Лазерная наплавка поверхности металла

Лазерная наплавка

Технология лазерной наплавки

Работы выполняются на станках, оснащенных лазерными генераторами диодного, алюмоиттриевого или оптоволоконного типа. Они способны генерировать лучи с длиной волны 0,9-1,3 мкм. В таком диапазоне лучше всего поглощает большая часть чистых металлов. Наибольшее распространение получили диодные лазеры. Они обеспечивают максимально равномерную плотность распределения в месте, где фокусируется луч.

Лазерная наплавка металла выполняется с применением порошковых, газопорошковых присадок и проволоки. Разными бывают и способы подачи расходного материала:

  • коаксиальная,
  • латеральная,
  • радиальная.

Наплавку выполняет робот-манипулятор по заранее составленной и загруженной программе. Луч точечно расплавляет материал, а далее в зону расплава подаются присадки, которые также плавятся. После остывания они образуют новый слой на поверхности детали. Данный процесс отличается высоким качеством, точностью и скоростью выполнения.

По характеру излучения технология лазерной наплавки бывает двух типов:

  1. Непрерывная.
  2. Импульсная.

Непрерывная наплавка

Используется там, где нужна высокая производительность оборудования без чрезмерно высоких температур и мощности. Метод хорошо зарекомендовал себя при работах с трудносвариваемыми деталями. Основной металл и присадка смешивается в небольшой зоне: 10-30 мкм в зависимости от рабочего режима. За один проход луча оборудование делает наплавку толщиной 0,05-3 мм.

Современные оптические системы предоставляют возможность работать не только с наружными частями деталей, но и с внутренними. В этом случае станки дополнительно оснащаются поворотными призмами или зеркалами. Они будут направлять поток энергии к необходимой области. Широкое применение непрерывная лазерная наплавка порошком, газом, проволокой получила в нефтегазовой промышленности, судостроении, металлургии, на предприятиях, выпускающих гипсоцементные составы.

Импульсная наплавка

Лазеры импульсного типа обладают очень высокой пиковой мощностью. Они могут работать как в ручном режиме, используя в качестве присадки проволоку, так и в автоматическом (с проволокой или порошком), под управлением роботизированных систем.

В первом случае оператор наблюдает за процессом через микроскоп, выставляет метки для фокусирования луча лазера. Размер области расплава должен быть в 1,5-2 раза больше, чем диаметр проволоки. Так объемы расплава сводятся к минимуму и восстанавливаемое изделие нагревается незначительно. Чтобы кислород не попадал в рабочую область, запуская в ней окислительные процессы, дополнительно подается инертный газ. Ручной метод используется преимущественно при работах с деталями машин, пресс-формами, восстанавливая их изначальные размеры. Сам процесс схож с лазерной сваркой с применением металлической проволоки.

Автоматизированная импульсная лазерная наплавка используется при работах с новыми изделиями. Благодаря минимальному нагреву детали, она существенно снижает склонность наплава к растрескиванию.

Преимущества

Технология наплавки лазером наделена рядом весомых преимуществ:

  • Предусмотрена возможность менять рабочие параметры. Позволяет корректировать физико-химические свойства наплавленного слоя в широком диапазоне.
  • Оказанием минимального температурного воздействия на деталь. Обеспечивается высокой точностью дозировкой импульса, незначительным временем и локальностью его подачи. После работ геометрическая форма обрабатываемой детали сохраняется.
  • Высокие адгезионные свойства. Исходный материал и наплавляемое покрытие соединяются очень прочно. Не уступает металлургической обработке.
  • Повышенная твердость, вязкость, коррозионная и тепловая стойкость наплавленного слоя. Поверхность получает стойкость к износу, растрескиванию, механическим повреждениям и другим дефектам.
  • Минимальные припуски. Существенно упрощает финишную механическую обработку.
  • Предусмотрена возможность работы с крупногабаритными деталями без их демонтажа, обработка внутренних и труднодоступных поверхностей. Обеспечивается волоконной технологией передачи лазерного излучения.
  • Высокая точность толщины наплавляемого слоя и его физико-химических показателей. Оператор и программное обеспечение контролирует рабочий процесс очень точно.
  • Невысокая себестоимость процесса и оперативность выполнения работ в сравнении с другими способами восстановления поверженных и изношенных металлических поверхностей. Технология не требует создания и поддержания высоких температур, длительной финишной обработки. При работах с хромированными изделиями, защитный слой удалять не надо.

Все эти преимущества существенно расширили сферу применения технологии лазерной наплавки, сделав ее востребованной в различных промышленных отраслях.

Сфера применения наплавки лазером

Наплавлением с помощью лазерной сварки удается устранить повреждения, вызванные сколами, смятием, износом, изломом:

  • кромок литейных пресс-форм, в том числе и тех, которые используются для работ с резиной, пластиком;
  • подшипников на валах, шестеренок, зубьев в шлицевых креплениях;
  • элементов гидросистем: клапанов линий всасывания и нагнетания, золотников в гидравлических распределителях;
  • в торцевой части, в области основания и ребра пера газотурбинных моторов;
  • роторов турбинных компрессоров;
  • изделий их сплавов повышенной прочности, эксплуатирующихся в условиях ударных и ударно-абразивных нагрузок: гидробуры, вибропогружатели, штампы вырубки и пр.;
  • крупногабаритных металлических изделий весом в десятки тонн.

Это далеко не все случаи, где технология лазерной наплавки будет оптимальным решением для восстановления металлических изделий. Ей найдется достойное применение и в небольших мастерских, и на крупных предприятиях.

Компания АО «ЛЛС» предлагает специализированные системы для лазерной наплавки с надежными гарантиями и доставкой по России. Консультанты при необходимости придут на помощь и помогут подобрать оборудование под особенности предстоящих работ. Для связи с ними воспользуйтесь формой обратной связи или позвоните нам.

Лазерная наплавка – износостойкие поверхности для любых металлических деталей

От износостойкости рабочих поверхностей деталей различного оборудования и машин зависит срок их эксплуатации. Лазерная наплавка твердосплавных покрытий позволяет значительно увеличить ресурс любых механизмов.

1 Лазерная наплавка поверхности металла – новый подход к проверенной технологии

Наплавка – это эффективный способ восстановления изношенных или улучшения прочностных характеристик новых деталей механизмов и машин. Процесс заключается в нанесении расплавленного материала на обрабатываемое изделие, поверхность которого разогрета до температуры плавления, или надежном смачивании покрываемым жидким металлом. Созданный таким способом поверхностный слой образует единое целое с основным сплавом.

В случае ремонтных работ на старую деталь может быть наплавлен примерно такой же металл, из которого она изготовлена. При этом будут восстановлены целостность и форма изделия. Но целесообразней наносить другой сплав, который, как и для новой детали, позволит получить изделие с поверхностью, отличающейся от материала основы своими свойствами.

Читайте также:
Лифт в доме своими руками

В зависимости от условий эксплуатации оборудования, это могут быть высокая эрозионная, кавитационная, коррозионная, износо-, жаростойкость и другие. В случае обработки новых деталей наплавка позволяет значительно сэкономить на материале, так как отпадает необходимость изготовления изделия целиком из дорогого сплава. Также во всех случаях использования этой технологии значительно продлевается срок службы обработанных узлов и деталей.

Лазерная наплавка поверхности металла – уникальный и наиболее эффективный метод наплавления износостойких покрытий. Проводят ее с помощью лазерных систем нового поколения, работа которых основана на использовании мощных диодов и специальных сопел.

Сфокусированный лазерный луч создает на поверхности детали сварочную ванну, в которую локально подается металлический порошок. Материал основы подвергается кратковременному расплавлению. Высокий уровень автоматизации управления рабочим процессом обеспечивает регулирование как размеров зон плавления, так и термических циклов.

2 Технология лазерной наплавки – основные методы

Точность лазерного излучения гарантирует образование полностью плотного наплавочного слоя с разжижением (смешением с металлом основы) менее 5 %, а также обеспечивает отличное металлургическое сцепление. Возможно нанесение нескольких защитных слоев, что повышает стойкость к механизмам разрушения.

