Лазерная наплавка

лазерная наплавка

В настоящее время в технологии лазерной наплавки металла применяют в основном три метода сканирования луча: вращением оптических барабанов (призм), перемещением фокусирующих элементов и колебанием зеркал.

Преимущество первого метода состоит в том, что он обеспечивает постоянство скорости перемещения луча в воне обработки в широких пределах частоты и амплитуды сканирования. При этом в зоне обработки создается равномерное распределение плотности мощности. Однако для реальных значений диаметра исходного луча и амплитуды колебаний этот метод скандирования требует применения барабанов (призм) весьма большого диаметра, что усложняет изготовление технологической оснастки и затрудняет доступ к зоне обработки.

Более просто осуществляется синусоидальное сканирование луча путем колебания зеркал. Недостаток этого способа заключается в том, что обрабатываемый материал вблизи точек изменения направления движения луча перегревается. При наплавке тонких (менее 0,5 мм) и относительно широких (более 8 мм) валиков это приводит к излишним затратам энергии и часто к снижению качества наплавки. В частности, может наблюдаться либо повышенное разбавление наплавленного металла материалом основы по краям валика, либо неоплавление наплавочного и основного материалов в нейтральной части валика. Указанные недостатки частично устраняются при сканировании луча по круговой траектории [7] . Однако в этом случае за счет распределения энергии по большой площади ограничена ширина валиков. Распределение энерговклада по ширине трека аналогично получаемому при поперечных синусоидальных колебаниях луча.

Лазерная наплавка методом сканирования луча

По-видимому, наиболее перспективным является метод сканирования лазерного луча колебанием зеркал при условии создания оптимального распределения плотности мощности излучения в зоне обработки, что могло бы осуществляться заданием определенного закона перемещения луча, модуляцией мощности луча в соответствии с частотой его перемещения и требуемой формы распределения плотности мощности в зоне обработки .

Примерами решения задачи обеспечения заданного закона перемещения луча могут служить резонансные сканаторы, обеспечивающие пилообразный ход луча [9], и устройства, осуществляющие модуляцию амплитуды синусоидальных колебаний луча . Однако эти решения имеют следующие недостатки: сложность реализации, ограниченность по частоте и амплитуде скандирования и формы распределения плотности мощности в зоне обработки.

Трудности, связанные о осуществлением глубокой высокочастотной модуляции выходной мощности лазеров, пока не позволяют реализовать этот метод для промышленной технологии лазерной обработки сканирующим лучом.

Во ВНИИЗСО создан сканатор лазерного излучения, позволяющий управлять формой распределения плотности мощности в зоне обработки при синусоидальном колебании зеркал. Обработка осуществляется одновременно по меньшей мере двумя фокусируемыми «обрабатывающими» лучами, получаемыми при расщеплении исходного луча.

При этом осуществляется периодическое изменение распределения мощности исходного луча между «обрабатывающими» лучами с частотой, кратной частоте колебаний последних.

Эксперименты по лазерной наплавке о применением разработанного сканатора проводили во ВНИИЗСО на лазерной технологической установке М973 фирмы «Spectra-Physics» (США) номинальной мощностью 2,5 кВт. Полосовый источник нагрева с задаваемым распределением плотности мощности создавали сканированием фокусируемого излучения с размахом 8-20 мм и частотой 50 Гц. Фокусировку осуществляли линзой из селенида цинка с фокусным расстоянием 220 мм. Диаметр луча в зоне обработки составлял I мм. В качестве наплавочных материалов выбраны широко применяемые для наплавки порошкообразные сплавы на основе никеля (ПГСР2, ПГСР4) и вольфрама (ВСНШ35) фракции «ОМ» (ГОСТ 21.448-75), а также порошкообразная медь. Наплавку выполняли на образцах из стали Ст3 толщиной 2-4 мм. Наплавочный материал подавали дозированно с помощью порошкового питателя инжекторного типа. Мощность излучения Р варьировали от I до 2,5 кВт, скорость наплавки — от 0,5 до 10 мм/с, расход наплавочного материала — от 0,1 до 0,5 г/с.

