Лазерная наплавка

Лазерная наплавка — эффективный метод восстановления металлических поверхностей при помощи лазерного луча. Он применяется к изделиям, использующимся в условиях агрессивных сред и подвергающимся постоянному механическому воздействию.

Метод лазерной наплавки

Универсальный метод укрепления металлических поверхностей Срок службы и эффективность работы оборудования и машин напрямую зависит от износостойкости рабочих поверхностей. В связи с этим рационально использовать современные методы их укрепления. Один из таких методов — лазерная наплавка. Он представляет собой процедуру, при которой на предварительно нагретую поверхность изделия наносится дополнительный слой металла. При использовании такой технологии наплавляемый слой по окончанию обработки образует единое целое с основным материалом, из которого изготовлено изделие.

Метод используется в двух случаях:

• Восстановление изношенных поверхностей. Ремонтные работы, при которых наплавляется металл на старую деталь. В одних случаях состав наплавляемого материала подбирается максимально приближенный к тому, из которого она изготовлена, что позволяет получить однородное покрытие. В других случаях целесообразнее использовать материал с иным составом — более прочный, чем тот, из которого изготовлено изделие. Так создаётся износостойкое покрытие, продлевающее срок службы детали.
• Повышение эксплуатационных свойств новых изделий. Помогает значительно повысить устойчивость поверхности к механическому воздействию и продлить срок эксплуатации изделия. Метод особенно актуален, если деталь изготовлена из материала невысокого качества. Лазерная наплавка в этом случае помогает снизить расходы, так как исключает необходимость приобретать новое изделие из более прочного и дорогого сплава.

Лазерная наплавка выполняется с использованием специализированного оборудования — лазерных систем нового поколения. В основе их работы лежит использование мощных диодов и сопел особой структуры.

Они создают сфокусированный лазерный луч, который в свою очередь образует на поверхности обрабатываемой детали сварочную ванну, куда подаётся металлический порошок для наплавки.

Разжижению подвергается менее 5% поверхности изделия. Благодаря высокой точности лазерного излучения кратковременное расплавление верхнего слоя металла способствует лучшей адгезии с наплавляемым материалом.

В процессе обработки порошок и материал основы буквально смешиваются, образуя единую плотную поверхность, более устойчивую к различным видам воздействия.Лазерное оборудование для наплавки оснащено автоматизированной системой управления, что позволяет подконтрольно регулировать размеры зон плавления и термические циклы.

Лазерная наплавка выполняется с использованием специализированного оборудования — лазерных систем нового поколения. В основе их работы лежит использование мощных диодов и сопел особой структуры. Они создают сфокусированный лазерный луч, который в свою очередь образует на поверхности обрабатываемой детали сварочную ванну, куда подаётся металлический порошок для наплавки. Разжижению подвергается менее 5% поверхности изделия.

Благодаря высокой точности лазерного излучения кратковременное расплавление верхнего слоя металла способствует лучшей адгезии с наплавляемым материалом. В процессе обработки порошок и материал основы буквально смешиваются, образуя единую плотную поверхность, более устойчивую к различным видам воздействия.

Лазерное оборудование для наплавки оснащено автоматизированной системой управления, что позволяет подконтрольно регулировать размеры зон плавления и термические циклы.

В промышленной обработке металлических изделий используются различные методы лазерной наплавки, которые отличаются способом подачи наплавляемого материала:

• Предварительное нанесение порошковой пасты. Порошок наносится до началавоздействия лазера на поверхность, после чего нанесённую пасту оплавляютлазером, последовательно обрабатывая всю поверхность. Этот метод позволяетсоздавать однослойное и многослойное покрытие. Во втором случае пасту наносятповторно и проходят лучом, повторяя процедуру до получения желаемого результата. Этот способ достаточно прост и менее требователен к используемому оборудованию. Но есть и недостатки — часто покрытие получается неравномерным из-за поверхностного натяжения расплавляемого металла. Кроме того, процесс достаточно трудоёмкий.
• Подача газопорошкового состава сбоку от сопла. Метод позволяет получить более качественное и равномерное покрытие за счёт впрыскивания порошка в ужеготовую ванну, образующуюся на поверхности изделия под воздействием лазера. В отличие от предыдущего метода, такой способ лазерной наплавки позволяет создавать равномерное по толщине и химическому составу покрытие. В зависимости от типа оборудования, газопорошковая смесь может подаваться сбокуот направления луча или навстречу. При этом во время обработки формируются заметные валики нового покрытия. Несмотря на более эффективную обработку, метод имеет недостаток — несимметричная подача порошка относительно лазерного луча.
• Симметричная подача газопорошковой смеси со всех сторон луча (коаксиальная наплавка). Этот способ наиболее эффективный в сравнении сдругими. Он позволяет получить равномерное покрытие единой толщины с однородной структурой. Порошок подаётся со всех сторон лазерного луча единовременно и сходится в виде конуса в точке обработки. Такой метод позволяет обрабатывать не только ровные поверхности, но и трёхмерные, что значительно расширяет возможности лазерной наплавки. Преимущества способа — высокая производительность, повышенное качество получаемого покрытия, рациональный расход присадочного материала. Единственный недостаток заключается в сложности коаксиальной наплавки.