Существует три основных метода создания покрытий с помощью лазера:

  1. Оплавлением порошков в виде пасты, которую предварительно наносят на поверхность детали. Содержимое смеси подбирают таким, чтобы оно практически не влияло на состав создаваемого покрытия. Пасту оплавляют лазером, последовательно проходя лучом всю поверхность. Для получения многослойного покрытия порошковый состав наносят заново после очередного цикла обработки детали. Преимущества этого способа состоят в простоте технологии и конструкции требуемого оборудования. К главным недостаткам относят высокую трудоемкость и неравномерность покрытия, обусловленную поверхностным натяжением расплавленного жидкого металла.
  2. Покрытие создают посредством подачи газопорошкового состава сбоку от сопла лазера (до недавнего времени являлся наиболее распространенным способом). Эта технология лазерной наплавки качественно улучшает процесс получения плакирующего слоя. Когда впрыск порошка происходит в жидкую ванну, то это позволяет создавать не только равномерные по химическому составу и толщине покрытия, но также композитные материалы, у которых сохраняется упрочняющая фаза. Газопорошковую струю подают сбоку относительно направления луча или навстречу. Формируемые при этом валики покрытия будут отличаться геометрией поверхности. Недостаток способа – несимметричная относительно направления луча лазера подача порошка даже при создании плакирующего слоя сканированием излучения в плоскости.
  3. Коаксиальная наплавка – газопорошковая смесь подается в область воздействия лазерного луча через сопло со всех сторон симметрично (поток конусообразно сходится в одну точку-фокус). Формирование такой равномерной симметричной подачи – главная сложность этой технологии. Коаксиальная наплавка – самый универсальный метод получения не только однородных, но и композитных покрытий как на плоских, так и на трехмерных поверхностях. Данный процесс обеспечивает симметричную подачу относительно направления наплавления, равномерное формирование валиков, а также высокие производительность, эффективность и коэффициент использования расходного присадочного материала. Главный недостаток – сложность осуществления коаксиальной подачи.

Качество напыления лазером зависит от очень многих параметров, но главным является расход порошка. Задав необходимый диаметр луча, мощность лазера и скорость наплавки, массовым расходом твердосплавного состава можно регулировать толщину наносимого покрытия, разжижение и твердость.

3 Применение наплавки лазером – настоящее и будущее технологии

Лазерная сварка и наплавка основаны на использовании одной технологии – источником требуемого нагрева служит излучение с высокой концентрацией энергии. Поэтому в некоторых случаях восстановление изношенных или поврежденных деталей производят наплавлением с помощью лазерной сварки. Присадочный материал в форме проволоки или прутка, как правило из того же материала, что и изделие, расплавляется и заполняет скол или распределяется по поверхности. Этим способом пользуются чаще всего небольшие ремонтные предприятия.

Чтобы воспользоваться всеми преимуществами и возможностями наплавки лазером необходимо специализированное оборудование, которое позволяет в производстве наносить композитные покрытия с повышенными характеристиками:

  • коррозионной стойкости;
  • механическими;
  • жаростойкости;
  • износостойкости;
  • антифрикционными;
  • радиационной стойкости;
  • и тому подобное.

Такие покрытия позволяют в современном машиностроении экономить металл, используемый при изготовлении деталей, и снизить массу разрабатываемых конструкций. Для получения композиционного плакирования наплавкой используют чистые или композитные порошки, которые представляют собой смесь необходимого состава в каждой отдельной его частице. В соответствии с переносимыми нагрузками, композиционные составы могут обладать различной архитектурой:

  • для повышения износостойкости – мягкие антифрикционные компоненты в твердой матрице;
  • для упрочнения поверхности – твердые компоненты в мягкой матрице;
  • контактная прочность совместно с износостойкостью – высокопрочный каркас, который заполнен пластичным материалом;
  • для снижения массы при сохранении прочности – равномерная смесь прочных легких компонентов с тяжелыми каркасообразующими.

У деталей, изготовленных из таких материалов, ресурс работы гораздо выше, чем у узлов из мономатериалов. Технология наплавки лазером очень перспективна в сфере прототипирования трехмерных деталей. В настоящее время разработаны и совершенствуются 2 основных направления создания объемных изделий из металлических порошков:

  • Laser Metal Deposition (LMD) – прямое выращивание с помощью коаксиальной наплавки лазером.
  • Selective Laser Melting (SLM) – выборочное спекание порошков лазером (послойная наплавка).

В данный момент одним из самых актуальных применений лазерной коаксиальной наплавки является восстановление поврежденной или изношенной геометрии деталей из металла машиностроительного производства. Во время ремонта крупногабаритных узлов сложной геометрии, пресс-форм, валов, инструмента, литейных форм и других деталей данный метод наплавки обеспечивает экономию значительных средств за счет меньшего расхода материала, затрат времени на обработку и использование оборудования, задействованного в работах, чем при иных способах.

По прочности и плотности нанесенный при ремонте восстановительный слой не уступает материалу, из которого было изготовлено изделие, а в случае специального подбора состава присадочного порошка значительно его превосходит, что положительно сказывается на сроке эксплуатации обработанной детали. В каждом отдельном случае применения лазера восстановительный процесс условно заключается в технологии нанесения объема материала или слоя покрытия. Примеры повреждений, устраняемых наплавкой лазером:

Читайте также:
Мини кузница своими руками

  • изношенные кромки, смятия, сколы литейных форм;
  • износ посадочных мест зубчатых колес, подшипников на валах, зубьев шлицевых креплений и тому подобное;
  • износ поверхностей ступенчатого вала (включая шпоночных пазов);
  • износ выпускных и впускных клапанов, золотников гидрораспределителей;
  • скол, надлом стенки пресс-формы для литья резины или пластика;
  • дефекты лопаток газотурбинных двигателей – износ торца и основания пера, смятия и сколы на ребре пера;
  • износ роторов турбокомпрессоров;
  • повреждения деталей из высокопрочных сплавов, которые работают при ударно-абразивных и ударных нагрузках (буровой инструмент, вырубные штампы и другое);
  • износ и дефекты крупногабаритных изделий массой до нескольких центнеров;
  • и другие.

4 Особенности и преимущества лазерной технологии

При традиционных способах наплавки основной металл подвергается значительному подплавлению и термическому воздействию, что является весомым недостатком, потому что технология должна обеспечивать минимальное тепловое влияние на деталь и перемешивание присадочного материала со сплавом изделия. Эти изъяны практически полностью отсутствуют у обработки лазером – нагрев локализован и соответствует форме, размеру подаваемого излучения, а глубина термического воздействия ограничена незначительным приповерхностным слоем, благодаря чему вероятность коробления (искажения формы) детали минимизирована.

Основные преимущества метода:

  • контролируемое малое проплавление;
  • возможность создания тонких наплавочных слоев (до 0,3 мм);
  • высокопрочное сцепление с основой;
  • минимизация области термического влияния – деформация обрабатываемых деталей почти отсутствует;
  • возможность работы с труднодоступными поверхностями и локальной обработки;
  • быстрый нагрев и охлаждение наплавляемого материала;
  • возможность обработки изделий с большими габаритами;
  • минимальное смешивание наплавляемого и основного материала.

  • низкий КПД;
  • малая производительность;
  • необходимость в дорогостоящем, сложном оборудовании.

Особенности технологии и виды наплавки металла

Сущность метода наплавки металла, особенности технологии и области применения. Разновидности наплавки: вибродуговая, газопламенная, плазменная, лазерная, индукционная. Классификация и основные виды оборудования.

Наплавка металла применяется для восстановления геометрии изношенных деталей машин и механизмов, формирования упрочняющих слоев металла на поверхности изделий и создания биметаллических структур.

По своей сути наплавка — это один из видов сварочных технологий, т. к. она основана на тех же физических и технологических принципах, что и традиционные виды сварки.

Для восстановления и защиты поверхностей деталей с помощью слоя расплавленного металла используют различные способы наплавки, отличающиеся друг от друга методами плавления и составами сварочной среды: электродуговые, газопламенные, плазменные, лазерные, индукционные и пр.

С помощью этой технологии можно наплавлять на рабочие плоскости стальных конструкций металлы различного химического состава, в том числе медь, бронзу, чугун, а также никелевые, кобальтовые и хромовые сплавы.

Особенности технологии и процесса наплавки

Технология наплавки позволяет добиться не только надежного сцепления наносимого металла с основой, но и получить требуемые физические и химические характеристики наплавленного слоя.

Первое достигается качественной подготовкой базового изделия и точным соблюдением технологических режимов, а второе — правильным подбором сварочных материалов.

Сущность наплавки состоит в равномерном нанесении узких полос расплавленного металла на поверхность детали таким образом, чтобы они соединились в сплошной металлический слой заданной толщины. При нанесении защитных покрытий он может составлять десятые доли миллиметра, а при восстановлении изношенных деталей — до десяти миллиметров.

В последнем случае должна быть обеспечена толщина припуска, достаточная для механической обработки детали (обточки, расточки или фрезеровки) до требуемого размера. Перед механообработкой наплавленный слой, как правило, отжигают, а после подвергают закалке с отпуском.

Виды наплавки металла

Кроме того, разные способы наплавки имеют различные скорости обработки и отличаются расходом сварочных материалов на единицу наплавленного металла. Каждый из них характеризуется собственным соотношением качества с производственными и экономическими показателями.

