Новости

Выполнен анализ современного состояния и тенденций промышленной лазерной наплавки.

Дата публикации: 04/11/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Специалистами ИМАШ РАН им.А.А.Благонравова дан обзор современного состояния и тенденций развития промышленного применения лазерной наплавки.
Рассмотрены лазерные источники энергии, системы транспортировки и фокусировки излучения, наплавочные материалы, лазерное оборудование.

Лазерная наплавка - высокоэнергетическая и высокопроизводительная технология, при которой наплавочный (присадочный) материал тем или иным способом депонирован на поверхности образца или детали и затем оплавлен лазерным излучением высокой мощности.
Лазерная наплавка - процесс, идеально подходящий как для создания совершенно новой поверхности, так и восстановления поврежденных или изношенных поверхностей.
Технология позволяет получить 100%-ное металлургическое соединение при минимальном оплавлении основы и благодаря своим достоинствам ее применяют во многих отраслях промышленности, в том числе аэрокосмической, автомобильной, судовой, нефтегазовой, транспортной, энергетической и др. Убедительные результаты работ по лазерной наплавке хромоникелевых и железохромоникелевых порошков, полученные в 1980-е годы в России, положили основу понимания процесса и его основных закономерностей.
Удачно разработанный подход, подобранные материалы и сопряжения, а также системный подход позволили провести промышленное внедрение в основном с использованием субкиловаттных СО2-лазеров российского производства. В основном промышленное внедрение процессов лазерной порошковой наплавки произведено для восстановления тяжелонагруженных деталей сложной формы автомобилей и сельскохозяйственной техники.
Хорошо отработанные методики и высокая повторяемость результатов были гарантией масштабирования технологии на другие отрасли промышленности, другие типы деталей и материалов, а также более высокие уровни мощности излучения и другие типы лазеров.
Кроме собственно лазерной наплавки и легирования, предложены и опробованы гибридные технологии, включающие предварительное газопламенное и плазменное напыление покрытий с последующим их оплавлением лазерным лучом. Однако отсутствие в тот период надежных и компактных, легко автоматизируемых технологических лазеров не позволило развить многообещающие разработки.
В начале 2000-х годов с появлением новых поколений мощных, малогабаритных и менее дорогих в эксплуатации технологических лазеров начал проявляться интерес к лазерной наплавке.

Уникальные возможности лазерной наплавки создают процессы обработки деталей с уменьшенным термическим влиянием и более мелкой зернистой структурой получаемых материалов по сравнению с традиционной сваркой.
Основы лазерной наплавки включают понимание свойств лазерного излучения, его взаимодействия с веществом, а также некоторые другие важные компоненты, создающие систему лазерной наплавки и влияющие на металлургические параметры процесса.
Для осуществления процесса лазерной наплавки используют пучок излучения высокой плотности энергии, достаточной для создания ванны расплава в материале основы для металлургической связи с материалом наплавки.

Недостатками лазерной наплавки в определенных приложениях являются довольно низкая производительность и сравнительно высокая эксплуатационная стоимость.
Как следствие, потенциал технологии развивается недостаточно быстро.
Перспективным направлением в лазерной наплавке является исследование технологий, где лазерная наплавка комбинируется с эффективными методами напыления, наплавки и нагрева — так называемые гибридные технологии. Многообещающим представляется сочетание лазерной наплавки и одновременного индукционного нагрева. Такая технология является удачным решением в тех случаях, когда требуется твердость до 65 НRС с минимумом трещинообразования в металлических покрытиях или покрытиях с содержанием частиц карбидов более 75 % (например, керамические покрытия лопаток турбин, покрытия форм для металла при наплавке порошков на основе никеля и др.).
Скорость наплавки в этом случае достигает 10 м/мин. Сочетание лазерной наплавки с предварительным индукционным подогревом позволяет увеличить производительность наплавки до 8 раз по сравнению с СО2-лазерной наплавкой. Комбинированная технология повышает стабильность процесса в особенности для больших деталей, где обработка занимает значительное время и остывание поверхности играет существенную роль.
Например, в настоящее время во Фраунгоферовом лазерном центре (Плимут, шт. Мичиган) и его филиале в Дрездене (Германия) исследуют гибридные технологии, где лазерная наплавка комбинируется с индукционным подогревом (предварительным) или плазменными сварочными технологиями для увеличения производительности и повышения качества наплавки.
Комбинированная технология не только может сочетать достоинства составляющих методов, но и обладает более высокой производительностью при минимальном расходе порошковых материалов на аналогичную площадь (длину) наплавки.
Выявлены существенные перспективы гибридных технологий подобного рода, которые с экономической точки зрения имеют неоспоримые достоинства: уменьшение стоимости наплавочных порошков благодаря экономичности наплавки (отсутствию перерасхода при напылении); увеличение производительности наплавки; повышение скорости наплавки (уменьшено машинное время и, соответственно, стоимость оборудования); более эффективное использование лазерной энергии (благодаря плазменному подогреву и минимальным потерям на теплоотвод). При наплавке значительных площадей вспомогательное плазменное напыление при одновременном оплавлении покрытия лазерным лучом способствует высоким производительности процесса и плотности покрытий, а также металлургическому характеру полученных слоев.
Более того, результаты исследования показали, что последовательная комбинация лазерной и плазменной наплавки является весьма многообещающей при производстве точных деталей.
В таком процессе лазерный луч производит точную наплавку по контуру детали, а плазменная головка эффективно заполняет внутренний объем.

Лазерная наплавка предлагает новые возможности при восстановлении деталей.
Очень часто эти подходы оказываются единственно возможными и экономически эффективными.
Лазерная наплавка новых изделий может привести к улучшенным механическим характеристикам, например повышенной износостойкости.
Благодаря многочисленным исследованиям и внедрению процесса и поступлению новых данных о реальных возможностях применения лазерной наплавки, включая прецизионное нанесение покрытий, количество приложений технологии лазерной наплавки, скорее всего, будет быстро расти со временем. Рост популярности может быть интенсифицирован благодаря снижающейся стоимости технологических лазеров и разработке методов и приборов точного контроля геометрии лазерного пятна и распределения теплового поля. Большое количество исследований новых материалов для лазерной наплавки предполагает усиление акцента на разработку процессов наплавки для более широкой гаммы сплавов.
Достижения в этих областях в свою очередь могут привести к еще большей гибкости процесса лазерной наплавки. При правильном сочетании типа и мощности лазера, лазерной оптики и параметров процесса количество приложений лазерной наплавки необыкновенно велико.
Применение новейших технологий всегда связано с риском. Однако успех гарантирован, если внедренная технология выполняет функцию, которую ни один другой процесс не в состоянии предоставить.

Источник: «Сварочное производство», 2009, №9, с.32-42 , www.mashin.ru

Статьи по теме:

страницы: 1