Исследование многослойной наплавки на многоканальном CO2 – лазере

Лазер содержит три основных компонента:

1. Активная среда, в которой создается инверсия населённости

энергетических  уровней.

2. Источник энергии (накачки), который сообщает энергию активной

среде.

3. Резонатор, состоящий из системы зеркал (как минимум двух)

размещённых на определённом расстоянии друг от друга, между которыми находится активная среда

Использование схемы с параллельным расположением  трубок малого диаметра внутри резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, позволяет снять ограничения на мощность.

5.2. Технические характеристики АЛТКУ-3

Технические характеристики АЛТКУ-3 указаны в таблице 4.

Таблица 4.

Технические характеристики АЛТКУ-3

5. Технологические процессы лазерной  наплавки

Операции  технологического процесса лазерной наплавки рассматриваются на примере восстановления изношенных деталей как наиболее полного процесса сточки зрения применяемых  операций.

Схема технологического процесса и последовательности операций:

1. очистка детали;
2. дефектация определение зоны и размеров износа;
3. подготовка поверхности к наплавке;
4. подготовка наплавочного материала;
5. подготовка лазерной технологической установки;
6. монтаж детали на установке;
7. изоляция мест, не подлежащих наплавке;
8. наплавка;
9. демонтаж детали;

10) охлаждение  детали;

11) контроль  качества детали;

12) механическая  обработка;

13) контроль  качества после обработки;

14) консервация  и упаковка.

Очистка.

Существуют два варианта очистки.

Первый вариант. Очистка деталей  от жировых загрязнений и

консервирующей  смазки должна проводиться в органических растворителях (бензин с антистатическими добавками, Акор-1, ацетон по ГОСТ 443-76) окунанием  или протиркой волосяной щеткой. Допускается применение смеси бензина  и хладона. Детали, очищенные бензином, без промывки водой допускается  сушить на воздухе при температуре 15…30°С в течение 30…40 мин.

Второй вариант. При незначительной загрязненности поверхностей деталей  допускается проводить очистку  раствором следующего состава, г/л.

Тринатрий фосфат – 30…70 г/л

Натрий (калий) углекислый – 20…25 г/л 

Натр  едкий – 5…15 г/л

Стекло  натриевое жидкое – 10…20 г/л

Температуры раствора 60…80°С. В целях интенсификации процесса допускается воздушное  перемешивание раствора

Детали  промывают в горячей воде до полного  удаления обезжиривающего раствора. Затем детали промывают в холодной проточной воде и сушат обдувом  чистым сухим воздухом до полного  удаления влаги.

Дефектация  деталей.

Эта операция должна проводиться в соответствии с требованиями предприятий. К ремонту  допускаются детали, удовлетворяющие  этим требованиям. При дефектации требуется  определить толщину изношенного  слоя, а также зону и вид износа, указать их в карте ремонта. Детали, не удовлетворяющие требованиям  ремонта, отбраковываются.

Подготовка  поверхности к наплавке.

Эта операция проводится с целью  удаления защитных покрытий,

оставшихся  загрязнений и оксидов. Рекомендуется  использование обдувки абразивными  материалами. Обдувку как правило, осуществляют на инжекторных установках. Перед обработкой абразивный материал следует просеять и высушить для  удаления мелких фракций и влаги.

После обработки  абразивом детали необходимо обдуть струей сжатого воздуха или азота  для удаления абразива и пыли. Качество обработки контролируют визуально  или по эталону.

Для предупреждения недопустимого окисления поверхности  рекомендуется наплавка покрытия не позже чем через 2…3 часа после  обдувки абразивом.

При наличии  локальных дефектов (забоины, задиры, вмятины, раковины, усталостные, трещины, выкрашивание и т.д.) необходимо скруглить  острые кромки дефектов радиусом не менее 0,5 мм, либо снять весь дефектный  слой механическим путем.

Съем  дефектного слоя следует производить  на специальных станках и приспособлениях  с сохранением базовой поверхности.