При этом в условиях реального производства наплавка деталей может выполняться не самым удачным способом. К примеру, многие предприятия не располагают оборудованием для электрошлакового наплавления, которое кратно экономит электроэнергию и наплавочные порошки, и применяют для тех же целей электродуговые методы.

Большинство наплавочных технологий ориентированы на работу с изделиями из стали, в том числе с нанесением на нее покрытий из цветных металлов. Как правило, среди них выделяются следующие виды:

  • электродуговая;
  • вибродуговая;
  • газопламенная;
  • плазменная;
  • лазерная;
  • индукционная;
  • электрошлаковая;
  • электроискровая.

Электродуговая наплавка

Чаще всего для наплавления металла применяют традиционное электродуговое оборудование. При ручной дуговой наплавке это стандартные выпрямители и инверторы постоянного тока, подключенные плюсом на электрод, а минусом — на деталь.

Такая схема включения используется для снижения глубины проплавления и общего нагрева изделия. Вручную металлы наплавляют как штучными обмазанными электродами, так и с помощью аппаратов с нерасходуемыми электродами и полуавтоматов с защитной средой из газа.

Ручная электродуговая наплавка угольными электродами с использованием порошковых смесей применяется для создания упрочняющих поверхностных слоев. В этом случае для обеспечения устойчивого плавления металла в присадочном порошке применяют включение с прямой полярностью (плюс на детали), повышающее нагрев поверхностного слоя изделия.

Такие установки имеют высокую производительность и обеспечивают высокое качество наплавленной поверхности. На видео ниже показано восстановление слоя металла в посадочном отверстии детали горной техники в автоматическом режиме.

Основному процессу предшествует зачистка металла с помощью прямошлифовальной машинки и разогрев места наплавления газовой горелкой. В качестве присадочного материала используется наплавочная проволока с омеднением.

Вибродуговая наплавка с применением проволоки

Эта технология представляет собой прерывистый сварочный процесс, во время которого электрод совершает колебательные движения в осевом направлении с частотой до ста герц и амплитудой от 0.3 до 3 мм.

В результате таких колебаний время существования дуги составляет около одной пятой от времени всего рабочего цикла и на поверхность переносится малое количество металла. Поэтому глубина провара получается небольшой, а тепловое воздействие на основную деталь — минимальным.

Читайте также:
Лакирование дерева в домашних условиях

Вибродуговое наплавление выполняют с помощью полуавтоматов, оснащенных специальными электромеханическими устройствами прерывистой подачи, при этом используется проволока для наплавки диаметром 1.6÷2 мм.

Процесс наплавления осуществляется в защитной среде из газа, водных растворов или пены.

Газопламенная наплавка

Газопламенная наплавка считается самым простым и доступным способом наплавления металла, при котором источником тепла служит пламя горящего ацетилена или пропан-бутановой смеси.

В качестве присадочного материала обычно применяется сварочная проволока или прутки, которые подаются в зону сварки ручным или механизированным способом, а для флюсов чаще всего используют смеси на основе буры и борной кислоты.

Детали небольшого размера наплавляют без предварительного разогрева, а крупные перед наплавкой необходимо нагревать до температуры не менее 500 ºC.

Кроме проволочных и прутковых присадок, при газопламенном наплавлении также используют порошковые, которые направляются в газовую струю из специального накопителя, плавятся в потоке пламени и в виде мелких капель металла оседают на поверхности детали.

Плазменная наплавка

При плазменной наплавке применяют традиционные присадочные материалы, в том числе и гранулированные смеси, которые подают в рабочую зону механизированным способом.

Этот вид наплавочной технологии характеризуется небольшой глубиной проплавления основной детали в сочетании с качественной структурой наплавленного слоя металла.

Электрошлаковая наплавка

Электрошлаковая наплавка — это термический процесс, при котором источником нагрева гранулированной присадочной смеси, наносимой на поверхность детали, является шлаковая ванна.

Такое устройство представляет собой небольшую емкость с кристаллизатором, перемещаемую вдоль поверхности базовой детали. Сверху в нее опускается плавящийся электрод или подается гранулированная присадка, при этом плавление металла происходит под слоем шлака и флюса, защищающего зону наплавления от нежелательного воздействия атмосферных газов.

Вертикальное расположение шлаковой ванны способствует всплыванию пузырьков газа и частиц шлака, что способствует уменьшению количества пор и твердых включений в наплавленном металле.

Кроме того, шлаковый слой защищает от разбрызгивания металла и сохраняет тепло рабочей зоны, поэтому эта технология характеризуется пониженным энергопотреблением. Одними из немногих ее недостатков являются повышенная сложность технологического процесса и невозможность работы с деталями малого размера и сложной конфигурации.

Лазерная наплавка

Основным элементом лазерных установок является специальная головка с соплом, в котором образуется нагретый лазером поток газа, и порошковым инжектором, впрыскивающим в этот поток присадочный порошок.

По сравнению с другими видами наплавочных технологий лазерная наплавка характеризуется высокой точностью и стабильностью технологических режимов.

Индукционная наплавка

Для этого на участок детали, предназначенный к наплавлению металлом, вначале наносится слой присадочного материала с флюсом. Затем над ним на небольшом расстоянии размещается индуктор, представляющий собой несколько витков медной трубки или шинки, на которую подается высокочастотное напряжение.

Глубина проплавления металла базовой детали зависит от частоты тока индуктора: чем выше частота, тем на меньшую глубину проникают вихревые токи. Этот метод наплавления имеет одну из самых высоких производительностей и обеспечивает минимальный нагрев металла изделия.

Электроискровая наплавка

Электроискровая наплавка — это одна из разновидностей электроэрозионной обработки, основанной на воздействии кратковременных электрических разрядов на поверхность металлического изделия.

Основные элементы электроискровой установки — это электромагнитный осциллятор и электрод, из которого при искровых разрядах вырываются частицы металла. Поскольку ионы металлов обладают положительным зарядом, электрод подключается к плюсу, а деталь — к минусу.

С помощью электроискрового метода наносят покрытия толщиной от нескольких микрон до 0.5 мм. При этом наплавленный металл получается плотным и мелкопористым, что способствует хорошему удержанию масла на поверхностях трения.

Одно из главных достоинств этой технологии — практически полное отсутствие нагрева обрабатываемой поверхности, что позволяет избежать деформации изделия и изменения структуры металла.

Применяемое оборудование

В качестве универсального оборудования для наплавки нередко используют сварочные устройства, которые при необходимости дополняют специальной оснасткой и приспособлениями.

Специализированное наплавочное оборудование обычно классифицируют по форме наплавляемых поверхностей: для плоских деталей, для тел вращения и для сложных профилей.

Присадочные материалы в таких установках наносят не только традиционными способами (проволока, прутки, сопловое распыление), но и с применением специальных технологий: спиральная укладка ленты, центробежное распределение присадочного материала и пр.

Кроме того, любая наплавочная установка для массивных деталей оснащается устройством предварительного прогрева изделия до температуры +500…+700 ºС.

В продаже можно встретить малогабаритные установки электроискровой наплавки для домашнего применения, в аннотации к которым указывается, что с помощью этих устройств можно наплавлять металл толщиной до нескольких миллиметров.

Однако известно, что за один проход данная технология позволяет нарастить слой менее чем на десятую долю миллиметра. Как же достигается такая толщина и какого качества получается металл? Если кто-нибудь знает ответ на этот вопрос, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.

Защита металла лазерной наплавкой

Рабочие поверхности деталей, используемых для комплектации разных видов оборудования, со временем изнашиваются. Это приводит к сокращению сроков эксплуатации агрегатов. Лазерная наплавка признана наиболее эффективной методикой восстановления работоспособности пострадавших от износа деталей. Разновидность сварочной технологии применяют также для защиты новых механизмов путем упрочнения поверхности изделия.

Современный вариант

На различных предприятиях используются производственные установки, укомплектованные металлическими деталями, которые в условиях значительных нагрузок изнашиваются, страдают от коррозии. Для увеличения сроков износостойкости и прочности механизмов их поверхность полностью или частично покрывают слоем расплавленного металла. Полученный таким способом наплыв прочно соединяется с материалом поверхности, образуя единый конгломерат.

Для восстановления работоспособности старой детали наплавляют аналогичный вид металла, что позволяет вернуть изделию форму и целостность. Если необходимо улучшить качество верхнего слоя, его покрывают другим материалом, наделяющим механизм новыми свойствами.

