СПОСОБ НАПЛАВКИ ПОВЕРХНОСТИ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА
METHOD OF LASER HARD-FACING

Изобретение относится к технологии обработки поверхности лучом лазера и может быть использовано в машиностроении при наплавке и легировании рабочих поверхностей детали.
В настоящее время лазерная технология находит все более широкое распространение при наплавке на рабочие поверхности деталей и легировании их с целью упрочнения или придания им необходимых служебных свойств, что связано с высокими скоростями обработки, а также возможностью проведения ее в труднодоступных местах при сложной конфигурации деталей.
Известен целый ряд способов наплавки с помощью лазера: «Лазерная техника и технология». Кн.3 «Методы поверхностной лазерной обработки». А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов, М.: Высшая школа, 1987 г., патент США №4299860, заявки Японии №№57-38351; 57-109589 и 60-225785.
Все эти способы наплавки не обеспечивают получение бездефектного наплавленного слоя, свободного от большого количества пор, что снижает его эксплуатационные свойства.
Наиболее близким по технической сущности является способ лазерной обработки поверхности по патенту США №4015100, включающий нанесение покрытия, содержащего заданные легирующие элементы, на металлическую обрабатываемую подложку и последующее облучение поверхности сканирующим лучом лазера со скоростью 0-130 мм/с, при этом мощность лазерного луча, который сфокусирован до диаметра 0,06-0,17 мм, составляет 1-20 кВт.
Недостатком известного способа являются пониженные прочностные свойства материала наплавленного слоя из-за наличия в нем повышенного количества пор.
Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств материала наплавленного слоя за счет снижения в нем количества пор.
Технический результат достигается за счет того, что в способе наплавки поверхности лучом лазера, включающем нанесение на обрабатываемую поверхность присадочного материала и последующее его расплавление сфокусированным лучом лазера путем сканирования его по обрабатываемой поверхности, согласно изобретению, сканирование осуществляют путем перемещения луча лазера по круговой траектории с диаметром
с шагом его перемещения:
и частотой перемещения по ванне расплава не менее:
где:
л
d - диаметр пятна нагрева луча лазера, мм,
D - диаметр вращения луча лазера, мм,
Р - мощность лазерного излучения, Вт,
м
λ - теплопроводность основного материала, Вт/(мм·°С),
м
Т - температура плавления наплавляемого материала, °С,
л
л
α - коэффициент, равный 1,0, когда h<d, и равный 3,0, когда h>d,
h - шаг перемещения луча лазера, мм,
γ - частота вращения луча лазера по ванне расплава, Гц,
n - количество перемещений луча лазера по одной точке расплава,
н
v - скорость наплавки, мм/с.
Экспериментально установлено, что эффект удаления пор достигается при перемешивании каждой точки расплава не менее 3 раз (n≥3), что обеспечивается подбором частоты и диаметром вращения луча лазера, а также шагом его перемещения.
В этом случае, за счет перемещения луча лазера и термокапилярной конвекции вблизи него, осуществляют принудительное перемешивание всей жидкой ванны расплава. Это способствует удалению газообразной фазы, что приводит к снижению количества пор в наплавляемом материале более эффективно по сравнению с диффузионным перемешиванием.
При частоте вращения меньше, чем  и шаге перемещения лазерного луча большем, чем  не наблюдается полного выделения пор из ванны расплава.
л
При амплитуде (диаметре) вращения луча лазера меньшем, чем d, в наплавляемом слое наблюдается образование пор, что связано с перегревом ванны расплава и появлением глубокого кратера в месте вращения лазерного луча, препятствующего перемешиванию ванны расплава.
При амплитуде (диаметре) вращения луча лазера большем, чем  наблюдается остывание средней части ванны расплава с ее кристаллизацией вне зоны активного перемешивания, что приводит к образованию пор.
Величина  состоит из двух частей, определяющих остывание расплава. Первая часть определяет условия остывания средней части расплава ниже температуры кристаллизации. Вторая часть определяет условия остывания зоны активного перемешивания расплава.
Эффект удаления пор достигается при перемешивании каждой точки расплава не менее 3 раз (n≥3).
л
л
Коэффициент α=1 устанавливают, когда глубина ванны расплава меньше диаметра пятна нагрева луча лазера (h<d), и α=3 устанавливают, когда глубина ванны расплава больше или равна диаметру пятна нагрева луча лазера (h≥d), что связано с конвективными процессами, проходящими при плавке.
л
Экспериментально установлено, что при неглубокой ванне расплава, когда (h<d), конвективные процессы идут непосредственно в зоне действия лазерного луча.