После механической обработки деталь следует обезжирить в растворителе (бензин, ацетон и  т.д.) путем окунания или протирки.

Обезжиренные  детали необходимо просушить при  температуре 

15…40 °С в течение 30..40 мин.

Подготовка  наплавочного материала.

Необходимо  соблюдать следующие требования, предъявляемые к наплавочным  порошкам:

1. их частицы должны иметь сферическую форму,
2. размер гранул должен находиться в диапазоне (40…160)·10 м

Для получения  порошка необходимой грануляции просев выполняется на установке  типа «Ротан» или вручную, под  вытяжкой, с набором сит.

3. Количество кислорода водорода и азота, растворенных в частицах

должно быть минимальным. Предварительно рекомендуется просушивать порошок в сушильном шкафу при температуре 150…200 °C в течение 2…3 часов с периодическим перемешиванием слоя высотой не более (20…30) ·10 м. После просушки допускается хранение в плотно закрытой таре в течение более 10 часов при влажности воздуха не более (65…70)% и температуре (19…26)°С.

Перед наплавкой  необходимо удалить влагу, абсорбированную  на поверхности частиц. Для этого  порошковый материал прокалить при  температуре 350…400 °С в течение 30…40 мин. И использовать его в подогретом состоянии через промежуток времени не более 120 с.

 

 

Подготовка лазерной технологической  установки.

Эта операция осуществляется в соответствии с ее техническим описанием и инструкцией по эксплуатации, а также технологией наплавки.

Основными условиями данной операции являются проверка работоспособности  всех функциональных элементов лазерного технологического комплекса, органов контроля и управлення, а также проверка соответствия настройки режимов обработки заданным.

Монтаж детали на установку.

Эта операция проводится в специальных  устройствах (приспособлениях). Условия монтажа детали в приспособлении должны обеспечивать сохранение ее базовых поверхностей и не вызывать деформаций.

Изоляция  мест, не подлежащих наплавке.

Это операция осуществляется путем установки защитных кожухов, экранов, покрытий, обладающих высокой отражательной способностью для излучения лазера. В качестве экрана рекомендуется использовать листы, фольгу из чистого алюминия или меди, т.е. материалы, имеющие коэффициент отражения 0,97…0,99.

Наплавка.

Качественное  формирование валика в процессе нашивки обеспечивается при плотности мощности лазерного изучения в пятне нагрева порядка 4,2·10 Вт/м. Коэффициент формы валика, создающего высокую адгезионную прочность сцепления, должен быть не более K = (0,3…0,5).

При восстановлении больших по площади поверхностей наплавка валика должна производиться с определенным их перекрытием.

Демонтаж  детали.

После окончания  наплавки деталь демонтируется, защитные экраны снимаются.

 

Охлаждение  детали.

Эта операция осуществляется на воздухе или в  песке.

Контроль  качества наплавленного слоя

Выявление наружных дефектов типа трещин, пор, несплавлений (и т.д.) осуществляется с помощью лупы или микроскопа с 4…7 кратным увеличением. Указанные  дефекты не допустимы или не должны превышать установленных норм. В  случае недопустимых дефектов необходимо выяснить причины их появления устранить  их и произвести повторную наплавку. Для этого механическим путем  устраняют наплавленный слой с учетом глубины подплавления основы.

Периодически следует проводить  контроль внутренних дефектов одной  из партии деталей, анализируя микроструктуру с помощью металлографического  микроскопа с увеличением 200…500 крат. Контроль заключается в сопоставлении  полученной микроструктуры с эталонной. Определяется толщина покрытия, прочность сцепления покрытия с основой, количество и распределение оксидов, поры трещины и т.д. Результаты анализа фиксируются в специальной технологической карточке установленной формы.

Частота металлографического контроля при серийном производстве устанавливается отдельно на каждый вид изделия.

Изготовление металлографических шлифов осуществляется из деталей-свидетелей. Из центра наплавленного образца вырезают пробу размером приблизительно 10×30 мм. Шлифы изготовляются обычным способом на шлифовально-полировальных станках. После полирования шлиф промывают в воде и ацетоне и протравливают.

Для наплавки порошками системы  Ni–Cr–B–Si. рекомендуется применять электролитическое травление в растворе следующего состава:

- Щавелевая кислота – 10 г  

- Вода дистиллированная – 100 мл

Продолжительность травления при  плотности тока 100 мА/см² составляет 40 160 с

Контроль толщины восстановленного слоя осуществляется измерительным инструментом согласно карте обмера. Толщина слоя должна соответствовать требованиям чертежа с учетом припуска на механическую обработку.

Твердость покрытия определяется на одной из партии деталей после  механической обработки, если позволяет  толщина покрытия и форма детали, то твердость контролируется па готовой  детали методом Роквелла или другими  методами. Допускается использование образцов-свидетелей.

На шлифах твердость покрытия измеряется по методу Виккерса. Замеры делаются в десяти местах наплавленного слоя по направлению параллельной линии оплавления. Их средняя величина сравнивается с эталонной.

Механическая обработка.

Эта операция проводится с целью  доведения размеров детали до номинальных, а также для получения требуемого качества поверхности. Она осуществляется в соответствии с требованиями руководства по ремонту изделия и чертежей на изделие методами шлифования, токарной или фрезерной обработки, притирки, хонингования и т д. Допускается окончательную технологическую обработку проводить вручную высококвалифицированным персоналом.

Контроль качества после механической обработки осуществляется в соответствии в эксплуатационной пригодностью восстановленных деталей. Он включает внешний осмотр, контроль шероховатости поверхности, контроль с использованием методов дефектоскопии и контрольный обмер.

Контроль наружных дефектов выполняется  так же, как и после наплавки.

Контроль шероховатости поверхности  после наплавки и механической обработки проводится по эталонам шероховатости или с использованием специального оборудования.

Контроль соответствия геометрических параметров детали требованиям чертежа  и технологии ремонта изделия  осуществляется с помощью мерительного инструмента согласно карте обмера технологического процесса.

Консервация и упаковка.

Детали, соответствующие всем предъявленным  требованиям, допускаются к установке  на изделие или отправке предприятию-заказчику. Поэтому в общей схеме технологического процесса следует предусматривать  операцию консервации и упаковки, исключающие нарушение целостности  деталей при хранении и транспортировке. Данные работы проводятся в соответствии с требованиями чертежей по принятой технологии.

6. Анализ результатов исследований

После замеров твердости наплавленного  слоя твердомером «Мет Уд» с ультразвуковым датчиком, получились значения  в интервале 39 - 42 HRC, что тверже, чем у основного материала. Таким образом, можно сделать вывод, что осуществив, наплавку порошком  Ni–Cr–B–Si  на образец из низкоуглеродистой стали 35 мы повысили износостойкость поверхности. Коррозийная стойкость наплавленного слоя тоже выше чем у основного металла, благодаря свойствам легирующих элементов входящих в состав порошка. Это говорит о том, что наплавка данным порошком целесообразна для восстановления поверхностей из низко и среднеуглеродистой стали.

7. Общие выводы

1. Была  разработана технология многослойной  лазерной наплавки на среднеуглеродистую  сталь 35 с подбором оптимальных  режимов и технологической схемы последовательности операций.

2. Получена  толщина наплавленного слоя до 2 мм, что целесообразно для восстановления  сильно изношенных поверхностей.

3. Путем  повторного прохождения лучом  лазера по поверхности наплавки  улучшена ее равномерность и  таким образом снижена трудоемкость  последующей механообработки с 0,5 мм до 0,2 мм.

4. Анализ  микроструктур показал хорошее  качество наплавленного слоя, также  улучшение прочностных свойств  основного металла в зоне термовлияния  вблизи наплавленного слоя, что  говорит о повышении износостойкости и коррозийной стойкости (за счет свойств наплавочного материла) поверхности образца.