Читайте также:
Мангал из диска колеса своими руками

Принцип технологии

Лазерная наплавка (технология лазерного осаждения металлов) относится к наиболее эффективным методам восстановления покрытий, обладающих повышенной износостойкостью. В процессе участвуют лазерные системы современного типа, оснащенные мощными диодами и специализированными соплами. Что происходит:

  • На поверхности выбранного участка применением лазера создается подобие плавильной ванны. Емкость наполняется металлическим порошком, поступающим через отверстие сопла.
  • Во время обработки лазером происходит кратковременное расплавление материала основы. Все этапы осуществляются при автоматическом регулировании параметров зоны плавления.

Принцип лазерной наплавки тот же, что и при электродуговой и порошковой плазменной присадке, соединяющейся с металлом. Недостаток традиционных видов наплавки в подплавлении основы при значительном термическом воздействии на нее. Обработка порошкового материала локально направленным лучом мощного лазера исключает разогрев оплавляющейся поверхности при высокой скорости наплава.

Преимущества

  • Возможность задействовать разные порошки для создания многослойных структур собственных сплавов;
  • простоту замены расходных материалов, которая выполняется без остановки рабочего процесса;
  • способность к созданию трехмерных структур на неровных поверхностях с измененной геометрией;
  • контроль степени проплавления при высокопрочном сцеплении порошковой смеси с верхним слоем основы;
  • минимизацию влияния термической обработки на зону локального воздействия с исключением вероятности деформации;
  • высокую скорость создания грубых и очень тонких структур, что недоступно другим видам плавки;
  • возможность доступа к любым участкам крупногабаритных изделий при быстром нагреве и охлаждении рабочей зоны.

Лазерная наплавка поверхности металла не лишена некоторых недостатков, главный из которых – необходимость использования сложного и затратного оборудования. К недостаткам плавки также нужно отнести низкую производительность при невысоком КПД.

Особенности лазерного осаждения металлов

Благодаря точной направленности луча лазера, во время наплавки происходит формирование равномерно плотного конгломерата из порошка и материала основы. Толщина металлического разжижения колеблется в пределах 0,2-1 мм, удается создать несколько таких слоев, располагающихся один над другим.

Для нанесения линий, граней или контуров установка оборудована оптическим устройством с возможностью автоматического перемещения. Равномерность распределения слоев обеспечивается интеллектуальной системой сенсоров. Прогрессивную наплавочную технологию реализуют с использованием двух типов лазерного излучения – импульсного и непрерывного.

Наплавка импульсным лазером

Плавка по этой методике выполняется одновременным подводом луча лазерной установки и присадочного элемента к намеченному участку прямого осаждения. При расплавлении материал присадки (проволока, порошок) равномерно распространяется по месту повреждения.

После обработки импульсным лазером зону дефекта не придется подвергать длительной механической коррекции. Чтобы исключить окисление металла, ванну с расплавом защищают подачей смеси инертных газов (аргон и гелий).

Лазерное осаждение реализуют одним из двух методов, представленных в таблице ниже.

Тип импульсной наплавки Характеристика
Ручная методика Для работ, выполняемых вручную оператором, присадкой служит проволока, диаметр которой в диапазоне 0,15-0,8 мм. Это может быть материал идентичный основе либо с повышенным свойством твердости. Работа ведется под контролем микроскопа с 10-16 кратным увеличением, диаметр лазерного луча (0,2-2,5 мм) должен в 2 раза превышать диаметр присадки, чтобы уменьшить объемы нагрева и расплава. Методом ручного осаждения металла устраняют небольшие сколы, поры и другие локальные дефекты поверхности. Конфигурация станков с лазерами позволяет обрабатывать мелкие детали, ремонтировать крупногабаритные механизмы
Автоматизированная Роботизированную методику чаще применяют для защиты новых деталей от следов износа. Причина в низкой вероятности трещинообразования по наплавляемому слою. По ходу создания наплавки лазером подача присадки механизирована. В случае выбора металлического порошка, его доставку к месту расплава обеспечивает сопло. Автоматическую наплавку используют при необходимости наплавлять значительные объемы металла

Преимущество импульсного лазера в минимальных размерах области воздействия при высокой скорости процесса. Эти факторы снижают нагрев детали, препятствуют растеканию металла вокруг зоны наведения лазера, что важно для выполнения разных объемов наплавочных работ.

Непрерывная лазерная наплавка

Этот вид наплавочной технологии обеспечивает высокую производительность при минимальных тепловложениях лазерного луча по сравнению с другими видами плавки, а также сварки. Обработку непрерывным лазером применяют для трудно свариваемых материалов. Средний показатель в зоне перемешивания металлов основы и присадочного материала находится в пределах 10-30 мкм, с учетом режимов наплавления и варьирования толщины наплавки в диапазоне 0,3-3 мм за время одного прохода.

Устройство производственных систем для выполнения внутренних наплавочных манипуляций принципиально отличается от установок для осаждения металла на внешних поверхностях механизмов. Лазерные станки для внутренних работ оснащены призмами или зеркалами, предназначенными для переворачивания световых потоков.

Виды работ по созданию покрытий

Технологию лазерной наплавки реализуют путем нанесения на поверхность изношенного механизма слоя металла, в результате чего присадка сваривается с основой. С учетом минимального подплавления основы, можно утверждать, что свойства наплавки зависят от материала, используемого в качестве присадки. На современном производстве подачу затратного материала выполняют одним из трех основных способов.

Оплавление лазерным лучом

Поверхность детали предварительно покрывают порошковой пастой, подбирая состав обмазки, удовлетворяющий определенным требованиям. Оплавление лучом лазера реализуют последовательно, чтобы охватить всю намеченную зону. Если нужно создать многослойное покрытие, после каждого сканирования лазером наносят следующий слой пасты, для каждого слоя отдельный пласт обмазки.

Преимущества – простая по технологии выполнения наплавка не утяжеляет конструкцию агрегата. К недостаткам относят трудоемкий процесс осаждения, неравномерность наплавленной поверхности по причине натяжения поверхностной пленки расплавившегося металла.

Боковая подача газопорошкового микса

Лазерной наплавкой этого типа до недавнего времени пользовались наиболее часто. Подача порошка внутрь плавильной ванны осуществляется методом впрыскивания сбоку от лазерного луча либо навстречу ему. Во время наплавления формируются валики с различным типом геометрии.

Преимущества – благодаря газопорошковой технологии создается более качественный плакирующий слой. Наплыв характеризуется равномерной толщиной и химическим составом, открывается возможность использования композитных материалов при сохранении фазы упрочнения. Недостаток методики обусловлен несимметричной доставкой порошка по отношению к линии движения лазерного луча. Даже при его сканировании в плоской проекции.

Читайте также:
Медный трубопровод своими руками

Коаксиальный способ наплавления

Подача обогащенного газом порошка осуществляется через сопло непосредственно в зону работы лазера сплошным потоком конусообразной формы. Методика признана самым универсальным способом формирования покрытий однородного либо композитного типа для плоских, а также трехмерных деталей.

Преимущества – гарантирование симметричности по отношению к направлению плавки, равномерное сцепления валиков сваркой. Наплавку лазерного типа характеризует высокая производительность использования присадки для сложно обрабатываемых поверхностей. Характерная особенность, а также недостаток создания наплава, в сложности обеспечения подачи с равномерной симметрией.

Основной параметр качества лазерного напыления напрямую связан с расходом порошка. Для регулирования толщины осаждаемого пласта металла, его разжижения и твердости необходимо подобрать соответствующий диаметр лучевого потока в сочетании с мощностью установки, а также скоростью процесса.

Где применяют

Методику осаждения жидкого металла широко использует современная промышленность для восстановления участков деталей, пострадавших от повреждений. Лазерная наплавка применяется не только для ремонта и упрочнения покрытий, но и для создания комплектов новых деталей.

  1. EHLA. Технология предназначена для высокоскоростного создания покрытий со снижением тепловых затрат.
  2. SLM. Высокоточная методика выборочного спекания порошков для задания контуров послойного наплыва.
  3. LMD. Способ прямого выращивания деталей путем коаксиального наплавления, точность требует особых ресурсов.

В металлургии, судостроении и нефтегазовой отрасли лазерную наплавку чаще всего выбирают для усиления отдельных участков заготовок либо коррекции их геометрических параметров. Возможность экспериментировать с вариантами наплавления металла открывает перспективы для создания деталей различных форм. Лазерная наплавка позволяет быстро восстановить работоспособность дорогих механизмов, сэкономив деньги и время.

Используемая литература и источники:

  • Статья в Википедии
  • Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. / Б. Н. Бадьянов. — Ульяновск: изд-во Ульяновский ГТУ, 2000 г.
  • Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров.. — Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2013.

Лазерная наплавка поверхности металла

Несомненно, лазерные методы наплавки материалов имеют перспективное будущее для машиностроительного производства. Однако для достижения технического и экономического эффекта полезно знать возможности и ограничения этих методов, а также области, в которых их применение является безальтернативным.

Лазерная наплавка известна с 80-х годов XX века. За это время не только усовершенствовались технологии и устройства для применения данного метода, но и появился ряд альтернативных технологий, которые находятся друг с другом в определенной конкуренции. Цель данной статьи подытожить развитие лазерной наплавки с точки зрения технической и экономической эффективности и обозначить перспективы ее дальнейшего внедрения в машиностроение.
Основными преимуществами лазерной наплавки являются:
• минимальное коробление и поводки (на порядок меньшие, чем при других видах наплавки) вследствие уменьшения термического влияния на основу;
• возможность формирования сварочной ванны расплава сверху, что обеспечивает получение химического состава наплавляемого материала с минимальным проплавлением основы;
• возможность формирования наплавочного состава в тонком поверхностном слое;
• возможность наплавлять труднодоступные места деталей;
• возможность получения металлокерамических поверхностных слоев с заданным комплексом свойств.
Какие разновидности лазерной наплавки известны?
Можно привести классификацию по применяемым присадочным материалам:
• лазерная наплавка из проволоки;
• шликерная наплавка — из пасты шликерного слоя;
• лазерная наплавка из порошковой ленты;
• газопорошковая наплавка — из подаваемого порошка в струе защитного газа;
• проплавление порошка насыпным методом с помощью дозатора;
• проплавление нанесенных методами напыления газотермических покрытий.
Каковы основные направления внедрения лазерной наплавки сегодня?
Прежде всего, продолжается активное внедрение лазерной наплавки на детали, требующие наплавленного слоя менее 1 мм. Получить такой слой другими методами практически невозможно. Альтернативой этому методу служит напыление и в некоторых случаях, где нет изгибных напряжений, активно используется в промышленности. Смысл лазерной наплавки проявляется на тех деталях, для которых адгезия напыляемых покрытий невелика по сравнению с действующими напряжениями, и, конечно, при наличии изгибных напряжений. Кроме того, пористость покрытия часто играет злую шутку с напыленными деталями. При действии среды идет быстрое коррозионное разрушение. Можно было бы отмахнуться от этого ряда деталей, но, как говориться, «мал золотник, да дорог».
Особое место занимает лазерное проплавление покрытий, такие технологии занимают промежуточное положение по свойствам поверхностных слоев между технологиями напыления и лазерной наплавкой. Дело в том, что адгезия таких проплавленных покрытий многократно выше адгезии самих покрытий и этот вид обработки достаточно распространен, хотя говорить о наплавке в данном случае неверно — имеет место приварка самого покрытия к основе. Но качество приварки зависит от проработки технологии и является непростой технологической задачей.
Еще одно направление — лазерная наплавка труднодоступных мест деталей, например, седла клапанов и других деталей арматуры, это перспективное направление. Кроме технического результата достигается экономия в уменьшении объемов наплавки, присадочных материалов и снижении расходов на механическую обработку деталей. Экономический эффект изготовления одной детали может превышать 3000 рублей.
Следующее направление — применение газопорошковой лазерной наплавки. Формирование наплавленного валика идет сверху. При определенном подборе режимов обработки возможно получение валиков заданной формы и химического состава наплавляемого присадочного материала с малой степенью проплавления основы (рис. 1). Но в данном случае производительность лазерной наплавки будет приближаться к производительности плазменной наплавки, а стоимостные показатели будут не в пользу лазерного метода. Увы, плазма дешевле. Но в тех редких случаях, когда недопустимы поводки и надо исключить влияние неминуемого нагрева, лазер обладает неоспоримыми преимуществами. Поводки при лазерном методе можно существенно (на порядки) уменьшить.

Рис. 1. Микроструктура наплавленного валика при газопорошковой лазерной наплавке на бронзу БРАЖНМц 9-4-4-1

Читайте также:
Магнитные палочки с металлическими шариками

Особо актуальное направление — аддитивные компьютеризованнные методы послойного нанесения на базе газопорошковой лазерной наплавки (например, на поверхность лопаток) с получением необходимых свойств и химического состава и формы наплавленного валика. Такие лазерные установки появились в Москве и Санкт-Петербурге и других крупных центрах. Но себестоимость изготавливаемых деталей высока, а производительность невысокая. Метод применяется для изготовления изделий из цветных дорогостоящих сплавов, титановых и композитных деталей. Обычно установки продаются под конкретное производство и очень дорогие.
Более дешевая альтернатива метода прототипирования — лазерная наплавка с получением в поверхностном слое заданного комплекса свойств материала. Этот метод основан на отличии лазерного излучения от других источников нагрева. Дело в том, что световая энергия быстрее нагревает поверхность неметаллических материалов по сравнению с металлическими. Например, керамическая частица имеет оплавленную поверхность уже через несколько микросекунд облучения. Варьируя фракцией присадочного материала, подавляя негативные моменты разложения неметаллических частиц, можно добиваться формирования в поверхностном слое заданных структур и даже наплавлять металлокерамические материалы с высокой долей керамической фазы. Возможно получение свойств в поверхностном слое материалов, которые невозможно получить в наплавленном валике обычными методами наплавки. Какие задачи можно решать такой технологией? Приведем некоторые результаты, полученные автором.
Из рис. 2 видно, что структура металлокерамического материала, наплавленного по данной технологии, состоит из первичных и вторичных керамических частиц, полученных при взаимодействии с лазерным излучением. Частицы хорошо смочены. Дефектов нет. Наплавленный металлокерамический слой с долей керамической фазы более 65% обладает теплостойкостью до 1100°С, коррозионной стойкостью, абразивной стойкостью в 3 раза более высокой, чем подверженная улучшению сталь.

Рис. 2. Электронная микроскопия наплавленного металлокерамического поверхностного слоя

Рис. 3. Изменение химического состава по сечению зоны обработки на границе фаз металл – керамика

Рассмотрим изменение химического состава такого валика (рис. 3). Из рисунка видно наличие достаточно глубокой зоны перехода в частице и в теле матрицы, что свидетельствует о разложении частицы и обогащении ванны расплава элементами керамической частицы. Аналогичное распределение химических элементов со значительным усвоением продуктов распада керамической частицы идет и в другом случае (рис. 5).
Сравнительные характеристики износа наплавленных металлокерамических материалов представлены на рис. 4. Видно, что создание слоев с заданной структурой позволяет получить износостойкие материалы на поверхности трудноупрочняемых материалов. По сути, любой материал может стать износостойким благодаря такой наплавке.

Рис. 4. Износ исследуемых материалов с лазерной наплавкой поверхности и без упрочнения

Рис. 5. Распределение элементов вблизи границы сплавления керамики и металла

Распределение химических элементов на границе керамическая частица — матрица представлено на рис. 5.
Данные рис. 5 подтверждают получение материалов с высокими фрикционными свойствами. Фрикционные свойства с плавным регулированием коэффициента трения могут быть легко получены на поверхности целого ряда материалов.
При правильном использовании технологии и присадочных материалов возможно получение дешевых видов наплавки для решения разнообразных задач машиностроения. Механические свойства металлокерамических слоев приведены в табл. 1.
С помощью данной технологии возможно получение уникальных самосмазывающих слоев для деталей машиностроения на основе графита и дисульфида молибдена (рис. 7). Антифрикционнные свойства этого материала близки к свойствам покрытий из дисульфида молибдена.
Промышленные испытания переходников с металлокерамическими наплавками, выполненные с помощью лазерного луча, показали, что их ресурс увеличился в 4–5 раз. Испытания проведены при бурении горных пород на руднике «Каула-Котсельваара» [1].

Рис 6. Изменение коэффициента трения в зависимости от содержания окиси алюминия для композиции Бр-Графит-Аl2O3

Рис. 7. Микроструктура самосмазывающего наплавочного материала на основе дисульфида молибдена

Временное
сопротивление, МПа

Еще один пример применения металлокерамической наплавки. Детали лебедочных механизмов подвергаются интенсивному износу, что приводит к частому выходу из строя сухарей, из-за чего на судах необходимо иметь значительный запас этих деталей. Нагрузка на трущуюся пару составляет 6–8 МПа. Детали работают в среде морского тумана в условиях ограниченной смазки. На стенде сравнительным испытаниям подвергались сухари из бронзы БрОФ10-2 с необработанным и металлокерамическим поверхностными слоями в паре с винтом из стали марки 14Х17Н2. Установлено, что при длительности испытания 22 часа износ неупрочненной бронзы составил 100 мкм, а металлокерамический слой не показал видимого износа за 35 часов. И только за 114 часов износ последнего составил 100 мкм. Таким образом, работоспособность сухарей с металлокерамическим слоем увеличилась в 4,5 раза.
На основе этой технологии можно вводить и некоторые сверхтвердые материалы. С ее помощью можно решать любые задачи износостойкости, абразивостойкости, теплостойкости, фрикционнные и антифрикционнные задачи, применяя при этом дешевые материалы. По мнению авторов, такие лазерные наплавки, несомненно, получат широкое применение в машиностроении.
Поскольку сейчас мы находимся в той ситуации, когда внедрение таких технологий только начинается, важно знать возможности различных методов лазерной наплавки, а эффективность ее подтверждается практикой и большой материаловедческой и технологической работой.
В. О. Попов, «Лазертерм»
В. А. Красавчиков, С. Н. Смирнов СП «Лазертех»

Литература
1. Скрипченко А.И., Попов В. О., Кондратьев С. Ю. Возможности лазерного поверхностного модифицирования деталей машиностроения // РИТМ. — 2010. — № 6. — С. 23–29.

