Лазерный мир

О. Райкис // Фотоника, 3/2015, с: 48-55

За последние несколько лет лазерные установки расширили границы своего применения благодаря технологическим усовершенствованиям источников излучения. Они пришли на смену традиционным методам промышленного производства, в частности: в сварке, пайке, термической обработке. Развитие технологического прогресса позволило найти еще одно приложение – лазерное плакирование.

Diode Lasers for Laser cladding: status quo – quo vadis
In the last couple of years new applications for lasers
emerge from technological improvements in laser sources.
They are replacing many traditional methods of industrial
manufacturing, in particular welding, brazing and heat
treatment. Another example for new applications enabled
by the technological progress is laser cladding.

Основы лазерного плакирования

Лазерное плакирование является универсальным способом сварки, который подходит для ремонта или структурирования поверхности изделия локально или масштабно в целях создания функциональных поверхностей с заданными свойствами. В качестве примеров применения описываемой технологии можно привести: защиту от коррозии, получение износостойких слоев, получение локальных немагнитных участков на поверхности изделия.

Одним из главных достоинств метода лазерной наплавки в сравнении с такими традицион­ными методами, как электродуговая или плазменная наплавка, является низкий подвод тепла к основному материалу. Это способствует снижению деформации создаваемых изделий. Высокая скорость охлаждения способствует формированию желаемой мелкозернистой микроструктуры. Данная технология обеспечивает полное металлургическое сцепление наплавочного слоя с основой и низкое разжижение (смешение с металлом основы) по сравнению с традиционными методами. Таким образом, одного слоя покрытия бывает достаточно для полного замещения базового материала. При этом допуски по толщине и качество поверхности оказываются вполне приемлемыми и, в зависимости от задачи, требуют лишь минимальных доработок или сразу полностью соответствуют техническим требованиям. Одним из способов классифицировать метод лазерного плакирования является выбор присадочного материала: порошок или проволока. Предпочтительный метод определяется в зависимости от приложения. Проволока в качестве присадочного материала используется на 100%, при этом недостаток метода на сегодняшний день заключается в сложности подачи проволоки вне зависимости от направления сварки [1]. На данный момент ведутся разработки оптических головок с коаксиальной подачей проволоки, которые будут способны преодолеть это ограничение. До тех пор этот метод обычно используется в задачах, когда процесс сварки идет всегда в одном направлении, к примеру, при сварке цилиндрических объектов.

Для ремонта более сложных по форме изделий использование порошка является предпочтительным благодаря более простой досягаемости. Следующие две схемы показывают принцип работы лазерной установки плакирования с порошковой подачей: осаждаемый материал подается в сварочную ванну коаксиально (рис.1) или сбоку (рис.2). Инертный газ, как правило, используется для переноса частиц порошка к сварочной ванне и образованию защитной атмосферы.

Характерными параметрами процесса лазерной наплавки являются: размер частиц порошка – от 20 до 200 мкм, плотность мощности лазера порядка 104–105 Вт/см2 и время взаимодействия лазерного излучения с частицами порошка порядка 0,1 с [2].

Выбор типа лазера для лазерной наплавки зависит от конкретной задачи. Помимо диодных- СО2-лазеров, дисковые и волоконные являются наиболее часто используемым оборудованием в промышленных условиях.

В 70-х годах СО2-лазеры были впервые успешно использованы для порошковой наплавки. Однако очень высокие первоначальные и эксплуатацион­ные затраты, а также чувствительность к оседанию пыли на оптических элементах, особенно при использовании металлического порошка, являлись большими недостатками. Эксплуатационные затраты обусловлены низким коэффициентом преобразования энергии – порядка 10%, а также стоимостью расходных материалов (в том числе углекислого газа активной среды). Даже при одинаковой мощности лазерного луча, СО2-лазеры имеют в два раза меньший коэффициент полезного действия (КПД) использования наплавляемого материала по сравнению с диодными лазерами. Причиной низкого значения коэффициента является поглощение поверхностью металла излучения с длиной волны 10,6 мм в дальней инфракрасной ИК-области. Большая часть излучения отражается, и только 11% поглощается. СО2-лазеры и оптическая система управления их излучением, основывающаяся на медных зеркалах, требуют периодического технического обслуживания и очистки, что ведет к производственным потерям. Так же в таких системах лазерный пучок не может быть передан через оптоволоконный кабель, что лишает производственный процесс гибкости.

Излучение ближнего ИК-диапазона спектра твердотельных лазеров (неодимовый лазер на алюмо-иттриевом гранате, волоконный и дисковый лазеры) имеет поглощение порядка 35%, что аналогично поглощению от диодных лазеров. Однако Nd:YAG лазеры с ламповой накачкой были почти полностью заменены непрерывными диодными лазерами благодаря 10-ти кратному увеличению КПД и, при этом, – сохранению аналогичных свойств пучка. Высокое качество пучка волоконных и дисковых лазеров делает их скорее пригодными для дистанционной сварки (сварки на очень большом рабочем расстоянии), а также для таких видов сварки, где требуется чрезвычайно узкий сварной шов. Процесс лазерной наплавки не нуждается в таком хорошем излучении. С другой стороны, диодные лазеры с выводом излучения в оптоволокно и их круглым однородным пятном с четкими краями являются идеальным инструментом для лазерной наплавки. Такие устройства малочувствительны к отраженным квантам, загрязнению, вибрации. В сравнении с моноблочной конструкцией прямых диодных лазеров, лазерный источник находится за пределами рабочей области, возможно даже в другой комнате, что позволяет защитить его от загрязнений и других неблагоприятных воздействий извне. Другим достоинством диодных лазеров является то, что центральная координата после технического обслуживания не смещается, повторная калибровка не требуется. Разнообразие геометрии пятна, к примеру, круг, прямоугольник, кольцо, линия и др., могут быть легко получены с помощью оптических головок или встроен­ных модулей.

Ремонт и реконструкция изделий

В связи со снижением экономических издержек и увеличенным вниманием к сохранению благоприятной экологии на многих промышленных предприятиях наблюдается тенденция к росту технологий по восстановлению и ремонту изделий. Спрос на более надежные технологии произ­водства неуклонно растет, и лазерное плакирование во многих случаях является подходящим способом для достижения этой цели.

Для реконструкции габаритных изделий лазеры с мощностью в несколько киловатт – это наиболее подходящий вариант. Современные диодные лазеры высокой мощности с коэффициентом преобразования энергии более 50% и выходной мощностью излучения до 40 кВт позволяют с высокой скоростью наплавлять широкие сварные швы на больших площадях. К примеру, в промышленных условиях реализуется процесс, где сварной шов достигает ширины в 12 мм при толщине 1,5 мм, скорости наплавки 2 м/мин, коэффициент расхода порошка 95% [3]. На данный момент успешно завершились работы по наплавке с широкой полосой, 45 мм. С помощью типичного процесса лазерного плакирования с мощностью излучения порядка 6 кВт возможно наплавить порядка 4–5 кг/ч хромоникелевой жаропрочной стали 625 на мягкую сталь.

На рис.3 показан процесс восстановления цилиндрического вала. На 1-й фотографии показан изношенный вал. После нанесения слоев порошка с коаксиальной подачей (шаг 2 и 3) концевая часть вала подвергается механической обработке до требуемого качества поверхности. Полная функциональность изделия была восстановлена с относительно небольшими затратами энергии и материалов.

Метод лазерной наплавки позволяет восстановить изношенные и дорогостоящие изделия с экономией средств и с минимальным воздействием на экологию. В сравнении с традиционными методами ремонта, сохраняется значительное количество материала, времени, энергии, снижаются затраты на обработку. В особенности, данный метод восстановления изделий является предпочтительным в горнодобывающей промышленности, в области добычи нефти и газа, нефтехимической промышленности, энергетики, транспорта (ремонт поездов и судов), а также в технологии тяжелой ковки. Кроме того, существует возможность облицовки внутренней поверхности изделий цилиндрической формы с использованием специальных насадок (см. рис.4). Данные насадки в совокупности с оптической системой в большинстве случаев изготавливаются под заказ под определенную задачу. Типичным приложением для них является устранение износа, коррозии или ремонт внутренних поверхностей изделий.

