XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

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.

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).

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

- дозируемая энергия;

- 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.

Код для цитирования: Скопировать