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум – 2019

Лазерная наплавка

  • Авторы
  • Файлы работы
  • Сертификаты

Наплавка процесс, при котором слой металла требуемого состава наносится на поверхность детали посредством сварки плавлением. При традиционных видах наплавки, таких как электродуговая и плазменная присадочной проволокой, подплавление основного металла и термическое воздействие на него значительны, что является существенным недостатком, так как все технологии стремятся к минимальному тепловому воздействию и минимальному перемешиванию основного материала с присадочным. Лазерная наплавка заключается в локальной подаче присадочного материала и кратковременном расплавлении материала основы. Высокая степень автоматизации управления процессом позволяет регулировать не только размеры расплавленных зон, но и термические циклы процесса .

Читайте также:
Нагартовка алюминия это

Лазерная наплавка заключается в нанесении порошковой смеси на изношенную поверхность детали и последующей ее обработки мощным излучением лазера. Обработка осуществляется с помощью светового излучения, создаваемого оптическим квантовым генератором (лазером) в результате воздействия специального источника возбуждения на рабочее вещество.

Представленная технология позволяет выполнять сварку и наплавку, поверхностную термическую обработку и упрочнение, резку и фигурный раскрой материалов и т. д.

Этот способ наплавки представляет собой технологический ме­тод получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами путем нанесения наплавочного материала (порошок, фольга, проволока и др.) с последующим оплавлением его лазер­ным лучом. Наименьших затрат энергии требуют порошковые ма­териалы.

К достоинствам способа можно отнести: локальность и скорость наплавки, исключающие разогрев детали и ее коробление и обеспечивающие сохранность исходной структуры основного материала, повышение ресурса восстановленных деталей до уровня новых и более. Процесс лазерной наплавки экономичен, поскольку имеет низкую энергоемкость, высокую производительность и незначительные потери наплавляемого материала. Дает возможность обрабатывать труднодоступные участки поверхности, а также детали сложной конфигурации. Принципиальная схема лазера приведена. Под воздействием источника возбуждения один или несколько квантов света (фотонов), пролетевших перпендикулярно плоскости зеркала, отразятся от него и полетят обратно, пронизывая пространство рабочего вещества. Тогда возбужденные атомы рабочего вещества, отдавая свою энергию, усилят проходящий световой поток. Часть его отразится обратно от полупрозрачного зеркала. Остальная часть потока, проходящая через стекло, фокусируется с помощью системы в пятно определенного размера, необходимого для технологических целей.

Лазерная наплавка поверхности металла – уникальный и наиболее эффективный метод наплавления износостойких покрытий. Выполняется с помощью лазерных систем нового поколения, работа которых основана на использовании мощного оптоволоконного лазера и специального сопла. Лазерный луч высокой мощности фокусируется на поверхности детали, создавая небольшую ванну расплава. В эту область подается металлический порошок, который расплавляясь, создает новый слой. Робот-манипулятор, выполняющий наплавку по заранее написанной программе, обеспечивает высочайшую точность и скорость процесса. Термическая деформация и перемешивание с основным материалом сведены к абсолютному минимуму в результате строго ограниченного участка нагрева и контролируемой мощности лазерного луча. В результате образуется полностью плотный наплавочный слой с отличным металлургическим сцеплением, чего невозможно добиться при других методах нанесения покрытий (хромирование, термическое распыление и т.д.).

Высокоэффективные лазерные технологии разработаны для защиты новых деталей от износа и коррозии, а также для восстановления изношенных и поврежденных деталей. Эта технология позволяет модифицировать, ремонтировать и продлевать срок службы критически важных частоизнашиваемых компонентов машин и механизмов, которые функционируют в высокоабразивных и коррозионных средах.

В зависимости от условий эксплуатации оборудования востребованы высокая эрозионная, кавитационная, коррозионная, износо-, жаростойкость и другие. От износостойкости рабочих поверхностей деталей различного оборудования и машин зависит срок их эксплуатации. Лазерная наплавка твердосплавных покрытий позволяет значительно увеличить ресурс любых механизмов. В случае обработки новых деталей наплавка позволяет значительно сэкономить на материале, так как отпадает необходимость изготовления изделия целиком из дорогого сплава.

По прочности и плотности, нанесенный при ремонте, восстановленный слой не уступает материалу, из которого было изготовлено изделие, а в случае специального подбора состава присадочного порошка значительно его превосходит, что положительно сказывается на сроке эксплуатации обработанной детали. В каждом отдельном случае применения лазера восстановительный процесс, условно, заключается в технологии нанесения объема материала или слоя покрытия.

Для лазерной наплавки можно использовать практически любые материалы и сплавы на основе титана, никеля, кобальта, нержавеющих сталей, жаропрочных и тугоплавких на основе вольфрама, молибдена и ниобия, сплавов на основе алюминия, меди и цинка.

Особенности лазерного излучения:

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад).

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2.

В зависимости от степени развития указанных явлений в материале различают несколько видов поверхностной лазерной обработки, возможность реализации которых определяется основном уровнем плотности мощности излучения.

Упрочнение без фазового перехода предполагает структурные изменения в материале при уровне плотности мощности излучения, не приводящем к расплавлению облученной зоны. При этом виде обработки сохраняется исходная шероховатость обрабатывающей поверхности. Быстрый локальный нагрев поверхности и последующее охлаждение за счет теплоотвода в массив материала приводят к образованию в поверхностном слое стали специфической высоко-дисперсной, слаботравящейся, дезориентированной в пространстве структуры, имеющей микротвердость, в 2—4 раза превышающую микротвердость основы (матрицы). При малых плотностях мощности, скоростях нагрева и охлаждения, не превышающих критических значений, может быть реализован режим отжига (отпуска) ранее закаленных материалов. Необходимость такой операции возникает, например, при изготовлении листовых пружин, отбортовке краев обоймы подшипника и т. п. Упрочнение с фазовым переходом предполагает плавление материала в облученной зоне. Этот вид упрочнения требует более высокой плотности мощности излучения, что позволяет добиться значительных глубин упрочненного слоя. Поверхность этого слоя имеет характерное для закалки из жидкого состоянии дендритное строение. Затем идет ЗТВ, а между ней и материалом основы расположена переходная зона. При данном виде поверхностной обработки, естественно, нарушается исходная шероховатость, что требует введения в технологический процесс изготовления изделия дополнительной финишной операции (шлифования).

Читайте также:
Лебедка автомобильная электрическая своими руками

При реализации рассмотренных видов обработки не требуется специальной среды, процесс проводится на воздухе. При этом возможна частичная диффузия составляющих воздуха в облученную зону.

При следующем виде поверхностной обработки — лазерном легировании для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твердая). В результате на обрабатываемой поверхности образуется новый сплав, отличный по составу и структуре от матричного материала

Преимущества лазерной наплавки

– возможность локальной обработки поверхности;

– отсутствие термических поводок, минимизация зоны термического влияния (ЗТВ);

– возможность обработки деталей больших габаритов благодаря высокой производительности наплавки;

– быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;

– образуемая ультрадисперсная структура покрытия эффективно противостоит процессам коррозии и эрозии;

– возможность обработки на нужную глубину;

– минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала.

Применение

Лазерная наплавка применяется в случае, если ЗТВ должна быть минимальной. Такой обработке подвергаются крестовины карданного вала (жесткий допуск на перпендикулярность осей) и рубашки вала (тонкостенная). Кроме того, лазерная наплавка может использоваться для обработки особо подверженных износу деталей с большими габаритами.

