Рассмотрены технологические основы, преимущества и недостатки импульсной лазерной наплавки.

Дата публикации: 12/02/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Сравнительный анализ технологии электродуговой наплавки штучными электродами и импульсной лазерной наплавки выполнили - д.т.н. Мелюков В. В., к.т.н. Чирков А. М., инж.Орехов А.В.
Приведены практические примеры эффективного применения технологии импульсной лазерной наплавки для восстановления изношенных деталей машин и механизмов, инструмента в различных отраслях машиностроения.
В настоящее время разработано много методов наплавки для восстановления изношенных деталей машин и механизмов и создания заданных функциональных свойств наплавленного слоя.
Каждый из существующих методов имеет свои преимущества и недостатки, которые характеризуются конкретными технико-экономическими показателями, определяющими эффективные области их применения.
Однако ни один из существующих методов наплавки не является универсальным, далеко не всегда функциональные свойства покрытий удовлетворяют современным техническим требованиям эксплуатации машин и механизмов, а технико-экономические показатели процессов соответствуют современным требованиям экономической эффективности технологических процессов. Особенно ярко эффективность технологий наплавки проявляется в функции ресурсосберегающих технологий, при восстановлении изношенных деталей машин и механизмов, особенно если наплавленные слои увеличивают ресурс и улучшают технико-экономические показатели работы оборудования.
К технологическим процессам наплавки предъявляются общие методологические требования, характерные для всех восстанавливаемых деталей:
• высокая производительность наплавочного процесса;
• высокое значение коэффициента использования присадочного (наплавляемого) материала;
• формирование наплавленного слоя с заданными функциональными (служебными) свойствами за один проход за счет минимального коэффициента перемешивания наплавляемого материала с основой;
• наплавленный слой не должен содержать дефектов (пор, раковин, несплошностей, трещин);
• хорошая адгезия наплавленного слоя с основой;
• сохранение геометрических размеров наплавленной детали в поле допуска;
• формирование поверхностного слоя с минимальными остаточными напряжениями;
• снижение себестоимости наплавочного процесса.
Наплавка является родственной технологией сварки плавлением.
Однако, несмотря на общность металлургических процессов, протекающих в зоне обработки, существует значительное различие между сваркой и наплавкой, заключающееся в том, что доля основного металла в объеме сварного шва при дуговой сварке составляет 70 - 80%.
При наплавке же требуется только незначительное сплавление наплавленного слоя с основным металлом.
С применением для наплавки концентрированных сварочных источников энергии (газового пламени, электрической дуги) требуемые функциональные (служебные) свойства достигаются только в третьем-пятом наплавленном слое за счет высокого значения коэффициента перемешивания наплавляемого материала с основой.
Электродуговая наплавка сварочной проволокой характеризуется долей основного металла в первом наплавочном валике (первом слое) до 70-80%, а также необходимостью переплавления предыдущего валика минимум на 1/3 для получения сплошности наносимого слоя и необходимых функциональных свойств наплавленного слоя в третьем-пятом слое.
Эти недостатки приводят к неоправданным дополнительным затратам электроэнергии, сварочных материалов и времени. Наряду со сваркой, высококонцентрированные источники энергии показали свою эффективность и при наплавке. Применение высококонцентрированных сварочных источников энергии для наплавки - электронного или лазерного луча - позволяет сформировать заданные служебные свойства наплавленного слоя за один проход.
Импульсную лазерную наплавку можно с успехом применять для устранения локальных (точечных) дефектов на поверхности изношенных или вновь изготавливаемых деталей. В настоящее время импульсную лазерную наплавку применяют в инструментальном, сварочном, литейном производствах. При всём многообразии существующих методов наплавки инженеру-технологу бывает сложно обосновать и выбрать метод восстановления изношенных поверхностей детали, так как это сопряжено с тщательным анализом технико-экономических показателей технологического цикла изготовления всего изделия и условий его эксплуатации.
Технологический процесс импульсной лазерной наплавки представляет собой одновременный подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки. Присадочный материал, расплавляясь под действием луча лазера, заполняет место дефекта.
Для предотвращения окисления расплавленного металла зону наплавки защищают инертными газами.
Присадочная проволока, подаваемая в зону наплавки, должна плотно прилегать к поверхности зоны дефекта для обеспечения наилучшего теплового контакта.
После импульсной лазерной наплавки требуется механическая обработка для придания поверхности необходимых геометрической формы, размеров и шероховатости.
Применяемые в настоящее время в промышленности технологии наплавки - микроплазменная и наплавка штучными электродами (широко используются для устранения локальных дефектов изношенных деталей) - не в полной мере удовлетворяют современным требованиям ремонтного производства.
По сравнению с электродуговыми методами импульсная лазерная наплавка обладает следующими преимуществами:
