Laser Cladding/ru
С момента производства первого рабочего лазера в 1960-х годах инженеры-материаловеды сосредоточились на том, как использовать лазеры в обработке для преодоления различных проблем. Лазеры были введены в индустрию покрытия поверхностей в конце 1970-х годов, но традиционные методы были предпочтительны из-за дороговизны лазерной наплавки. [1] Однако с появлением более дешевых лазерных источников и новых открытых применений лазеров лазерная наплавка начала возрождаться.
Содержание
Что такое лазерная наплавка?
Лазерная наплавка — это форма покрытия поверхности, которая включает использование лазеров и механизма подачи для покрытия подложки слоем желаемого металла или керамического материала. Лазер расплавляет металл и покрывает движущуюся подложку тонким слоем. Поданный металл полностью расплавляется, в то время как лазер также передает часть своей энергии подложке. Это позволяет создать прочную металлургическую связь между подложкой и покрытием. Толщина наплавки может варьироваться от 0,05 мм до 2 мм в одной дорожке, что позволяет хорошо контролировать точность детали. [1]
Механизмы подачи
Существует 3 распространенных метода доставки металла к подложке.
- Предварительно нанесенный порошок
- Подача проволоки
- Впрыскивание порошка
Предварительно нанесенный порошок
Первый способ доставки металла — довольно простая и очевидная техника. Это считается двухэтапной процедурой лазерной наплавки. [1] Первый этап заключается в покрытии подложки предварительно нанесенным порошком: лазерный луч передает свою энергию порошкообразному металлу и разжижает порошок. Второй этап — это передача тепла жидкого покрытия подложке; в этот момент покрытие начинает затвердевать. Энергия от частично затвердевшего покрытия и лазера продолжает частично плавить подложку и обеспечивать металлургическую связь между покрытием и поверхностью.
Этот метод больше не является предпочтительным методом нанесения порошка для лазерной наплавки из-за нескольких проблем. Трудно разместить порошок на сложной геометрической форме и это занимает больше времени, чем два других метода нанесения порошка. [2] Другим недостатком метода предварительного нанесения порошка является многоэтапность метода.
Подача проволоки
Второй метод подачи плакированной проволоки — через подачу проволоки. Проволока подается с барабана на лазер. Это первая из нескольких проблем, с которыми сталкивается подача проволоки в процессе плакирования. Барабан для проволоки должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить проблемы с любой пластической деформацией, а также располагаться на одной линии с движением подложки, чтобы обеспечить плавную подачу. [3] Самая большая проблема, связанная с подачей проволоки, заключается в том, как расплавленная проволока действует на кончике проволоки. Расплавленный металл плохо течет по подложке, и это приводит к сильному разбавлению плакированной подложки.
Впрыскивание порошка
Третий метод нанесения покрытия возвращается к принципу порошкообразного металла, но порошок впрыскивается в путь луча. Порошок переносится по трубке с помощью инертного газа, который позволяет вдувать материал покрытия в путь луча. Вдуваемые частицы порошкообразного металла частично расплавляются лучом. Лазер создает небольшую ванну расплава на поверхности подложки, которая полностью расплавляет порошкообразный металл. [4] Создаваемая ванна расплава соответствует одному уровню плакирования. Это создает прочную металлургическую связь между подложкой и покрытием с минимальной скоростью разбавления. [3]
Существует два разных подхода к системе доставки плакированного металла. Первый метод считается онлайновым, и порошковый металл доставляется на подложку с помощью коаксиальной системы . Лазер имеет линию подачи порошка, прикрепленную непосредственно к лазеру и движущуюся по тому же пути, что и лазер. Это означает, что движение подложки перпендикулярно направленному пути подложки при любых условиях. Это обеспечивает коаксиальной системе подачи возможность быть независимой от движения подложки и производить одинаковые покрытия поверхности во всех направлениях. [4]
Альтернативой онлайн-методу является автономный метод или метод боковой инжекции. Метод боковой инжекции подразумевает расположение сопла подачи сбоку от лазера. Однако положение сопла боковой инжекции влияет на концентрацию плакирования. Если сопло боковой инжекции расположено в направлении, в котором движется подложка, плакирование становится более эффективным, поскольку порошок захватывается между ванной расплава и подложкой. Это повлияет на свойства поверхностного покрытия, если сопло подачи должно менять положение из-за геометрической формы. [1]
Оптимизация
Комбинированные системы кормления
С момента разработки лазерной наплавки материал покрытия подавался одним из трех методов, упомянутых в предыдущем разделе. Было обнаружено, что при лазерной наплавке возникают две проблемы с поверхностным покрытием: плохая отделка поверхности и эффективность осаждения. Эффективность осаждения — это отношение веса осажденного покрытия к весу распыленного покрытия.