Послойная лазерная наплавка металлических порошков: аналитическая теория и эксперимент Текст научной статьи по специальности « Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Васильцов Виктор Владимирович, Галушкин Михаил Георгиевич, Ильичев Игорь Николаевич, Мисюров Александр Иванович, Панченко Владислав Яковлевич

Проанализирован энергетический баланс процесса лазерной наплавки порошков и проведено его сравнение с типичными экспериментальными данными. Показано, что значительная часть поглощаемой мощности лазерного излучения расходуется на испарение порошка. Изложена методика выбора и оптимизации технологических параметров для лазерной наплавки порошков . Установлено, что теплопроводность порошка может существенно увеличиваться при его плавлении вследствие последовательного образования термического контакта расплава с лежащим ниже слоем частиц. Определен диапазон значений числа Пекле, которые соответствуют эффективной лазерной наплавке порошков .

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Васильцов Виктор Владимирович, Галушкин Михаил Георгиевич, Ильичев Игорь Николаевич, Мисюров Александр Иванович, Панченко Владислав Яковлевич

Текст научной работы на тему «Послойная лазерная наплавка металлических порошков: аналитическая теория и эксперимент»

В. В. Васильцов, М. Г. Галушкин, И.Н. Ильичев, А.И. Мисюров, В.Я. Панченко

ПОСЛОЙНАЯ ЛАЗЕРНАЯ НАПЛАВКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ: АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Проанализирован энергетический баланс процесса лазерной наплавки порошков и проведено его сравнение с типичными экспериментальными данными. Показано, что значительная часть поглощаемой мощности лазерного излучения расходуется на испарение порошка. Изложена методика выбора и оптимизации технологических параметров для лазерной наплавки порошков. Установлено, что теплопроводность порошка может существенно увеличиваться при его плавлении вследствие последовательного образования термического контакта расплава с лежащим ниже слоем частиц. Определен диапазон значений числа Пекле, которые соответствуют эффективной лазерной наплавке порошков.

E-mail: v.vasiltsov@mail.ru, mga146@mail.ru, i.ilychev@mail.ru, amisiurov@yahoo.ru, panch@laser.ru

Ключевые слова: лазерные технологии, лазерная наплавка порошков,

энергетический баланс, процесс 3Б-синтеза.

Введение. Технология объемного (3D) синтеза с лазерной наплавкой металлических порошков (быстрого формообразования и прото-типирования) позволяет с высокой точностью создавать детали практически любой сложности. Особая роль этой технологии связана с ее назначением для изготовления функциональных изделий или с восстановлением их изношенных частей с хорошими прочностными свойствами [1—5]. Характеристики материалов изготовленных изделий — предел текучести, удлинение, ударная вязкость, удельная прочность — соответствуют более высоким требованиям, чем при традиционных технологиях. Особенно важно, что 3D-синтез с наплавкой металлических порошков позволяет быстро изменять состав материала путем внесения в расплав разных порошков. Это дает возможность разрабатывать гибридные или градиентные металлические композиты. Технология позволяет изготовлять детали с встроенными объектами. Детали также могут состоять из различных металлов, например медно-железный или медно-алюминиевый композит, где один материал полностью перекрывает другой, обеспечивая термостойкость, защиту от коррозии или от износа поверхности.

С учетом перечисленных причин разработкам технологии 3D-синтеза с лазерной наплавкой металлических порошков и ее внедрению в промышленность уделяется большое внимание. В настоящее время в ведущих индустриальных странах используются свыше нескольких тысяч технологических установок быстрого формообразования и прототипирования. Однако физика этих процессов ввиду их

сложности изучена пока не достаточно полно. Поэтому оптимизация параметров каждого типа установки осуществляется, в основном, эмпирическим способом.

В статье проанализирован энергетический баланс процесса лазерной наплавки порошков с нанесением их двумя способами: предварительным нанесением слоя порошка и с помощью дозатора (прямое нанесение металлов). При этом рассматриваются основные каналы затрат мощности поглощаемого излучения с учетом типичных опытных данных.

Метод послойного нанесения металлического порошка. Основой этой технологии является тепловое воздействие сканирующего пучка лазерного излучения на предварительно нанесенный слой. В таком случае важную роль играет теплопроводность порошка, которая может быть существенно ниже теплопроводности материала самих частиц вследствие воздушных пор между ними. В конечном счете воздушные поры между частицами во многом определяют теплопроводность металлических порошков [4, 5, 7]. Кроме того, теплопроводность материала зависит от температуры плавления. Причина заключается в том, что под воздействием излучения прежде всего расплавляются частицы верхнего слоя, на которые попадает прямое излучение. Образовавшийся расплав может заполнять воздушные поры и тем самым обеспечивать термический контакт жидкого металла с лежащим ниже слоем. Такой процесс продолжается последовательно до самого нижнего слоя частиц. В работе [8] исследовалось влияние течения жидкой фазы на теплопроводность порошка при спекании его с добавкой компонентов, имеющих низкую температуру плавления, когда сохраняется каркас из тугоплавких частиц. Однако вследствие наличия каркаса тугоплавких частиц расплав легкоплавких компонентов не может оказывать такое же сильное воздействие на теплопроводность порошка, как при плавлении всех его элементов.

В статье рассмотрен случай плавления монопорошка, поэтому принимается, что значение теплопроводности при его плавлении близко к значению теплопроводности для материала частиц.

Читайте также:
Монтаж трубопроводов из нержавеющей стали

Учет плавления также важен для вопросов моделирования поглощения лазерного излучения порошком. Для тонких пористых слоев порошка в некоторых работах вместо поверхностного источника тепловыделения рассмотрен объемный источник, как при распространении излучения в дисперсной поглощающей среде. Однако в условиях плавления порошка вследствие влияния расплава модель поверхностного источника тепловыделения может быть более адекватной реальным процессам поглощения.

Перейдем к рассмотрению энергетического баланса, который учитывает основные каналы расходования поглощаемой энергии лазерного излучения. К полезным затратам относится прежде всего мощность, требуемая для плавления валика порошка [5]

Рт = PodohV (СрТт + Нт),

где ро — плотность материала частиц; ёо — диаметр пучка лазерного излучения на поверхности порошка; к — толщина валика порошка; V — скорость сканирования пучка лазерного излучения (скорость наплавки); Ср — удельная теплоемкость; Тт, Нт — температура плавления и удельная энергия плавления материала частиц порошка.

Кроме мощности Рт, требуется мощность Рт для плавления или для достаточного нагрева верхней части лежащего ниже слоя, либо подложки (для первого слоя). Для оценки величины Рт используем линейную аппроксимацию распределения температуры по глубине. В принятом приближении мощность, расходуемая на обеспечение термической связи наплавляемого валика (часто называемого вектором) диметром ёо, находится как

Рт = 2Ро^(кт – к)СрТт, (2)

где кт – к = Ак — глубина проникания температурной волны вглубь лежащего ниже слоя, на поверхности которого температура равна Тт, причем

где х — температуропроводность; ^ — время воздействия. Учитывая приближенное равенство

Рт -1ТтCpPodoyjxdoV, (5)

где то — температура облучаемой поверхности наплавляемого слоя. Из (4) нетрудно найти, что

Тогда глубина термического воздействия на лежащий ниже слой или подложку (для первого слоя) становится минимальной, если температура поверхности наплавляемого слоя достигает температуры кипения Тv: То = Т7. Для То Н. (13)

Из (12) и (13) находятся значения числа Пекле, необходимые для эффективного наплавления порошков:

Соотношение (14) имеет большое значение для выбора скорости наплавки порошка и диаметра пучка лазерного излучения на его поверхности. Из (12) следует оценка толщины валика порошка

После определения скорости сканирования пучка лазерного излучения и толщины валика, из (11) можно найти мощность, расходуемую на испарение порошка, которое сопровождается удалением части его массы

и уменьшением толщины валика

пр0й2 п р0НУё0У

Уравнения (1), (2), (5), (8), (11) описывают энергетический баланс, а соотношения (13)—(15) приближенно отражают динамику нагрева. Указанные соотношения очень полезны для выбора параметров, их оптимизации и анализа процесса технологии объемной наплавки порошка, несмотря на то, что они не учитывают всех факторов, влияющих на этот технологический процесс.

Нанесение металлических порошков с помощью дозатора. Использование дозатора позволяет непосредственно наносить порошок в облучаемую зону сканирующего пучка лазерного излучения. Нагрев частиц начинается при их движении в пределах лазерного излучения и продолжается на облучаемой поверхности наплавляемого валика металлического порошка. Один из основных параметров дозатора — массовая скорость М’, т. е. масса порошка, исходящая в единицу времени из выходных отверстий дозатора. Сохранение массы описывается соотношением

каМ Чв = – кпР0^о Н0, (18)

где кд — коэффициент использования порошка, учитывающий расходимость его потока и другие технические факторы; кп — коэффициент пористости. С учетом характерного времени воздействия из (14) получаем формулу для толщины насыпаемого слоя порошка [5]

причем Но > Н вследствие усадки порошка при плавлении и его частичного испарения.

Для наплавления валика толщиной к мощности, расходуемые на плавление верхней части лежащего ниже слоя Рт , нагрев жидкой фазы Рн и испарение рV, можно оценить по (1), (2), (5), (8), (9) и (11).

Рассмотрим пример ориентировочного выбора технологических параметров для наплавки коррозионно-стойкой стали с предварительным нанесением слоя порошка для относительно малой мощности лазера Рт = 3о Вт и ёо = о,о1 см. Из условия эффективного теплового воздействия поверхностным лазерным источником (14) определяется скорость наплавки. Если V = 1о см/с, то толщина наплавляемого слоя к = о,о56 см. Далее по (1) вычисляется мощность для плавления валика высотой к и диаметром ёо со скоростью V = 1о м/с Рт = 5 Вт, а затем мощности Рт = 2,6 и Рн = 4 Вт. Мощность (11), расходуемая на испарение, составляет р = 3,4 Вт. Около 22 % поглощаемой мощности тратиться на испарение порошка, что может уменьшить толщину валика на Ак = о,оо1 см (см. (17)). Получаем следующие ожидаемые значения параметров: р = 3о Вт; ёо = о,ооб см; V = 1о см/с; к = о,о1 см.

Сравним расчетные данные с экспериментальными данными (в эксперименте эмпирическим методом были выбраны технологические параметры, обеспечивающие качественное наплавление валика порошка). В технологической установке использовался мощный многоканальный технологический СО2-лазер «Гибрид» со средней мощностью излучения до 2,5 кВт, разработанный в ИПЛИТ РАН, и дозатор [9]. Поток порошка из дозатора направлялся под углом 4о° к вертикально падающему пучку лазерного излучения и попадал в зону пятна излучения на поверхности порошка. Значения коэффициента использования порошка было близко к о,7. В экспериментах проводилась наплавка слоев (до нескольких десятков) из различных материалов, в том числе из никеля (никель 98,3 % и кобальт 2 %), вольфрама с использованием дозатора и молибдена (99 %) без использования дозатора способом предварительного нанесения слоя. Технологические параметры при наплавке слоев из порошка никеля: V = о,49 см/с; ёо = о,5 см; р = 2,5 кВт; к = о,о83 см. Для выбранных значений V и ёо число Пекле Ре = о,5 и находится в диапазоне допустимых значений (14). Из формулы (1) следует, что для наплавления валика порошка толщиной к = о,о83 см должна расходоваться мощность Рт = 175 Вт. По формуле (9) находим Рн = 52 Вт, а по (5) — Рт = 177 Вт. Затем для т]ь = о, 5 из (11) определяем мощность Pv = 847 Вт, а по (17) — уменьшение толщины наплавляемого валика порошка Ак = о,о77 см. При этом на испарение расходуется 67 % поглощаемой мощности лазерного излучения.

Читайте также:
Медные сплавы основные виды

Наплавка слоя вольфрама осуществлялась при значениях параметров: У = 1 см/с; ¿0 = 0,3 см; Рь = 1,5 кВт; Н = 0,0625 см. После проведения расчетов имеем Ре = 0,48, Рт = 220 Вт, РН = 56 Вт, РТ = = 332 Вт, РУ = 140 Вт, АН = 0,06 см. На испарение затрачивается около 11 % поглощаемой мощности излучения.

Порошок молибдена имел очень мелкую фракцию, поэтому он наплавлялся без дозатора, способом предварительного нанесения слоя. Эксперимент проводился при значениях параметров: У = 0,8 см/с; ¿0= 0,3 см; Рь =2 кВт. Толщина наплавленного валика порошка Н = 0,06 см.

Значение числа Пекле Ре = 0,23 соответствует ограничению (14) на этот важный параметр. Для использованных в эксперименте величин Н, У, ¿о и Рь получаем следующие значения мощности: Рт = 331 Вт; Рт = 123 Вт; РН = 31 Вт; Ру = 509 Вт. Тогда АН = 0,047 см. Следовательно, около 51 % поглощаемой мощности расходуется на испарение порошка.

В следующем эксперименте толщина Н = 0,03 см при ¿0 = 0,4 см, У = 1 см/с и Рь = 1,5 кВт. Аналогично получаем значения Ре = 0,38, Рт = 102 Вт, РТ = 570 Вт, РН = 30 Вт, Ру = 47 Вт и АН = 0,0025 см. В этих условия на испарение расходуется только 6 % поглощаемой мощности в предположение, что Пь = 0,5.

Проведенные расчеты подтверждают согласованность выбранных экспериментальным методом технологических параметров Рь, ¿0, Н и У. Кроме того, теоретический анализ приводит к выводу, что в процессе наплавки порошка происходит частичное его испарение. Визуально испарение наблюдается в виде светящегося факела паров, которое не является плазмой, так как для ее образования требуется значительно более высокая интенсивность излучения.

Следовательно, испарение является важным фактором для качественной наплавки. Пока можно только предположить, что его роль сводится к прессованию жидких капель порошка с помощью силы отдачи паров (значительная часть поглощаемой мощности излучения расходуется на испарение). Кроме того, при температуре кипения становится минимальной глубина термической связи между слоями. Был выполнен металлографический анализ полученных материалов. На рисунке показаны результаты измерения микроструктур образцов молибдена (99 %), никеля (98,3 %), кобальта (2 %) и вольфрама.

При наплавке порошком молибдена (часть а рисунка) формируется однородная структура, что в принципе должно обеспечивать высокие эксплутационные свойства. Изменение режима приводит к появлению пор в наплавленном металле.

Микроструктуры образцов из молибдена (а), никеля, кобальта (б) и вольфрама (в)

При наплавке порошком никеля формируется направленная ячеи-стодендритная структура, которая может обеспечить высокую коррозионную стойкость. Некоторые участки наплавленного металла имеют поры, что можно связано с неоптимальностью режимов прокалки присадочного порошка.

При наплавке порошка вольфрама в наплавленных слоях наблюдается структура, типичная для литого вольфрама. Неярко выраженная направленность структуры проявляется в зонах сплавления отдельных валиков.

Одной из особенностей теплофизических процессов в лазерной наплавке порошков является довольно значительные градиенты температуры по толщине наплавляемого слоя. При кристаллизации могут возникать термические напряжения вследствие изгиба слоя, поверхность которого в течение некоторого времени, пока выравнивается температура, становится выпуклой.

Выводы. Количественный анализ энергетического баланса процесса лазерной наплавки порошка и его сравнение с типичными экспериментальными данными показывает, что довольно значительная часть поглощаемой мощности расходуется на испарение порошка. С учетом этого фактора возможны выбор и оптимизация технологических параметров, а также более полное изучение физики самого процесса. Для эффективной наплавки необходимым условием является превышение числа Пекле определенного значения, зависящего только от температуры плавления и кипения материала частиц порошка.

1. Bourel D.L., Marcus H.L., Barlov J., Beamen J.J. // Int. J. Powder Metall. 1992. No. 28. — Р. 369.

2. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред.

B.Я. Панченко. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — С. 664.

3. Григорьянц А. Г., Мисюров А. И., Шиганов И. Н., Кротких А. Д. Исследование технологических особенностей лазерной объемной наплавки. Межд. конф. «Лучевые технологии и применение лазеров»: Труды. — СПб. — С. 137—142.

4. Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезо-структур и объемных изделий. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — С. 424.

5. Panchenko V.Ya., Golubev V.S., Vasiltsov V.V., Galushkin M.G., Ilyichev I.N. Technologies and Physical Mechanisms of Laser 3D Synthests of Mettallic Powder Materials // X International Conf. Laser and Laserinformation Technologies: Fundamental Problem and Applications”, ILLA’2009, VI International Simposium, Laser Technologies and Laser, LTL’2009 (2010), Published by OPTELA 4023 Plodiv, Bulgaria, March 2010. — P. 122—128.

6. Гусаров А. В., Ковалев Е. П. Эффективная теплопроводность свободно насыпанных и слабо спеченных порошков. Модель // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 1. — С. 70—82.

7. Физические особенности селективного лазерного спекания порошковых металл-полимерных композиций / А.М. Иванов, С.П. Котова, Н.Л. Куприянова и др. // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. № 5. — С. 433.

8. Zhang Yu., Faghri A. Melting and Solidification of a Subcooled Mixed Powder Bed with Moving Gaussian Heat Source. // J. Heat Trans. 1998. Vol. 120. — Р. 883.

9. Технологическая установка для процесса СЛС на базе мощного СО2-лазера / В.Я. Панченко, В.О. Александров, В.В. Васильцов, А.В. Григорьев и др. // Физика и химия обработки материалов. 2011. № 6. —

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: