Лазерная импульсная наплавка

1.

Лазерная импульсная наплавка
Существующие технологии наплавки, которые широко используются в
инструментальном производстве (электроискровой и микроплазменный
методы, наплавка штучными электродами) не в полной мере удовлетворяют
современным требованиям ремонтного производства.
Луч импульсного лазера обладает наибольшим коэффициентом
сосредоточенности сварочного источника энергии, поэтому диаметр
сфокусированного луча лазера d составляет 0,2¸0,3 мм, что позволяет
минимизировать объемы расплава и соответственно уменьшить
тепловложения в обрабатываемый материал.
Восстановление пресс-форм

2.

Использование импульсного лазерного излучения, длительность которого
составляет миллисекунды, позволяет получать минимальные зоны термического
влияния, которые не превышают нескольких десятков микрон. Минимальные
объемы расплава и минимальные тепловложения в подвариваемый инструмент
позволяют сократить продольные и поперечные деформации и тем самым
сохранить прецизионные размеры подвариваемого инструмента в поле допуска
несколько микрон. Точность наведения и локальность действия луча лазера
позволяет подваривать строго определенные геометрические участки детали,
обеспечивая минимальный припуск на механическую обработку, который
составляет 0,2…0,5 мм. Так как при импульсной лазерной наплавке зоны
термического влияния очень малы, подложка остается практически холодной, а
скорость охлаждения жидкой фазы расплава металла достигает
102¸103 град/сек. В этих условиях имеет место процесс автозакалки, который
приводит к формированию чрезвычайно мелкодисперсной структуры,
обладающей повышенной износостойкостью.

3.

Сравнительный анализ технологии наплавки штучными электродами и
импульсной лазерной наплавки.
Практически все принципиальные технические различия технологии
электродуговой наплавки и импульсной лазерной наплавки являются
следствием того, что дуга является концентрированным сварочным
источником энергии, а луч лазера – высококонцентрированным источником
энергии. Коэффициент сосредоточенности электрической дуги равен
примерно 1,0 х 101 см-2, эффективный радиус его теплового источника » 3,0 х
10-1 см, луча лазера соответственно » 3,0 х 106 см-2 и 6,0 х 104 см. Плотности мощности создаваемые в зоне обработки при дуговой
наплавке составляют ~ 102 Вт/см2, а при импульсной лазерной наплавке, в
режиме теплопроводности, 104¸105 Вт/см2, столь большое различие приводит
к скорости нагрева в зоне плавления лучом лазера 104¸105 град/сек, что
минимизирует зоны термического влияния.

4.

Таким образом, импульсная лазерная наплавка по сравнению с
электродуговой наплавкой характеризуется минимальными объемами
расплава, зонами термического влияния и соответственно существенно
меньшими поперечными и продольными усадками.
После электродуговой наплавки припуски на последующую механическую
обработку могут достигать нескольких мм, что вызывает необходимость
последующей обработки.
Использование в качестве источника энергии электрической дуги
сопровождается её силовым действием на жидкую фазу расплава металла в
результате образуются подрезы, которые не возникают при лазерной
наплавке.
Электродуговая наплавка требует предварительного и сопутствующего
подогрева мест наплавки и последующей термообработки, в отличие от
импульсной лазерной.
Сравнительный анализ наплавки электрической дугой и твердотельным
импульсным лазером с длиной волны l = 1,06 мкм приведен в таблице.

5.

№
Техническая характеристика
метода подварки
ДУГА)
Луч лазера
(l = 1,06 мкм)
1
Эффективный радиус
теплового источника нагрева
2-3 мм
0,2; 0,3 мм
2
Зоны термического влияния
До нескольких мм
Несколько
десятков мкм
3
Поперечные и продольные
деформации
+
-
4
Подрезы
+
-
5
Предварительный и
сопутствующий подогрев
+
-
6
Последующая термическая
обработка
+
-

6.

Электродугова Лазерная
я наплавка
наплавка
штучными
электродами
Преимущества
лазерной
наплавки
Исключается
применение
подогрева или
термообработк
и, как перед
наплавкой, так
и после

7.

Основные преимущества лазерной наплавки по сравнению с
электродуговой наплавкой штучными электродами.
Электродуговая наплавка
штучными электродами
Лазерная наплавка
Исключается применение подогрева или термообработки, как перед
наплавкой, так и после

8.

Отсутствие подрезов
·
Величина припуска на последующую механическую обработку
после наплавки значительно меньше (С2<C1 в 2…3 раза, В2<В1 в
0,5…2 раза).

9.

Меньше зона термического влияния (К2<К1 в 10¸100
раз).
·
Твёрдость наплавленного слоя на уровне
твёрдости основного материала

10.

ВОСТАНОВЛЕНИЕ ПРЕСС ФОРМ
Технология лазерной наплавки может быть использована для восстановления
изношенных пресс-форм, штампов и устранения различных дефектов,
образующихся в процессе изготовления пресс-форм и штампов. Виды дефектов,
устраняемые с помощью лазерной наплавки: места пробы на твёрдость HRC,
трещины, забоины, задиры, раковины и поры, разгарные трещины, места
адгезионного схватывания.
Технологический процесс лазерной наплавки представляет собой одновременный
подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки в среде
инертных газов. Присадочный материал, расплавляясь, заполняет место дефекта.
После лазерной наплавки требуется минимальная, по сравнению с
традиционными методами наплавки, механическая обработка.

11.

Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность
действия лазерного излучения позволяет наплавлять строго определённые
участки дефектных деталей. Кратковременность протекания процесса,
длительность импульса лазерного излучения составляет несколько
миллисекунд, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные
зоны термического влияния и отсутствие поводок. Лазерная наплавка позволяет
значительно снизить трудоемкость ремонта оснастки и, как следствие,
себестоимость за счет исключения из процесса предварительного подогрева,
последующей термообработки, необходимости снятия хромистого покрытия с
поверхности и последующего его нанесения, если пресс-форма хромированная
Рис. 1. Функциональная схема
техпроцесса импульсной лазерной
наплавки

12.

Для предотвращения окисления расплавленного металла зону наплавки
защищают инертными газами, например смесью аргона с гелием.
Для наплавки крупногабаритных пресс-форм (длиной до нескольких метров)
используют твердотельные лазерные установки оснащенные световолоконными
оптическими системами

13.

В качестве примера успешного промышленного применения технологии
импульсной лазерной наплавки можно привести
фирму O.R. LasertechnobogieGmbH (Германия) специализирующуюся на
восстановлении изношенных прессформ для автомобильной, резинотехнической, холодильной, стекольной, металлургической и других
отраслей промышленности рис. 4.
Восстановленные с использованием технологии импульсной лазерной
наплавки пресс-формы.
Ресурс работы восстановленных пресс-форм, с использованием
технологии импульсной лазерной наплавки, как показали
производственные испытания, находятся на уровне новых.

14.

Заварка горячих и холодных трещин.
Разработана технология устранения дефектов в виде горячих и холодных
несквозных трещин, образующихся при электродуговой сварке штучными
электродами, с использованием импульсного лазерного излучения
твердотельных лазеров на YAG
Схема расположения трещины в околошовной зоне схематично показана на рис.
1. Внешний вид трещины заваренной с использованием технологии импульсной
лазерной наплавки показана на рис. 2.
Заварка несквозных трещин с использованием импульсного лазерного излучения
позволяет реализовать, так называемый, «холодный» режим сварки, при котором
не происходит разогрев сварного шва и ремонтируемой зоны, что позволяет
сохранить механическую прочность сварного соединения и избежать отпуска шва.
Использование световолоконной системы длиной несколько метров позволяет
производить ремонт в самых труднодоступных по геометрии местах.
Данную технологию можно использовать для устранения различных дефектов
образующихся при электродуговой сварке – трещин, как холодных так и горячих,
раковин, кратеров, свищей, подрезов.
Ремонт трещин производился на твердотельном технологическом лазере модели

15.

Заварка несквозных трещин с использованием импульсного лазерного
излучения позволяет реализовать, так называемый, «холодный» режим
сварки, при котором не происходит разогрев сварного шва и
ремонтируемой зоны, что позволяет сохранить механическую прочность
сварного соединения и избежать отпуска шва.
Использование световолоконной системы длиной несколько метров
позволяет производить ремонт в самых труднодоступных по геометрии
местах.

16.

Восстановление протяжек.
В инструментальном производстве протяжки являются одним из самых
дорогих видов инструмента, поэтому задача восстановления протяжек
подвергшихся износу в процессе эксплуатации является экономически
очень эффективной
Точная дозировка энергии импульсного лазерного излучения обеспечивает
минимальное тепловложение, что обеспечивает сохранение геометрических
размеров калибрующих зубьев в поле допуска, составляющего несколько
микрон.
Ресурс работы наплавленного слоя металла находится на уровне новой
протяжки

17.

Восстановление ленточных пил.
В процессе эксплуатации ленточных пил для деревообработки в них возникают и
развиваются трещины, которые делают непригодным использование пилы для
дальнейшей эксплуатации (рис.1).
Суть технологии состоит в следующем:
• Технология предусматривает «блокировку» распространения трещины в
пиле;
• Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта,

18.

Кратковременность протекания процесса импульсной лазерной подварки, а
также точная дозировка энергии обеспечивает минимальные зоны
термического влияния и отсутствие поводок (рис. 2