СПОСОБ ТРЕХСТАДИЙНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ
METHOD OF THREE-STAGE LASER FACING

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам поверхностной обработки материалов для повышения износостойкости поверхностей трения, легирования и наплавки порошковыми покрытиями с использованием лазерной наплавки.
Известен способ лазерной наплавки износостойких покрытий, при котором наплавку выполняют лазерной головкой порошкового материала с использованием защитного газа (US 4814575 А, В23К 26/00, 21.03.1989). Основной проблемой при нанесении износостойких покрытий лазерной наплавкой является склонность полученного покрытия к трещинообразованию.
Для предотвращения образования трещин в наплавленном слое, применяют следующие меры: предварительный подогрев изделия до температуры 350-550°С, сопутствующий подогрев во время наплавки для поддержания заданной температуры нагрева основного материала; нагрев изделий непосредственно после наплавки (Хасуи А., Моригаки О. «Наплавка и напыление». М.: Машиностроение. 1985. 240 с.) Однако все эти меры связаны с большими затратами энергии и сокращают производительность процесса.
Известен «Способ лазерной наплавки сталей» (Патент РФ №2032512 кл. В23К 26/00 от 14.04.1995 г.). Способ предусматривает предварительный нагрева изделия до температуры 550-700°С, расплавление лазерным лучом износостойкого порошкового материала, подаваемого на наплавляемую поверхность, перемещение наплавляемой поверхности относительно лазерного луча с перекрытием зон наплавки, при этом за один проход наплавляют слой толщиной 0,2-0,6 мм, а непосредственно после наплавки проводят трехкратный отпуск при температуре 550-600 С°.
Применяемый в способе подогрев и последующий отпуск необходимы для устранения возможности образования трещин в зоне наплавки.
Недостаток способа заключается в его высокой трудоемкости и энергоемкости вследствие необходимости предварительного нагрева всего изделия и последующего трехкратного отпуска.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в повышении качества бездефектной наплавки и расширения диапазона использования для наплавки материалов (высокохромистые чугуны, никельхромборкремниеые, хромокобальтовые сплавы).
3
2
3
2
3
2
Поставленная задача решается за счет того, что предлагается способ трехстадийной лазерной наплавки, включающий предварительную термическую подготовку детали и наплавку с перекрытием зон на ее поверхности с помощью лазера, в котором одновременно с перемещением детали по оси X с постоянной скоростью V=10-30 мм/с относительно лазера осуществляют предварительный нагрев наплавляемого участка поверхности детали до температуры 350-550°С путем облучения первым лазерным пятном по оси X диаметром 10-12 мм при плотности мощности лазерного облучения равным (0,8÷1,27)×10 Вт/см, а вторым лазерным пятном по оси X диаметром 3-5 мм, находящемся на расстоянии d=0,5-1,5 мм от первого пятна, при плотности мощности лазерного облучения равным (5÷28)×10 Вт/см, производят наплавку порошкового материала на основе железа, или никеля или кобальта или смеси этих материалов, после чего третьим лазерным пятном по оси X, диаметром 12-14 мм, находящимся на расстоянии d=0,5-1,5 мм от второго лазерного пятна, при плотности мощности лазерного облучения равным (0,65÷0,8)×10 Вт/см производят окончательный нагрев наплавленного участка до температуры 350-400°С.
На фиг. 1 представлена иллюстрация трехстадийной лазерной наплавки, где 1 - деталь, 2 - первое лазерное пятно предварительного нагрева, 3 - второе лазерное пятно для наплавки порошкового материала, 4 - третье лазерное пятно последующего нагрева, 5 - наплавленный слой на образце.
Способ наплавки заключается в следующем.
3
2
После установки детали 1 на столе устройства лазерный луч подается на делитель луча, который распределяет излучение на три части (условно не показаны). При включении механизма перемещения детали относительно лазера в направлении оси X, указанном на чертеже стрелкой первая часть излучения осуществляет предварительный нагрев поверхности детали до температуры 350-550°С. Нагрев осуществляется первым лазерным пятном 2, расположенным на оси X диаметром 10-12 мм при плотности мощности лазерного облучения равным (0,8÷1,27)×10 Вт/см.
3
2
3
2
Указанный режим обеспечивает предотвращение трещин на поверхности детали. Вторая часть излучения лазера осуществляет наплавку металлического порошкового материала на основе железа, никеля или кобальта или их смеси, подаваемого в зону 3 вторым лазерным пятном, расположенным на оси X, диаметром 3-5 мм при плотности мощности лазерного облучения равным (5÷28)×10 Вт/см и при дальнейшем движении образца нагрев производит третье пятно 4, расположенное на оси X, диаметром 12-14 мм при плотности мощности лазерного облучения равным (0,65÷0,8)×10 Вт/см до температуры 350-400°С.
При этом расстояние между пятнами 2, 3 и 4 выдерживается d=0,5-l,5 мм, осуществляется нагрев поверхности детали и наплавленного слоя, предотвращая образование горячих и холодных трещин и мартенсита в покрытии.
3
2
3
2
3
2
Лазерную наплавку порошка ПР-НХ17СР4 на никелевой основе с коаксиальной подачей производили с использованием лазерной установки мощностью 5 кВт. Для предварительного подогрева в зону 2 подавали излучение мощностью 1 кВт при диаметре первого пятна 10 мм при плотности мощности лазерного облучения равным 1,27×10 Вт/см, в зоне 3 наплавки вторым пятном использовали излучение мощностью 2 кВт при диаметре пятна 4 мм, находящемся на расстоянии d=1 мм от первого пятна при плотности мощности лазерного облучения равным 15,9× 10 Вт/см, в зоне последующего подогрева 4 использовали излучение мощностью 1 кВт при диметре пятна 12 мм, находящемуся на расстоянии d=1 мм с плотностью мощности лазерного облучения равным 0,75×10 Вт/см. Все три лазерных пятна находились на одной оси X. Скорость перемещения лазерных лучей по поверхности образца составляла 12 мм/с, а расход порошка 0,3 г/с. В результате обработки наплавлен слой 5 шириной 3,5 мм и высотой 1,2 мм. Дефектов типа пор и трещин не обнаружено.
Таким образом, предложенный способ трехстадийной лазерной наплавки с указанной последовательностью и режимами позволяет повысить производительность и качество наплавки, и расширить диапазон использования для наплавки материалов (высокохромистые сплавы железа, никельхромборкремниевые и хромокобальтовые сплавы).