При выполнении лазерной наплавки есть возможность регулировать количество подаваемого порошка, мощность лазера, диаметр луча и другие параметры. От их настроек зависит толщина и плотность покрытия. Расход порошка — один из основных показателей качества наплавленного покрытия: с увеличением расхода повышаются толщина и прочность наплавляемого валика.

Лазерная сварка или лазерная наплавка?

Аналогичным по способу обработки является метод лазерной сварки. Как и наплавка, он основан на технологии лазерного излучения с высокой концентрацией энергии, Отличие лазерной наплавки от сварки — в формате используемых материалов. В качестве присадочного материала при лазерной сварке выступает проволока или пруток, который расплавляется под действием лазера и заполняет собой повреждённый участок или покрывает поверхность, равномерно распределяясь по ней. Такой способ преимущественно используется в небольших ремонтных мастерских для устранения дефектов на поверхности металлических изделий. Для обработки крупных поверхностей и создания дополнительного защитного покрытия детали всё же рациональнее использовать лазерную наплавку с использованием металлического порошка.

Характеристики наплавляемых материалов и получаемых покрытий

Лазерная наплавка позволяет получать композитные покрытия, обладающие следующими характеристиками:

• устойчивость к коррозии;
• стойкость к механическому воздействию;
• температурная устойчивость (жаропрочность);
• защита от износа;
• высокие антифрикционные свойства;
• стойкость к радиации.

Эти и другие характеристики покрытия позволяют значительно продлить срок службы изделия, экономить металл в области машиностроения, снижать массу деталей и компонентов оборудования. Для процедуры лазерной наплавки используются порошки с чистым или композиционным составом. Смесь используемого состава содержится в каждой частице порошка. Архитектура состава подбирается в зависимости от того, какое покрытие требуется получить в итоге:

• мягкие антифрикционные компоненты в твёрдой матрице предназначены для создания покрытия с повышенными характеристиками износостойкости;
• твёрдые компоненты в мягкой матрице позволяют значительно упрочнить поверхность детали или части оборудования;
• каркас высокой прочности, наполненный пластичными компонентами, используется для того, чтобы добиться высокой износостойкости наряду с контактной прочностью;
• тяжёлые каркасообразующие соединения со смесью лёгких компонентов позволяют снизить массу с сохранением высокой прочности поверхности.

Перед выбором того или иного состава порошка анализируются тип поверхности, область применения изделия и цели, которые преследует процедура лазерной наплавки. Во всех случаях использования перечисленных составов повышается рабочий ресурс изделий за счёт сложного композиционного состава покрытия.

Возможности применения лазерной наплавки

Наиболее актуальное использование лазерной наплавки — восстановление изношенных поверхностей металлических деталей в различных областях применения. Коаксиальная наплавка позволяет устранить все виды повреждений, а также восстановить геометрию поверхности изделий. Особенно рационален этот метод при восстановлении компонентов со сложной геометрией, крупногабаритных деталей, инструмента, пресс-форм и прочих. Он позволяет значительно сэкономить на затратах материала и времени, а также использовании оборудования в сравнении с иными методами. При этом создаётся надёжное защитное покрытие. При помощи лазерной наплавки можно устранить различные повреждения металлических поверхностей:

• сколы на кромках и теле изделий, замятые края;
• износ зубьев и посадочных мест зубчатых колёс, подшипников и прочих
• аналогичных конструкций;
• повреждение стенок пресс-форм для различных материалов;
• износ клапанов выпуклой и вогнутой формы;
• повреждения лопаток газотурбинных двигателей;
• износ самых разных поверхностей металлических компонентов оборудования,
• машин, спецтехники;
• износ компонентов техники из сверхпрочных сплавов (например, буровые
• установки, вырубные машины и прочие);
• дефекты на поверхности крупногабаритных агрегатов высокой массы.

Это лишь часть дефектов, которые можно устранить при помощи лазерной наплавки. Нанесённый материал по своей прочности аналогичен основному металлу, из которого изготовлено изделие. В отдельных случаях, если материал детали недостаточно высокого качества, создаётся покрытие, превосходящее его по прочностным и износостойким характеристикам. Восстановление деталей при помощи лазерной наплавки позволяет значительно экономить, избегая приобретения нового компонента, стоимость которого в некоторых областях может достигать нескольких сотен тысяч рублей и более.

Одно из основных преимуществ лазерной наплавки — возможность максимально снизить процент плавления поверхности изделия. При других способах восстановления он достаточно велик, что связано с некоторыми рисками. Лазерная наплавка, напротив, позволяет свести любые риски к нулю, обеспечив при этом идеальное смешивание наплавляемого материала с поверхностью.

К преимуществам такого метода также относятся следующие факторы:

• контролируемый процесс плавления поверхности;
• возможность наплавления очень тонкого слоя до 0,3 мм толщиной;
• значительное сокращение области термического воздействия;
• практически полное отсутствие деформации под воздействием тепла;
• возможность обработки крупногабаритных изделий и труднодоступных мест;
• высокая степень сцепления наплавляемого материала с основанием (путём смешивания).

Помимо восстановления повреждённых поверхностей, защиты новых деталей от износа, технология лазерной наплавки имеет большие перспективы в области трёхмерного прототипирования. Ведётся работа по совершенствованию технологий в этом направлении: метод прямого выращивания при использовании коаксиальной наплавки (LMD) и выборочная послойная наплавка (SLM).