Защита от коррозии и износа

Для снижения износа и коррозии металлических изделий могут быть использованы несколько процессов. Защитные покрытия, наносимые методами газопламенного, газоплазменного или плазменного напыления, хорошо подходят для тонких слоев с большой площадью поверхности с низким подводом тепла. В результате получаются относительно пористые слои, только механически соединенные с основным металлом, которые имеют свойство трескаться и отслаиваться вследствие локальной ударной нагрузки. Традиционные методы наплавки, такие как дуговая сварка металлическим плавящимся или вольфрамовым электродом в среде инертного газа, позволяют делать покрытия с полным металлургическим сцеплением. Главным недостатком этих методов является высокий подвод тепла к основному материалу, что может привести к тепловой деформации изделия. В таблице приведены основные параметры для сравнения традиционных методов наплавки с методом лазерной наплавки.

Одним из преимуществ лазерной наплавки является создание отличного металлургического сцепления между слоем покрытия и основным материалом с минимальным подводом тепла и малой зоной теплового влияния. В сравнении с плазменной наплавкой (Plasma transfer Arc, PTA) данный метод позволяет добиться более эффективного расхода порошка, лучшей коррозийной стойкости, а также снизить пористость получаемого покрытия [4].

В качестве наплавляющихся материалов для лазерного плакирования подходят все хорошо свариваемые сплавы. Обычно используют материалы на основе сплавов никеля, кобальта или железа, которые могут комбинироваться с частицами карбида для решения задач по защите от износа. Помимо защиты бурового оборудования для нефтяной и газовой промышленности от механического износа и коррозии, метод лазерной наплавки позволяет создавать немагнитные области на изделиях, предназначенных для закрепления на них определенных датчиков для измерения параметров среды во время бурения. В противном случае, если не подавить магнитные свойства материала на этих площадках, работа датчиков будет нарушена из-за влияния магнитных полей. На рис.5 изображен процесс наплавки на внутрискважинное буровое оборудование для улучшения его абразивной износостойкости. Этот процесс также называют армированием.

Технология послойного наращивания (аддитивная технология)

На сегодняшний день существует множество различных технологий для аддитивного производства изделий. Метод лазерной наплавки в этом контексте называется методом прямого послойного выращивания с помощью наплавки лазером. В последнее время он становится все более актуальным. Этот метод часто позволяет создавать структуры за единый производственный цикл без излишнего расхода материала, дополнительной механической обработки и износа обрабатывающего инструмента (изготовление профиля, близкого к заданному).

Очень интересным и перспективным подходом в этой области является интеграция лазерного источника в обычный механический станок. Такое сочетание инструментов позволяет достичь нового уровня производства. Одним из примеров является сочетание лазера с 5-ти осевым фрезерным станком. Интегрированный диодный лазер позволяет наносить порошковый материал слой за слоем, создавая прочную, плотную металлическую часть. С помощью последующих операций фрезерования поверхности дополнительно дорабатываются до требуемой формы. Данный гибкий переход между лазером и фрезером позволяет обрабатывать участки, которые нельзя получить с использованием одного инструмента. Получение конструкций с углублениями, внутренней геометрией и с выступами без опорных структур принципиально возможными с данной технологией. Так же становится возможным производство совершенно новых изделий и конструкций. Могут быть использованы все свариваемые металлы, которые доступны в виде порошка. К примеру: сталь, сплавы из никеля или кобальта, а также титана, бронзы и латуни [5]. По сравнению с другими методами послойного производства, к примеру, технологией порошкового спекания (SLM/SLS) или оплавления порошка (порошок предварительно наносится в виде пасты на поверхность изделия), данный процесс осуществляется в 10 раз быстрее. Корпус турбины, изображенный на рис.6, является одним из примеров комбинации аддитивного и субтрактивного производства.

Заключение

Лазерная наплавка является универсальной технологией, подходящей для производства, продления срока службы, а также ремонта изделий. Данный технологический процесс может быть легко автоматизирован, что ведет к повышению производительности этого и без того экономичного процесса [6]. Ведущим фактором является увеличение мощности источников лазерного излучения – мощность диодного лазера на сегодняшний день достигает 40 кВт на обрабатываемом изделии.

Улучшение технологии лазерной наплавки обусловлено не только увеличением мощности лазера и повышением производительности процесса, но и благодаря более высокой степени интеграции с другими методами производства и соответствующими системами обработки. Такие комплексные автоматизированные станки позволяют производить изделия с кардинально новым дизайном и функциональностью.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4643_869.pdf