Лазерный мир

А. М. Вильданов, К. Д. Бабкин, Е. В. Земляков, М. О. Гущина // Фотоника, 2019, №6

В настоящее время аддитивные технологии являются одними из самых динамично развивающихся методов получения изделий. Наибольший интерес вызывает технология высокоскоростного прямого лазерного выращивания (ВПЛВ), когда в зону воздействия лазерного излучения подается газопорошковая смесь, в результате образуется ванна расплава, а после затвердевания – ​наплавочный валик. Так появляется возможность изготавливать трехмерные изделия со сложной геометрией с высокой производительностью. В современном авиационном двигателестроении существует множество элементов, которые предпочтительнее изготавливать технологией ВПЛВ, в частности, крупногабаритные изделия с толщиной стенки ≥ 3 мм, материал Вт6. В процессе работы было выявлено, что с Гауссовым распределением пучка в тонкостенных элементах образуются несплавления по краям. Данные дефекты являются концентраторами напряжений и значительно снижают механические свой­ства изделий. Основными требованиями к данным деталям являются высокие эксплуатационные свой­ства, а именно − минимизация пор, отсутствие трещин и несплавлений как между слоями, так и по краям стенок, низкая шероховатость поверхности, чтобы уменьшить последующую механическую обработку.

Влияние осцилляции лазерного излучения на качество поверхности изделий при прямом лазерном выращивании
А. М. Вильданов, wildam92@mail.ru, К. Д. Бабкин, Е. В. Земляков, М. О. Гущина
Санкт-­Петербургский морской технический университет, Санкт-­Петербург, Россия

В настоящее время аддитивные технологии являются одними из самых динамично развивающихся методов получения изделий. Наибольший интерес вызывает технология высокоскоростного прямого лазерного выращивания (ВПЛВ), когда в зону воздействия лазерного излучения подается газопорошковая смесь, в результате образуется ванна расплава, а после затвердевания – ​наплавочный валик. Так появляется возможность изготавливать трехмерные изделия со сложной геометрией с высокой производительностью. В современном авиационном двигателестроении существует множество элементов, которые предпочтительнее изготавливать технологией ВПЛВ, в частности, крупногабаритные изделия с толщиной стенки ≥ 3 мм, материал Вт6.

В процессе работы было выявлено, что с Гауссовым распределением пучка в тонкостенных элементах образуются несплавления по краям. Данные дефекты являются концентраторами напряжений и значительно снижают механические свойства изделий. Основными требованиями к данным деталям являются высокие эксплуатационные свой­ства, а именно − минимизация пор, отсутствие трещин и несплавлений как между слоями, так и по краям стенок, низкая шероховатость поверхности, чтобы уменьшить последующую механическую обработку.

1. Введение
Титановые сплавы все больше используются в промышленности благодаря эффективному сочетанию свой­ств высокой удельной прочности и жаропрочности (до 400–600 °C). Титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в большинстве сред [1–4]. Механическая обработка титановых сплавов затруднена из-за низкой теплопроводности и прилипания материалов к инструменту [5]. Прямое лазерное выращивание является перспективным методом изготовления деталей с минимальной последующей механической обработкой [6–8].

Известно, что лазерный пучок имеет гауссово распределение, из-за чего в тонких элементах отсутствует проплавление по краям (рис. 1). Эти дефекты становятся концентраторами напряжений и значительно снижают механические свойства деталей.

2. Экспериментальная часть
2.1. Технологический комплекс
Исследование проводились на роботизированном комплексе для прямого лазерного выращивания, собранного на базе волоконного волоконного-­иттербиевого лазера «ЛС‑5». В состав установки входят: шестиосевой робот -манипулятор, двухосевой наклонно-­поворотный позиционер и герметичная камера объемом 6 м3. Рабочим инструментом является лазерная сварочная головка D30 Wobble Module фирмы IPG и трехструйное сопло для подачи порошка. На рис. 2 представлен роботизированный комплекс.

Сварочная головка D30 Wobble Module оснащена 2–осевым сканером (рис. 3) и позволяет осциллировать лазерный луч с максимальной амплитудой 2,5 мм и частотой 300 Гц. Оптимальной формой сканирования является линия (сканирование выполняется перпендикулярно направлению выращиваемых образцов). При линейном сканировании луч останавливается в крайних точках своей траектории [9]. Это приводит к увеличению тепловложения, что предотвращает эффект несплавления по краям.

Выводы
В результате данной работы были проведены технологические эксперименты по изготовлению тонкой стенки с использованием вобблера. Было установлено, что дополнительное сканирование лазерного луча приводит к уменьшению шероховатости и полному переплавлению порошка на краях стенки. В результате, использование осцилляции позволяет изготавливать изделия толщиной >3 мм с минимальным количеством дефектов и минимальным значением шероховатости. Следующим этапом этого исследования будет изучение механических свойств изготовленных образцов.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/7/article_7792_344.pdf