Лазерный мир

Иванов Андрей Сергеевич // В сборнике: Интеграция науки и образования в аграрных вузах для обеспечения продовольственной безопасности России. сборник трудов национальной научно-практической конференции. Тюмень, 2022. С. 34-40. 

Для решения проблемы увеличения срока службы деталей машин в настоящее время применяются различные способы. Один из таких способов, позволяющих восстановить подверженные износу поверхности деталей, это лазерная наплавка. Бесконтактное воздействие в ходе этого технологического процесса, его автоматизация, способность обрабатывать труднодоступные места, получать высококачественный наплавляемый слой, все это обуславливает интерес производственников и ученых в развитии данного способа [1].
Цель исследования – проанализировать влияние основных факторов лазерной наплавки на получаемые свойства покрытий.
Результаты исследования
Применение связующих веществ сопровождается их интенсивным разложением и выгоранием под действием лазерного излучения. При этом выделяется большое количество хлопьев сажи, которые поглощают лазерное излучение, образуют факел плазмы и, как следствие, затрудняют взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металла. Покрытия, получаемые таким способом, имеют низкое качество: повышенную пористость, неметаллические включения, неравномерность по толщине. Однако этот способ имеет и достоинства: возможность получения покрытий различной глубины и состава; хорошее сцепление с поверхностью основного металла; возможность наплавки локальных зон; малые размеры зоны термического влияния; экономное использование порошка.
Вопрос экономного использования порошка имеет существенное значение при наплавке покрытий, когда порошок насыпается на поверхность детали перед лучом или подается за лучом непосредственно в зону обработки (расплав). Внесение порошка за лучом требует строгого соблюдения угла подачи порошка, давления транспортирующего газа и фокусировки лазерного излучения. Газопорошковая струя должна подаваться в жидкую ванну, образованную при взаимодействии луча с основным металлом, и равномерно
перемешиваться. Попадание потока порошка непосредственно под луч вызывает интенсивный его нагрев до испарения. При этом возможно образование плазменного факела, что приводит к нестабильности процесса наплавки. Так как для образования покрытия необходимо расплавить основной металл, то химический состав покрытия в значительной степени отличается от состава газопорошковой смеси [2]. При подаче порошка перед лучом упрощается технология нанесения покрытий, увеличивается коэффициент использования порошка, изменяется механизм формирования наплавочных валиков [3, 4]. При подаче порошка за лучом сначала оплавляется основа, затем присадочный порошок [5]. При подаче перед лучом происходит постепенное наращивание слоя. Это приводит к уменьшению энергоемкости процесса. Для получения слоя 1 мм при введении порошка перед лучом требуется удельная энергия 30-60 Дж/мм2, для получения такого же слоя из пасты — 60-120 Дж/мм2, а при оплавлении газотермических покрытий — 180-330 Дж/мм2. Это позволяет существенно уменьшить тепловое воздействие на наплавляемые детали и вести процесс на более высоких скоростях.
Оптимизация параметров лазернопорошковой наплавки сводится к оптимизации параметров, как свойственных только технологическим процессам лазерной обработки (мощности излучения, скорости перемещения изделия под лучом, величине расфокусировки), так и специфичных (массовому расходу порошка, расстоянию от сопла до зоны обработки, углу подачи порошка, коэффициенту его использования). Существует еще ряд параметров, но влияние их на процесс менее значимо. Так в работах [6, 7] в качестве параметров оптимизации рассматривали геометрические размеры наплавок: высоту и ширину валика, величину проплавления основы, долю участия основного металла в наплавке. Авторы эти работ пришли к выводу, что при мощности излучения 2-3 кВт, скорости обработки 100-200 мм/мин, степени расфокусировки 30-40 мм (линза с фокусным расстоянием 400 мм), угле подачи порошка 30-45°, массовом расходе порошка 0,5-0,9 г/с, расстоянии от сопла до зоны обработки 15-20 мм обеспечивается формирование равномерных валиков шириной 1,5-3 мм, высотой 0,5-1,0 мм с коэффициентом перемешивания 0,04-0,18. Размер наплавляемых валиков можно регулировать, изменяя мощность излучения и скорость обработки. Так при увеличении мощности от 1 до 9,5 кВт или снижении скорости от 3 до 0,5 м/мин размер валиков увеличивался по высоте от 0,3 до 3,0 мм, по ширине от 0,4 до 3,2 мм [8]. Авторы объясняют это увеличением коэффициента перемешивания порошка от 2 до 70. Так, при введении порошка потоком газа коэффициент использования порошка не превышает 70 %, а ширина валика при мощности 3 кВт не превышает 3,0-3,5 мм.

Металлические поверхности, обработанные излучением лазера, обладают повышенной коррозионной стойкостью. Изучение кинетики электрохимической коррозии чугуна СЧ24-44 в 25%-ном растворе серной кислоты доказало, что в случае оплавления поверхности лазером наблюдается замедление как анодных, так и катодных процессов по сравнению с коррозией образцов в исходном состоянии [11, 12]. После лазерной обработки повышается также и абразивная стойкость в 2-5 раз в зависимости от марки чугуна и режима облучения.