• луч лазера отличается высоким коэффициентом сосредоточенности сварочного источника энергии, диаметр сфокусированного луча в зоне наплавки равен 0,2-0,3 мм, что позволяет минимизировать объем расплава и соответственно, снизить тепловложение в обрабатываемую деталь;
• использование импульсного лазерного излучения, длительность которого составляет миллисекунды, позволяет получать минимальную ЗТВ, не превышающую нескольких десятков микрон;
• минимальные объем расплава и тепловложение в подвариваемые детали позволяют минимизировать продольные и поперечные деформации и тем самым сохранить прецизионные геометрические размеры детали в поле допуска;
• прецизионность наведения луча лазера, составляющая несколько десятков микрон, обеспечивается оптическими системами наведения. Локальность действия лазерного луча позволяет подваривать строго определенные геометрические участки детали, обеспечивая минимальный припуск на последующую механическую обработку, составляющий около 0,2 мм;
• так как при импульсной лазерной наплавке ЗТВ составляет несколько десятков микрон, подложка остается практически холодной, скорость охлаждения жидкой фазы расплава присадочного металла достигают 10² - 10³ °С/с, что реализует режим автозакалки и приводит к формированию чрезвычайно мелкодисперсной структуры, обеспечивающей повышенную износостойкость;
• так как твердость наплавленного металла находится на уровне твердости основного, а ЗТВ составляет несколько десятков микрон, то последующую термическую обработку после импульсной лазерной наплавки обычно не проводят;
• главным условием повышенной износостойкости наплавленных слоев (участков) является не только твердость, но также мелкодисперсная структура и благоприятное структурно-фазовое состояние.
Таким образом, высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность и кратковременность действия лазерного излучения обеспечивают наплавку строго определённых участков дефектных деталей. Кратковременность протекания процесса, длительность импульса лазерного излучения в несколько миллисекунд, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные размеры ЗТВ (несколько десятков микрон) и отсутствие поводок.
Применение лазерной наплавки позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта и соответственно его себестоимость за счет исключения из технологического цикла ремонта предварительного подогрева, последующей термической обработки и минимизации затрат на последующую механическую обработку.
Оснащение лазеров оптоволоконными системами доставки луча в зону наплавки открывает новые потенциальные возможности при ремонте - выполнять наплавку, не извлекая изношенной детали из машины или механизма.
Практически все принципиальные технологические различия электродуговой и импульсной лазерной наплавки являются следствием того, что дуга является концентрированным сварочным источником энергии, а луч лазера - высококонцентрированным источником энергии.
Плотность мощности электрической энергии в зоне обработки при дуговой наплавке составляют около 10² Вт/см², а при импульсной лазерной наплавке в режиме теплопроводности 10⁴-10⁵ Вт/см².
Высокая плотность мощности лазерного излучения обеспечивает высокую скорость нагрева в зоне плавления лучом лазера (10⁴-10⁵ °С/с), что минимизирует ЗТВ. Таким образом, по сравнению с электродуговой импульсная лазерная наплавка характеризуется минимальными объемом расплава, ЗТВ и, соответственно, существенно меньшими поперечными и продольными усадками.
После электродуговой наплавки припуск на последующую механическую обработку может достигать 2 мм, что дополнительно увеличивает трудоемкость процесса, а при импульсной лазерной наплавке - нескольких сотен микрометров. Применение электрической дуги в качестве источника энергии сопровождается её силовым воздействием на жидкую фазу расплава металла, в результате которого образуются дефекты, называемые подрезами.
В отличие от импульсной лазерной при электродуговой наплавке требуется предварительный и сопутствующий подогрев зоны наплавки, а также последующая термическая обработка. Еще один недостаток электродуговой наплавки - отклонение дуги вблизи металлической поверхности вследствие явления магнитного дутья, негативно сказывающегося на качестве процесса.
Низкий коэффициент сосредоточенности дугового сварочного источника энергии по сравнению с лазерным не позволяет выполнять наплавку с припусками на последующую механическую обработку ± 50 мкм и восстанавливать детали с прецизионными геометрическими размерами.
Поэтому в тех случаях, когда требуется быстро и с высокой точностью восстановить дефекты с небольшой наплавляемой массой, импульсная лазерная наплавка имеет неоспоримые преимущества перед электродуговой. В настоящее время применяют более 25 способов нанесения покрытий как на вновь изготавливаемые детали, так и на восстанавливаемые изношенные.
Большинство из них основано на наплавке с применением сварочных источников энергии. Инженеру-технологу не просто выбрать и обосновать свой выбор.
Эффективность выбранного способа наплавки и наплавочного материала определяется соотношением себестоимости наплавки и ресурса работы наплавленной детали.
В настоящее время импульсную лазерную наплавку широко применяют в автомобильной промышленности (ремонт пресс-форм), авиационной (восстановление изношенных деталей авиатехники), металлургической (устранение дефектов деталей, полученных методом литья), инструментальной (ремонт различной технологической оснастки) и т. д. Далее приведены некоторые примеры применения данной технологии.

Восстановление изношенных пресс-форм.
Пресс-формы являются самым дорогим видом формообразующего инструмента.
В процессе эксплуатации пресс-форм происходит их износ. Устраняемые дефекты: задиры, забоины, глубокие царапины, поры, трещины, места адгезионного схватывания, места (площадки) заниженных рабочих поверхностей, возникающие в процессе изготовления и при эксплуатации пресс-форм. Применение импульсной лазерной наплавки позволяет в несколько раз снизить себестоимость и длительность ремонта за счет отказа от предварительного подогрева, последующей термической обработки, снятия покрытия из хрома и его последующего нанесения, минимальной последующей механической обработки.
Точная дозировка энергии импульса лазерного излучения, локальность воздействия, минимальное время действия лазерного излучения обеспечивают минимальное тепловложение и позволяют сохранить геометрические размеры пресс-форм. Применение световолоконных систем доставки лазерного излучения к месту дефекта длиной в несколько метров позволяет производить ремонт пресс-форм сложной геометрической формы и неограниченных размеров.
Вследствие адгезионного схватывания в процессе эксплуатации хромированных пресс-форм могут возникать различные дефекты - разгарные трещины, отслаивание и «вырыв» хромированного покрытия. Условно эти дефекты можно подразделить на два типа: дефекты покрытия, не достигшие основного материала пресс-формы и дефекты, достигшие основного материала пресс-формы и продолжающиеся в нем на некоторой глубине. При ремонте пресс-форм с покрытиями из хрома толщина данного покрытия должна быть не более 20 мкм. Покрытие, отслоившееся от подложки в месте дефекта, необходимо удалить.
Перед импульсной лазерной наплавкой расхромирование поверхности пресс-форм не производится. Дефекты обоих типов устраняют импульсной лазерной наплавкой с использованием в качестве присадочного материала электролитического хрома.
Микротвердость поверхности наплавленного слоя (370-500 НV) сравнима с микротвердостью хромового покрытия (470 НV), что обеспечивает ресурс работы наплавленного слоя на уровне новой пресс-формы.
Хромированные пресс-формы, применяемые для производства резинотехнических изделий и литья пластмасс, независимо от стали, из которой они изготовлены, обычно подваривают проволокой из коррозионно-стойкой стали, при этом снятие хромированного покрытия и последующее хромирование после лазерной наплавки не требуются.
При наличии на хромированной пресс-форме дефектов (адгезионное схватывание, разгарные трещины и др.) хромированное покрытие, находящееся вблизи дефекта может отслаиваться от пресс-формы, поэтому перед лазерной на-плавкой его необходимо также зачистить.

Восстановление изношенных протяжек.
Одним из самых дорогих прецизионных видов режущего инструмента являются протяжки. Стоимость одной протяжки может доходить до нескольких тысяч долларов. Между тем износ режущих зубьев протяжки составляет всего несколько десятков микрон, а калибрующих зубьев - несколько микрон.
В инструментальной практике протяжку принято перетачивать на другой типоразмер, так как до последнего времени не существовало надежной технологии, позволяющей восстанавливать изношенные поверхности протяжки с твердостью наплавленного слоя на уровне 60 НКС при сохранении ее геометрических размеров в микронном поле допуска.
В связи с разработкой технологии импульсной лазерной наплавки с применением твердотельных импульсных лазеров появились новые технологические возможности восстановления изношенных протяжек.