л
При глубокой ванне расплава, когда (h≥d), в конвективные процессы вовлекают соседние с действием лазерного луча зоны.
Таким образом, оптимальный выбор шага, амплитуды (диаметра) и частоты перемещения лазерного луча в процессе облучения лучом лазера позволяет свести к минимуму количество пор в ванне расплава, следовательно, обеспечить высокое качество наплавленного или легированного слоя.
Пример конкретного выполнения способа. На лабораторной базе заявителя была проведена наплавка порошка ВК-15 на поверхность инструмента из стали марки У8 путем облучения лучом лазера на технологической установке ЛТ-2 по предлагаемому и известному способам.
л
м
Диаметр вращения луча лазера был определен по колебаниям зеркала, создаваемым электрическими импульсами, подаваемыми на отклоняющие катушки зеркала, и составлял 0,9 и 27,0 мм, скорость наплавки составляла 1,0 и 10,0 мм/с. Диаметр пятна нагрева луча лазера (d) был постоянным и составлял 0,8 мм. Мощность излучения составляла 2000 и 7000 Вт. Теплопроводность материала основы (λ) была равна 0,051 Вт/(мм·°С). Температура плавления наплавляемого материала составляла 1600°С.
Коэффициент α установили равным 3, так как глубина ванны расплава была в пределах 2,5 мм, что больше диаметра пятна нагрева луча лазера (0,8 мм).
Величину шага лазерного луча определили исходя из следующей зависимости:  и установили в размере 0,25 мм.
Частоту вращения луча лазера определяли исходя из следующей зависимости:
Для скорости наплавки 1,0 мм/с частоту вращения луча лазера установили 3,8 Гц исходя из расчета:
Для скорости наплавки 10,0 мм/с частоту вращения луча лазера установили 40 Гц исходя из расчета:
Амплитуду (диаметр) вращения луча лазера устанавливали из следующей зависимости:
Для мощности излучения 2000 Вт амплитуду (диаметр) вращения луча лазера (D) устанавливали 0,9 и 12,5 мм, что соответствовало расчету:
Для мощности излучения 7000 Вт амплитуду (диаметр) вращения луча лазера (D) устанавливали 0,9 и 32,0 мм, что соответствовало расчету по той же зависимости:
л
Порошок наплавки насыпали равномерным слоем на поверхность образца и последнюю подвергали облучению лучом лазера заданной мощности в 2000 и 7000 Вт путем вращения его по кругу с рассчитанной амплитудой 12,5 и 32 мм соответственно с одновременным перемещением образца со скоростью наплавки 1,0 и 10 мм/с, с шагом перемещения 0,25 мм, диаметр пятна нагрева луча лазера (d) был постоянным и составлял 0,8 мм.
Обработанные образцы подвергали исследованиям для определения прочностных свойств материала наплавленного слоя и количества пор в нем.
Прочностные свойства определяли на плоских образцах, вырезанных из наплавленного материала.
Количество пор в материале наплавки определяли методом цветной дефектоскопии. Вначале контролю подвергали поверхностный слой наплавленного материала, а затем - каждый последующий слой после сошлифовывания предыдущего, прошедшего контроль, до основного металла образца, производя подсчет пор в каждом слое.
Результаты испытаний по определению прочностных свойств и количества пор в наплавленном материале, полученном предлагаемым и известным способами, приведены в таблице.
Как видно из таблицы, прочность наплавленного материала, полученного по предлагаемому способу, выше и содержание пор в нем ниже, по сравнению с наплавленным материалом, полученным известным способом.
Технический эффект от использования предлагаемого изобретения выразится в повышении надежности и долговечности работы деталей и узлов, обработанных по предлагаемому способу за счет повышения прочности наплавленного материала и снижения содержания в нем пор.
Таблица
Прочностные свойства и содержание пор в наплавленном материале, полученные предлагаемым и известным способами
Способ
Параметры способа
Количество пор на 1 м валика
Предлагаемый
Р, Вт
v<sub>н</sub>, мм/с
d<sub>л</sub>, мм
D, мм
h, мм
γ, Гц
шт.
2000,0
1,0
0,80
0,9
0,25
3,8
0,6
10,0
0,80
12,5
0,25
40,0
0,8
7000,0
10,0
0,80
0,9
0,25
40,0
0,4
1,0
0,80
32,0
0,25
3,8
0,6
Известный
7000,0
10,0
0,17
-
-
-
27,6
Примечание: в таблице приведены усредненные значения по результатам измерений трех образцов на точку.