла-анода та можливість подачі напилюваного порошку в сформований безструмовий плазмовий струмінь, довжина якого забезпечує нагрів до стадії плавлення часток порошку, які напилюються в період руху до виробу, а розфокусування лазерного пучка на поверхні виробу в комплексі з поглинанням частки лазерного випромінювання при взаємодії сфокусованого випромінювання СО2-лазера з плазмою стовпа дуги дозволяє забезпечити розподілений термічний вплив на поверхню виробу. Введення лазерного пучка в дугову плазму дозволяє формувати комбінований лазернодуговий розряд, що забезпечує, при подачі реакційних газів або парів, проведення газофазних процесів (CVD) з осадженням тонких покриттів або модифікацією поверхні. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями фіг. 1 та фіг. 2. 1 UA 68075 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 представлена блок-схема інтегрованого лазерно-дугового плазмотрона. Плазмотрон складається з наступних основних вузлів: 1 - анодний вузол, 2 - корпус, 3 - катодні вузли, 4 - оптичний вузол, 5 - вузол юстирування лазерного пучка, 6 - вузол подачі порошку та захисного газу. Анодний вузол, МЕВ і катодні вузли мають окреме рідинне охолодження, замкнуте у послідовну схему подачі охолоджуючої рідини. Вхід води здійснюється на анодний вузол МЕВ, а вихід здійснюється з катодного вузла. На фіг. 2 представлений повздовжній розріз плазмотрона. В анодному вузлі плазмотрона розташовується анод-сопло 1 з уступом для стабілізації дуги. Анод-сопло встановлено в корпус анодного вузла 2. Між стінками анода і корпуса протікає охолоджуюча рідина. Анод має ребра для покращення тепловідводу. Для входу та виходу охолоджуючої рідини передбачені два штуцери, до одного з яких припаяна клема струмопідводу 3. Також є штуцер 4 для подачі газу в завихрювач. До нижньої частини анодного вузла кріпиться вузол подачі порошку (в плазмовий струмінь) і подачі захисного газу. Подача порошку здійснюється через канал 5, отвір котрого проходить під зріз сопла. Подача захисного газу здійснюється через штуцер, що розташований в анодному вузлі, по каналах анодного вузла до сопла захисного газу 6. Анодний вузол у верхній частині приєднаний через кільце-ізолятор 7, завихрювач 8 (кільце з концентричними пазами) та ізолятор, до корпусу 9 з міжелектродною вставкою 10. Охолодження МЕВ 10 здійснюється рідиною, що протікає між стінками корпусу і зовнішньою поверхнею самої МЕВ. Вставка має ребра для покращення тепловідводу. Вхід і вихід води здійснюється через штуцери, що припаяні до корпусу плазмотрона. Струмопідвод до МЕВ здійснюється через клему на корпусі плазмотрона. Корпус плазмотрона 9 у верхній частині має два отвори, що розташовані по боках для установки катодних вузлів, і один отвір у центрі для кріплення оптичного вузла. Два катодних вузли мають однакову будову і також мають рідинне охолодження. Катодний вузол складається з ізолятора 11, цанги для закріплення катодів 12, клеми струмопідводу. Подача плазмоутворюючого газу виконується через штуцер 17, що розташований на стінці корпусу оптичного вузла. Подача аргону для захисту катодів здійснюється паралельно на два вузли через штуцери 13 подачі захисного газу на корпусах катодних вузлів, далі газ подається по каналу в корпусі та цанзі та виходить між катодом 14 та ізолятором. Катоди розташовані симетрично, під кутом відносно осі плазмотрона. Для запобігання витоку захисного газу, в катодних вузлах передбачені ущільнення. До корпусу плазмотрона через ізолюючу діелектричну гайку 15 і ущільнення приєднано оптичний вузол. Оптичний вузол забезпечений плоскопаралельною пластиною 16 для проходження лазерного пучка 18 та герметизації каналу плазмотрона. Пластина притиснута до корпусу гайкою через ущільнення. Оптичний вузол кріпиться до вузла юстирування лазерного пучка за допомогою накидної гайки. По зовнішньому діаметру гайки встановлені чотири гвинти для суміщення осі проходження лазерного пучка з віссю плазмотрона. Вузол юстирування лазерного пучка є перехідником між тубусом з фокусуючою лінзою 19 і самим плазмотроном. У даному вузлі передбачена можливість переміщення плазмотрона по вертикалі з метою точної установки положення фокуса лазерного пучка в міжелектродному проміжку плазмотрона. Інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон функціонує наступним чином: підпал основної дуги виконується на ділянці катод-МЕВ черговою дугою і в подальшому відбувається витягування (перекидання) дуги на ділянку катод-сопло-анод. Регулювання потужності плазмотрона здійснюється за рахунок регулювання величини струму на джерелі живлення. Плазмоутворюючий газ надходить через штуцер 17, що розташований на стінці корпусу оптичного вузла. Газ, проходячи через концентричні отвори, що одночасно здійснюють охолодження лінзи знизу. Далі газ проходить вниз по каналу оптичного вузла і каналу корпусу плазмотрона, попадає у дуговий проміжок катод-МЕВ-анод-сопло, іонізується та утворює плазмовий струмінь. Витрати газів (плазмоутворюючого газу, газу для захисту катодів, газу-завихрювача і транспортуючого газу для подачі порошку) регулюється окремо. Лазерний пучок, проходячи на своєму шляху лінзу, вузол юстирування, канал корпусу плазмотрона і МЕВ - фокусується у дуговому проміжку каналу сопла-анода. Введення лазерного пучка у дугову плазму вздовж осі плазмоформуючого каналу дозволяє формувати комбінований лазерно-дуговий розряд, що виникає при взаємодії сфокусованого випромінювання СО2-лазера з плазмою стовпа дуги. Виникнення зони комбінованого розряду забезпечує проведення газофазних процесів (CVD) з нанесенням тонких покриттів або 2 UA 68075 U модифікацією поверхні шляхом подачі реакційних газів або парів. У випадку реалізації CVDпроцесу, реакційні гази або пари вводяться у склад газу-завихрювача. Для реалізації процесу напилювання покриттів, матеріал покриття подається транспортуючим газом через канал, отвір якого знаходиться під зрізом сопла. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 1. Інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон, що містить один або більше катодних вузлів, оптичний вузол, вузол юстирування осі лазерного пучка, вузол подачі плазмоутворюючого та захисного газу, який відрізняється тим, що додатково містить металеву міжелектродну вставку (МЕВ), завихрювач, сопло-анод і вузол подачі порошку. 2. Інтегрований лазерно-дуговий плазмотрон за п. 1, який відрізняється тим, що анодний вузол плазмотрона містить спеціальний канал для подачі в завихрювач газу-завихрювача, реакційних газів або парів. 3 UA 68075 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4