Хотя метод впрыска порошка является наиболее популярной системой подачи, используемой сегодня, по-прежнему существует интерес к подаче проволоки, поскольку она имеет несколько преимуществ. Когда образец плакируется с использованием боковой подачи порошка, образец имеет шероховатость поверхности (Ra) от 70 до 90 мкм, в то время как образец с подачей проволоки имеет Ra на 30% ниже. [5] Система подачи проволоки также решает проблему эффективности осаждения, поскольку частицы не теряются из-за невозможности застрять в расплавленной ванне.
Проблема, связанная с методом подачи проволоки, заключается в невозможности создания сплошного покрытия поверхности с подходящим диапазоном углов подачи. Если угол подачи проволоки подачи не находится в идеальных диапазонах 20–60°, покрытие становится прерывистым и, следовательно, не подходит для покрытия поверхности из-за наличия зазоров. [5] Было проведено исследование для сравнения эффективности независимого коаксиального сопла с комбинированной системой подачи, упомянутой выше. Когда единственным механизмом системы подачи была коаксиальная инжекция порошка, осаждение составляло от 27% для лазера мощностью 1100 кВт до 33% для лазера мощностью 1500 кВт. [6]
Используя коаксиальную инжекцию порошка в сочетании с боковой системой подачи проволоки, были сделаны усовершенствования в процессе лазерной наплавки. Эти два метода способствуют созданию одной и той же ванны расплава для повышения эффективности системы. Поскольку из-за подачи проволоки образуется большая и непрерывная ванна расплава, эффективность осаждения порошкового распыления увеличивается. Эффективность осаждения порошкового распыления увеличилась до 47%. [6] Эффективность лазера была улучшена в этом исследовании, поскольку было отмечено, что при независимом использовании проволоки большая часть энергии лазера отражалась и тратилась впустую. Поскольку распыление порошка действовало как барьер и поглощало часть луча до того, как луч достигал подающей проволоки, у проволоки оставалось меньше энергии для потерь. [6]
Общее качество плакирования может быть улучшено с помощью комбинированного метода. Когда порошок и проволока используются совместно, пористость образца улучшается почти на 25%. Другим улучшением плакирования является уменьшение шероховатости поверхности . Чистота поверхности снижается до значения aa Ra 47, тем самым улучшая качество поверхности и размерную точность детали. Самая последняя теория, связывающая пористость и чистоту поверхности с эффективностью лазера в процессе, заключается в том, что больше энергии от лазера поглощается ванной расплава, создавая более плавный и спокойный поток ванны расплава. [6]
Наплавочная головка со встроенными датчиками
Серьезной проблемой, влияющей на лазерную наплавку с коаксиальным соплом, является загрязнение и засорение различных компонентов лазера. Защитное стекло, дихроматические линзы и фокусная линза могут загрязняться из-за обратного распыления. Это снижает эффективность лазера, поскольку энергия луча поглощается компонентами лазера, а не передается порошковому распылению. Поскольку энергия поглощается до того, как она достигает порошка, система лазерной наплавки начинает производить наплавку низкого качества, которая является неоднородной. Когда видны эти результаты, нет смысла использовать лазерную наплавку вместо других методов наплавки, таких как термическое или плазменное напыление , поскольку лазерная наплавка не производит высококачественную однородную наплавку. [1]
Новый подход был реализован для лазерной наплавки. Установка различных датчиков на наплавочную головку может повысить эффективность системы, поскольку она позволяет в режиме реального времени контролировать состояние отдельных частей наплавочной головки. Ряд тепловых датчиков, фотодиодов и камер может способствовать улучшению качества поверхности и общей точности детали. [7]
Использование тепловых датчиков для контроля за повышением температуры защитных и дихроматических линз может быть использовано для определения того, загрязняются ли линзы. Когда линза загрязняется, меньше энергии лазера достигает порошкового распыления и вместо этого поглощается порошковым распылением. Защитная линза может загрязняться, потому что защитный инертный газ в порошковом распылении не может сдуть частицы с линзы во время производства. [7]
Прибор с зарядовой связью (ПЗС) может быть включен в процесс наплавки, если его установить перпендикулярно наплавочной головке, чтобы обеспечить наблюдение в реальном времени за точкой контакта лазера с подложкой.
Было установлено, что расплавленная ванна сильно зависит от высоты головки плакированного металла, поскольку размер луча сильно меняется от его фокусной точки. Распределение энергии лазерного луча можно смоделировать как гауссово распределение в уравнении (1), где можно определить концентрацию энергии луча.
- g — пиковое значение гауссовского распределения
- h — высота сопла над подложкой
- ø — половина угла распыления порошка
По мере того, как высота сопла уменьшается за пределами фокусной точки, размер луча уменьшается и создает расплавленную ванну, которая снижает эффективность осаждения системы. По мере того, как высота подложки увеличивается за пределами фокусной точки лазера, увеличение ширины лазерного луча начинает тратить энергию. Из-за гауссовой природы распределения луча концентрация луча уменьшается, когда он увеличивается слишком сильно. Благодаря включению ПЗС для контроля разницы высот между соплом и подложкой, можно контролировать и управлять размером расплавленной ванны, чтобы создать идеальные условия для поглощения распыляемого порошка. [7]
Если подложка расположена под углом, возникают различные проблемы с позиционированием сопла. Как видно из уравнений (2) и (3), распределение плакировки меняется в зависимости от угла. Угол сопла к подложке должен оставаться перпендикулярным к подложке, чтобы обеспечить равномерное распределение плакировки.
- ø — угол между подложкой и горизонтом
Теперь ПЗС можно использовать для контроля как угла подложки относительно горизонта, так и угла сопла к наклонной подложке. Это позволяет равномерно распределить концентрацию плакировки вдоль наклонной поверхности, а также контролировать высоту сопла к подложке, чтобы гарантировать, что ширина лазерного луча идеальна для создания подходящей ванны расплава. [7]
Без использования мониторинга в реальном времени и интегрированных датчиков, поверхность детали будет грубой и некачественной, а точность размеров может быть нарушена. Благодаря интеграции датчиков, процесс плакирования может быть скорректирован во время производства, чтобы предотвратить появление каких-либо дефектов на готовой детали.
Ссылки
- ↑Перейти к:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Корбин, Стивен, Амир Хаджепур и Эхсан Тоисеркани. Лазерная наплавка. Бока-Ратон: CRC, 2004. Печать.
- ↑ de Oliveira, U., V. Ocelı´k и J.Th.M. De Hosson. «Анализ условий обработки коаксиальной лазерной наплавки». Surface and Coatings Technology 195 (2004): 127-136. Печать.
- ↑Перейти к:3.0 3.1 Ион, Джон. Лазерная обработка конструкционных материалов: принципы, процедуры и промышленное применение. Сент-Луис: Butterworth-Heinemann, 2005. Печать.
- ↑Перейти к:4.0 4.1 Партес, Кнут. «Аналитическая модель эффективности захвата при высокоскоростной лазерной наплавке». Surface and Coatings Technology 204 (2009): 366-371. Печать.
- ↑Перейти к:5.0 5.1 Уль Хак Сайед, Вахид, Эндрю Дж. Пинкертон и Лин Ли. «Сравнительное исследование подачи проволоки и подачи порошка». Applied Surface Science 247 (2005): 268 - 276. Печать.
- ↑Перейти к:6.0 6.1 6.2 6.3 Уль Хак Сайед, Вахид, Эндрю Дж. Пинкертон и Лин Ли. «Сочетание подачи проволоки и коаксиального порошка при лазерном прямом осаждении металла для быстрого прототипирования». Applied Surface Science 252 (2006): 4803 - 4808. Печать.
- ↑Перейти к:7.0 7.1 7.2 7.3 Люа, Цзичан и Лицзюнь Лиа. «Регулировка движения во времени в процессе производства лазерной наплавки для повышения точности размеров и поверхности (отделки формованной детали). Оптика; Лазерные технологии 36 (2004): 477 - 384.
