Лазерная наплавка поверхности металла

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.

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.

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.

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.

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

Лазерная наплавка — метод нанесения материала при помощи лазерного луча, использующегося для создания ванны расплава, куда подается материал. В качестве присадки могут использоваться как порошки, так и проволоки.

Технология[ | ]

Современное оборудование для лазерной наплавки, в основном, оснащается диодными или оптоволоконными лазерными источниками. Помимо этого существуют газовые и другие источники, также используемые для наплавки. Диодные лазер более всего подходят к процессу наплавки, т.к. плотность распределения энергии в фокусной точке наиболее равномерно.

Лазерная наплавка по характеру излучения бывает:

1. Непрерывным лазером
2. Импульсным лазером

Существует проволочная и порошковая лазерная наплавка. Лазерном сканирование поверхности с преднанесенным покрытием называется лазерным оплавлением.

Существуют следующие способы подачи материала:

• Коаксиальная
• Радиальная
• Латеральная

Для лазерной наплавки применимы типы лазеров, генерирующих длину волны в диапазоне 0,9-1,3 мкм, т.к. в этом диапазоне у большинства чистых металлов и сплавов степень адсорбции излучения оптимальна.

1. Оптоволоконные
2. Диодные лазеры
3. Аллюмо-иттриевые (YB:YAG)

Лазерная наплавка на запорную арматуру

Наплавка непрерывным лазером

Непрерывная наплавка характеризуется большей производительностью. Минимальные тепловложения лазерной наплавки перед другими технологиями наплавки и сварки позволяют обрабатывать даже трудносвариваемые материалы. Среднее значение зоны перемешивания материала наплавки с основой составляет 10-30 мкм, в зависимости от режимов наплавки. Толщина наплавки за один проход варьируется от 0,3-3 мм.

Сегодня существуют оптические системы, позволяющие наплавлять как внешние, так и внутренние поверхности. Принципиальным отличием систем для внутренней наплавки является наличие призмы или зеркал поворачивающих поток световой энергии.

Основными потребителями технологий лазерной наплавки являются: нефтегазовая отрасль, металлургия, судостроение, гипсоцементной[1] промышленности.

Наплавка импульсным лазером

Импульсный лазер отличается большой пиковой мощностью, работа по наплавке идёт вручную, в основном проволокой, или с помощью роботизированных систем (проволочная или порошковая). Материал подается в ванну расплава.

Пример роботизированной импульсной лазерной наплавки

При ручной наплавке наблюдая процесс под микроскопом с увеличением 10-16 крат. В окуляре микроскопа находится перекрестие, по которому выставлятся лазерный луч, поэтому оператор всегда знает куда попадёт следующий импульс.

Используемые диаметры сфокусированного луча лазера варьируется в пределах от 0,2 — 2,5 мм, в зависимости от диаметра подаваемой присадки (d пятна должен быть в 1,5-2 раза больше диаметра присадки, для перемешивания присадки с наплавляемой поверхностью), что позволяет минимизировать объёмы расплава и соответственно уменьшить тепловложения в обрабатываемый материал. В зону наплавки подаётся инертный газ, предохраняющий ванну расплава от доступа кислорода. Ручная наплавка, в основном, применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. Чаще всего используется для восстановления повреждённых деталей машин и пресс-форм. Поскольку процесс по сути является сваркой с присадкой наплавка идёт во время сварки некоторых деталей.

Роботизированная импульсная наплавка чаще применяется для новых изделий, т.к. позволяет снизить трещинообразование наплавляемого слоя, благодаря уменьшению теплового воздействия на деталь.

Преимущества лазерной наплавки[ | ]

• Дозируемая энергия;
• Возможность локальной обработки поверхности;
• Отсутствие термических поводок, минимизация зоны термического влияния;
• возможность обработки деталей больших габаритов с большим расходом наплавляемого вещества;
• Быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;
• Возможность модификации поверхности;
• Высокая степень адгезии наплавляемого материала при небольшом перемешивании с основой..

Применение[ | ]

Лазерная наплавка получила широкое распространение в промышленности. Наиболее известные применения это — восстановление повреждённых поверхностей различных деталей машин, пресс-форм и фильер. Второе применение это — модификация поверхностности.

Присадочные материалы могут отличаться по химическому составу от основы и иметь другие свойства. Таким образом упрочняют износившиеся кромки штампов, наплавляя более твёрдый материал. Более новое применение это прототипирование деталей.

Например, 3d принтер, печатающий металлическим порошком, по сути сплавляет между собой слои порошка.

1. ↑ Применение лазерных технологий для гипсовых производств

Источники[ | ]