Восстановление изношенных лопаток авиационных турбин.
Импульсную лазерную наплавку можно применять для восстановления изношенных лопаток авиационных турбин, турбин гидроэлектростанций, газоперекачивающих станций, тепловых электростанций и морских турбин. Повреждение лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) в процессе эксплуатации - основная причина досрочного снятия большого числа двигателей, что связано с появлением точечных и локальных дефектов в результате попадания посторонних предметов, льда и аэрозолей.
В процессе анализа повреждаемости узлов и элементов авиационной техники установлено, что около 70% их общего числа составляют детали с поверхностными дефектами глубиной 0,4-2,0 мм, что легко поддается ремонту импульсной лазерной наплавкой.
В настоящее время данные дефекты устраняют электронно-лучевой или электродуговой наплавкой, что имеет определенные технологические и экономические недостатки.

Восстановление изношенных лопаток газоперекачивающих агрегатов.
В процессе эксплуатации лопаток турбин газоперекачивающих агрегатов коэффициент компрессии снижается вследствие износа торца пера лопатки.
Существующая в настоящее время технология ремонта лопаток электродуговой наплавкой не удовлетворяет современным технико-экономическим требованиям.
Разработанная технология восстановления лопаток импульсной лазерной наплавкой позволяет в значительной мере устранить недостатки, присущие электродуговой наплавке и получить значительный экономический эффект.
Технология импульсной лазерной наплавки при ремонте торца пера лопатки позволяет устранить трудоемкие технологические операции снятия (и установки) лопаток с диска вала и статора турбины для отправки их на ремонтный завод, т. е. выполнять ремонт непосредственно на газоперекачивающей станции без демонтажа лопатки; значительно снизить объем механической обработки после наплавки (шлифовки, зачистки, подгонки), а также исключить термическую обработку до и после наплавки лопаток.

Устранение трещин в сварных соединениях.
Импульсную лазерную наплавку можно использовать для устранения горячих и холодных несквозных трещин, образующихся при дуговой сварке штучными электродами или эксплуатации паротрубопроводов различных конструкций. Подварка (наплавка) несквозных трещин с использованием импульсного лазерного излучения длительностью несколько миллисекунд позволяет реализовать так называемый «холодный» режим импульсной лазерной наплавки, при котором не происходит разогрева ОШЗ, что позволяет сохранить механическую прочность сварного соединения и избежать отпуска металла шва.
При этом размер ЗТВ не превышает нескольких десятков микрон (обычно меньше 20 мкм).
Структура зоны наплавки более благоприятна с точки зрения механической прочности, последующей термической обработки металла шва не требуется.

Восстановление ленточных пил, имеющих дефекты в виде трещин.
В процессе эксплуатации ленточных пил для деревообработки в них возникают и развиваются трещины, делающие пилы непригодным для дальнейшей эксплуатации. Технология импульсной лазерной наплавки позволяет производить ремонт ленточных пил, предусматривающий «блокировку» распространения трещины в пиле и наведение с высокой точностью лазерного луча на место дефекта (локальность действия лазерного излучения позволяет подваривать строго определенные участки пилы).
Кратковременность протекания процесса импульсной лазерной подварки (длительность импульса лазерного излучения составляет несколько миллисекунд) и точная дозировка энергии обеспечивают получение минимальной ЗТВ и отсутствие поводок.
Решение о восстановлении ленточных пил с применением технологии импульсной лазерной наплавки следует принимать после всестороннего технико-экономического анализа, включающего учет затрат на блокировку трещины, подготовку кромок под наплавку, собственно наплавку (с учетом расхода присадочного материала) и последующую механическую обработку.
Приведенные примеры использования луча лазера при наплавке металла показывают, что существуют объективные предпосылки расширения областей его применения в машиностроительном комплексе Российской Федерации.

Источник: «Сварка и диагностика», 2009, № 5, с.41-46 / svarkainfo.ru/rus/naks

Статьи по теме: