Исследование многослойной наплавки на многоканальном CO2 – лазере

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

 

 

Эксплуатационно - исследовательская  практика

Студента      Белова Сергея Андреевича

Факультета     прикладной математики и физики

 

Группы      ЛТ - 108

 

Тема работы

Исследование многослойной наплавки на многоканальном CO₂ – лазере

 

Руководитель работы: Алоджанц А.П.__________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир 2012

Введение

В настоящее время разработано  достаточно много способов наплавки с целью восстановления геометрических размеров изношенных деталей машин, механизмов и придания заданных функциональных свойств поверхностному слою. Каждый из существующих способов имеет свои преимущества и недостатки, которые  характеризуются конкретными технико-экономическими показателями, определяющими эффективные  области применения каждого способа  наплавки. Однако ни один из существующих способов нанесения покрытий не является универсальным, функциональные свойства наплавленных слоев далеко не всегда удовлетворяют современным техническим  требованиям эксплуатации машин  и механизмов, а технико-экономические  показатели технологических процессов  наплавки не всегда соответствуют современным  требованиям экономической эффективности.

Технологии наплавки применяются  для восстановления изношенных деталей  машин и механизмов, а также  при выпуске новых видов продукции, с целью увеличения ресурса и  улучшения технико-экономических  показателей работы оборудования.

Эффективность использования новых технологий ремонта, восстановления и упрочнения достигается за счёт рационального  применения специальных износостойких  материалов, современного технологического оборудования нового поколения с  кардинально улучшенными технико-экономическими показателями.

Восстановление изношенных деталей  – это технологический процесс  возобновления исправного состояния  и ресурса работы этих деталей  путем возвращения им утраченной части материала из-за изнашивания  и (или) доведения до нормативных  значений уровня свойств, изменившихся за время эксплуатации машин.

При восстановлении деталей технология наплавки должна обеспечить доведение до нормативных  требований следующие показатели:

- износостойкость поверхности, в том числе коррозионную стойкость;

- усталостную прочность;

- сохранить геометрические размеры деталей в поле допуска после наплавки;

- значение массы детали и ее распределение относительно осей вращения и инерции;

- физико-механические свойства поверхностного слоя (твердость, теплостойкость, жаропрочность и др.)

Высокие затраты на техническое  перевооружение, обновление парка транспортных средств, механизмов, машин и оборудования делает актуальной проблему восстановления изношенных деталей. При этом стоимость  работ по восстановлению не превышает 20...50% от стоимости новой детали, а ресурс работы не уступает ресурсу  работы новой детали или возрастает.

Как показывает практика в большинстве случаев  выход из строя (отказ) деталей обусловлен процессами износа относительно тонкого  поверхностного слоя. Свыше 85% деталей  тракторов, автомобилей, самоходных сельскохозяйственных машин и других механизмов становятся неработоспособными при износах, не превышающих 0,2…0,3 мм, что легко поддаётся  восстановлению современными технологиями наплавки.

Технология наплавки является родственной технологии сварки плавлением. Однако, не смотря на общность металлургических процессов, протекающих в зоне обработки, следует отметить существенное различие между сваркой и наплавкой, заключающееся в том, что доля основного металла в объеме сварного шва составляет 70 – 80% . При наплавке же требуется только незначительное сплавление наплавленного слоя с основным металлом.

Как показывает практика, лазерная наплавка может  быть с успехом использована для  устранения локальных  дефектов на поверхности изношенных деталей  или вновь изготавливаемых деталей.

В настоящее  время лазерная наплавка нашла свое применение в инструментальном, сварочном, литейном производствах.

При всём многообразии существующих методов наплавки инженеру-технологу  достаточно сложно обосновать и выбрать  технологию восстановления изношенных поверхностей детали, так как это  сопряжено с тщательным анализом технико-экономических показателей  технологического цикла изготовления всего изделия и условий его  эксплуатации.

В настоящее  время технологии лазерной и гибридных  методов лазерной наплавки начинает всё больше применяться в промышленности технологически развитых странах, так  как обеспечивает наивысшее качество наплавленного слоя за один проход, при оптимальных технико-экономических  показателях.

 

2. Дефекты возникающие при лазерной наплавке.

При лазерной наплавке в наплавленном валике могут  возникать следующие дефекты  трещины, поры, отслоения, занижения по высоте,  вырывы, вспучивания и трещины после механической обработки (рис1).

Образование тещин в наплавленных слоях один из самых распространенных дефектов Наличие трещин в покрытиях  снижает усталостную прочность деталей более чем в 10-20 раз, а также может служить причиной преждевременного разрушения и выхода из строя изделия.

Рис. 1. Возможные вилы дефектов в наплавленных покрытиях:

а – трещины, б - отслоения, в - занижение по высоте,г - вырывы,

д - вспучивания и трещины  после механической обработки, е - пористость

При непрерывном  режиме лазерной наплавки в отдельно расположенных валиках возникают поперечные трещины, которые находятся друг от друга на расстоянии примерно 0,8 мм и более по длине наплавки (рис. 3.2). В наплавленном слое, который состоит из нескольких перекрывающих друг друга валиков, появляются продольные трещины наряду с поперечными, переходящими из валика в валик. На появление трещин оказывают влияние технологические факторы. Известно, что при сварке различных сплавов (в том числе и никелевых) для борьбы с горячими трещинами часто используют изменение режима.

При импульсно-периодическом режиме наплавляемый валик формируется из перекрывающих друг друга точек и кристаллизация происходит периодически, так как скорость охлаждения жидкого металла значительна (порядка 10⁵ .. 10⁶, °С/с), а время паузы достаточно для затвердевания (t = 0,1 с). Трещины располагаются поперек направления наплавки. Они возникают, по всей видимости, в предыдущей точке при выполнении последующей, о чем свидетельствует отсутствие трещин в отдельно стоящих точках и в последней точке валика.

Наиболее исследованы порошковые материалы системы Ni-Cr-B-Si. Зародыши трещин располагаются по зонам срастания дендритов, имеют длину от 20 до 140 мкм и, как правило, не выходят на поверхность наплавки Трещины большой протяженности, идущие перпендикулярно от линии сплавления к поверхности валика, пересекают как элементы первичных форм кристаллизации в виде дендритов, так и межкристаллитные прослойки, и носят прямолинейный характер.

Опыт сварки никелевых сплавов с использованием концентрированных источников нагрева  дает положительные результат повышения  стойкости против образования кристаллизационных трещин. Высокие скорости охлаждения уменьшают процессы ликвации, способствуя сужению температурного интервала хрупкости (ТИХ) за счет смещения его нижней границы в высоко температурило область. При этом повышается деформационная способность металла, а также снижаются максимальные значения продольных и поперечных деформаций в оплавленном металле, что резко повышает технологическую прочность.

Скорость  наплавки оказывает неоднозначное  влияние на склонность металла валика к образованию трещин, на рисунке  зависимость коэффициента трещинообразования имеет максимум.Увеличение мощности лазерного излучения приводит к увеличению склонности наплавляемого металла к появлению трещин. На коэффициент образования трещин оказывает влияние массовый расход подаваемого порошка.С повышением расхода порошка растет высота наплавленного слоя, а также разность температур предыдущего и последующего валика, что приводит к увеличению упругопластических деформаций, растяжению металла в ТИХ и, как результат, возрастанию значений коэффициента трещинообразования. При этом повышается также уровень остаточных напряжений, способствуя распространению трещин в низкотемпературной зоне. В то же время со снижением расхода подаваемого порошка при постоянной плотности мощности лазерного излучения происходит дополнительный подогрев металла основы в процессе наплавки, приводящий к снижению внутренних деформаций о слое наплавки в ТИХ и, следовательно, уменьшению коэффициента трещинообразования.

На порообразование оказывает  влияние и гранулометрический состав порошка. Следует отметить, что от него зависит также производительность процесса наплавки, коэффициент использования присадочного материала, технологическая прочность и поглощательная способность. Обычно применяют порошковый материал с диаметром частиц 40…160 мкм, позволяющий существенно уменьшить или полностью исключить порообразование в наплавленных валиках. Для получения порошка необходимой грануляции он должен быть предварительно просеян для разделения его на фракции по крупности частиц. Просев выполняется на механизированных  установках или вручную с помощью специальных сит.

 

3. Виды наплавочных материалов.

Для лазерной наплавки используют те же наплавочные материалы (присадки), что и для традиционных методов. Это компактные присадки, выполненные в виде проволоки или ленты и порошки. Известно применение присадочного металла в виде струи расплавленного металла, а также листов или сеток с размером 6х10^-3 м. Увеличения поглощательной способности компактных присадок добиваются нанесением специальных поглощающих покрытийтипа фосфатов или оксидов. В ряде случаев для увеличения коэффициента поглощения поверхность в процессе лазерной наплавки окисляют за счет добавок кислорода к защитным газам. Как правило, компактные присадки подаются в зону наплавки специальными механизмами, отличающимися повышенной точностью. Все это усложняет технологию и не всегда применимо.

Порошковые материалы (порошки) по сравнению с компактными имеют ряд преимуществ. Они обладают большим коэффициентом поглощения лазерного излучения благодаря разветвленной поверхности и многократному отражению луча от отдельных частиц, что позволяет уменьшить более чем в 1,5 раза энергию, необходимую для оплавления. Использование порошковых материалов даст возможность регулировать химический состав наплавляемого слоя, а также доставлять порошок в труднодоступные места простыми способами, что важно при изготовлении деталей сложной конфигурации.

В настоящее Время широкое применение нашли порошки на основе никеля.  К ним относятся: коррозионно-стойкие; жаростойкие; жаропрочные с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Представителями таких сплавов являются порошковые присадочные материалы системы Ni–Сr–В–Si. Такие порошки имеют низкую температуру плавления (960.. 1000 °С), что способствует уменьшению термического воздействия на деталь в процессе объемной лазерной наплавки, приводя к значительному снижению уровня остаточных деформаций и напряжений в основе.Высокие технологические свойства порошковых материалов системы Ni–Сr–В–Si проявляются также в способности растворять окисную пленку на поверхности основного металла, хорошо смачивая ее. Легирование бором и кремнием обусловливает способность самофлюсования в процессе наплавки, а именно при высоких температурах образуется стекловидное шлаковое покрытие, защищающее металл наплавки от взаимодействия с кислородомиазотом воздуха. Таким образом, эти порошковые материалы не требуют специальной защиты ванны расплава от отрицательного воздействия окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

Порошковые присадочные материалы системы Ni–Сr–В–Si

 

Порошки на кобальтовой основе широко используют в Японии, США, Германии, Англии. Состав некоторых отечественных порошков приведен в таблице 2.

Таблица 2

Порошки на кобальтовой  основе

Как правило, лазерную наплавку проводят с применением местной защиты инертными газами, такими, как аргон или гелий.

При использовании присадок, содержащих активные элементы, необходимы специальные  мероприятия для защиты расплава металла Например- при применении порошков, имеющих в своем составе TiC, WC наплавку рекомендуют проводить в вакууме во избежание окисления титана и вольфрама.

Для деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, используют также порошки на железной основе (табл. 3).

 

 

Таблица 3

Порошки на железной основе

К порошкам предъявляются требования по гранулометрическому составу  и влажности, в соответствии с  которыми порошки разделяют на четыре класса: крупный (К), средний (С), мелкий (М), очень мелкий (ОМ, от 40 до 160 мкм). Влажность порошков не должна превышать 0,1 %.

4. Лазерный технологический комплекс

В 2011 году был создан автоматизированный лазерный технологический комплекс для лазерного  упрочнения и наплавки металлов и  сплавов. В состав комплекса входят: многолучевой технологический СО2-лазер  непрерывного действия МКТЛ-3 с оригинальной компоновкой трубок,  который  предназначен для использования  в качестве мощного когерентного инфракрасного излучения в технологических  комплексах по лазерному термоупрочнению  и наплавке; шести координатный технологический  пост (рабочий координатный стол с  манипулятором луча), который может  управлять сменной оснасткой (вращателями  – для упрочнения тел вращения) до трех осей; холодильная установка (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1 Автоматизированный лазерный комплекс АЛТКУ-3

 

 

4.1. Общее описание

Лазер МКТЛ-3 – технологический волноводный  СО₂-лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси, который состоит из:  охлаждаемых маслом разрядных трубок 2, внутри которой с помощью системы электродов 5 создается газоразрядная плазма 3. По торцам разрядной трубки размещены зеркала резонатора: глухое зеркало 1 и полупрозрачное (или с отверстием) зеркало 4 (рис. 5.2). Режим генерации непрерывный и импульсный.

Рис. 2.2. СО₂-лазер с продольной прокачкой