Эксперименты показали, что по сравнению о применяемым в настоящее время синусоидальном сканированием использование разработанного сканатора позволило на тех же режимах повысить производительность тонкослойной наплавки на 30-40% в результате увеличения ширины валиков либо скорости наплавки. Для заданных значений ширины валиков разработанный метод сканирования позволил значительно снизить мощность лазерного излучения по сравнению с наплавкой синусоидальным скандирующим лучом при высоте валиков <0,5 мм (см. риc.2).

Такие особенности процесса лазерной наплавки c одновременной подачей наплавочного материала, как отсутствие механического воздействия источника нагрева на сварочную ванну и на подаваемый материал, малые размеры сварочной ванны и постепенное наращивание наплавляемого слоя от основы, дают возможность управлять формой сечения формируемого за один проход слоя. Реализация этой возможности позволит повысить скорость наплавки (или снизить энергозатраты), уменьшить объем предварительной и последующей механической обработки, добиться существенной экономии наплавочного материала.

В большинстве известных способов наплавки без принудительного формирования, в том числе лазерной, форма поперечного сечения валиков близка к сегменту [6] поэтому для получения за один проход равномерного по толщине наплавленного слоя заданной ширины и высоты валик должен иметь большие размеры, для чего требуется излишние затраты энергии и наплавочного материала. Расчеты показывают, что даже при оптимальной форме сегмента для получения за один проход слоя наплавки высотой h и шириной 2b площадь поперечного сечения валика должна в 1,57-2 раза превышать площадь сечения требуемого слоя в зависимости от соотношения h и b (рис.З). При нанесении покрытия большей ширины наплавку валиками в форме сегмента необходимо осуществлять c перекрытием на 50-60% по ширине [6] c последующей механической обработкой из-за неровностей поверхности получаемого таким образом cлоя. Следует иметь в виду, что в большинстве случаев наплавленный материал тяжело поддается механической обработке.

По сравнению с существующими способами однопроходной лазерной наплавки, позволяющей получать валики в форме сегмента, разработанный метод наплавки слоя прямоугольного сечения указанных размеров обеспечивает повышение производительности процесса в 1,5-1,6 раза за счет уменьшения количества наплавленного материала.

 

Выводы

Наиболее производительным и гибким является процесс лазерной наплавки с одновременной подачей наплавочного материала в виде порошка.

Разработан метод лазерной порошковой наплавки сканнирущим излучением и реализующая его технологическая оснастка, позволяющие обеспечить распределение плотности мощности излучения в зоне обработки при неравномерности менее 18%, варьировать распределение плотности мощности по требуемому закону, увеличить ширину и качество формируемого за один проход слоя наплавки, управлять формой сечения валиков, формировать валики с коэффициентом полноты до 93%.

 

Разработанные способ и устройство позволяют при мощности излучения 2 кВт производить наплавку стандартных наплавочных материалов ВСНШ35 и ПГСР4 за один проход шириной до 18 мм при толщине слоя наплавки <0,5 мм.

Список литературы

1.Кряжков В.М., Ожегов Н.М. Пути совершенствования методов восстановления и упрочнения деталей наплавкой, /Сварочное производство. 1985, Л I. С.2.

2.Григорьян- ц А.Г*, Сафонов А.Н., Шибаев В.В. Влияние режимов порошковой лазерной наплавки на условия формирования и размеры наплавленных валиков//Сварочное производство. 1983.

3.Куцуна Сюхару. Лазерная наплавка металлов и интерметаллических соединений//Есзлу гицзюцу. 1984. Я 8. С. 19-25.

4.Вайнерман А.Е. и др. Плазменная наплавка металлов. Л.-: Машиностроение, 1969. 191 о.

5.Разработка и использование скрещивающе-вращающейся системы, позволяющей управлять расщепленным лазерным лучом// Сварка. Экспресс-информации, Х983. № 43. С.6-17.

6.Фролов К.В., Уманский А.Н. Приручение резонанса // Наука и жизнь. 1985. Л 9. С. 19-25

Автор

Виталий Сыроед

Виталий Сыроед

------ Наша официальная группа Вконтакте https://vk.com/club150627016 Обо мне 32 года,женат, есть ребенок.Эксперт по лечению артрозов, артритов и аллергий без таблеток и дорогих добавок. Хобби — изготовление различных полезных приспособлений и предметов, чтение, занятия физ. упражнениями, бег. +380960030982

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *