RU2751403C1

RU2751403C1 - Method of laser-arc surfacing with a melting electrode in a protective gas environment

Info

Publication number: RU2751403C1
Application number: RU2020126731A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Ионов; Анатолий Михайлович Чирков; Роман Анатольевич Ланев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ирс Лазер Технолоджи"
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2021-07-13
Also published as: WO2022035350A1

Abstract

FIELD: mechanical engineering.SUBSTANCE: invention relates to a method of hybrid laser-arc surfacing on any three-dimensional surfaces and can be used in various branches of mechanical engineering for the restoration of worn-out parts of machines and mechanisms, tools and the production of new ones. The method includes supplying a surfacing wire to the surfacing zone and exposing it to simultaneously reflected laser radiation and an electric arc. The laser beam and the arc torch are tilted at equal angles relative to the normal to the surface to be welded to ensure that the reflected laser beam is directed to the end of the welding wire. The metal is deposited in a protective environment, and, for example, argon or a mixture of argon with carbon dioxide is used as protective gases.EFFECT: due to the simultaneous action of laser radiation and an electric arc on the surfacing wire, the productivity of laser surfacing is increased several times and the cost is reduced by replacing expensive laser energy with cheaper electric arc energy.8 cl, 1 dwg,1 tbl

Description

Изобретение относится к способам наплавки любых трехмерных металлических поверхностей с использованием лазерного излучения, электрической дуги и присадочного материала в виде проволоки и может быть применено в различных отраслях промышленности для изготовления новых и восстановления изношенных деталей машин и механизмов, инструмента к которым предъявляются высокие требования к качеству наплавленного слоя.The invention relates to methods for surfacing any three-dimensional metal surfaces using laser radiation, an electric arc and filler material in the form of a wire and can be used in various industries for the manufacture of new and restoration of worn parts of machines and mechanisms, tools for which high requirements are imposed on the quality of the deposited layer.

В настоящее время разработано достаточно много способов наплавки с целью изготовления новых и восстановления изношенных деталей машин и механизмов, инструмента путем создания заданных геометрических размеров и эксплуатационных (служебных) свойств наплавленного слоя [1]. Каждый из существующих способов имеет свои преимущества и недостатки, которые характеризуются конкретными технико-экономическими показателями, определяющими эффективные области применения технологического процесса наплавки. Однако ни один из существующих способов наплавки не является универсальным, служебные свойства наплавленных слоев далеко не всегда удовлетворяют современным требованиям эксплуатации машин и механизмов, а технико-экономические показатели технологических процессов наплавки не всегда соответствуют требованиям современного производства.At present, quite a lot of surfacing methods have been developed for the purpose of manufacturing new and restoring worn parts of machines and mechanisms, tools by creating specified geometric dimensions and operational (service) properties of the deposited layer [1]. Each of the existing methods has its own advantages and disadvantages, which are characterized by specific technical and economic indicators that determine the effective areas of application of the surfacing process. However, none of the existing surfacing methods is universal, the service properties of the deposited layers do not always meet the modern requirements for the operation of machines and mechanisms, and the technical and economic indicators of the surfacing technological processes do not always meet the requirements of modern production.

Наплавку можно производить почти всеми известными способами сварки плавлением. Важнейшие технические требования, предъявляемые к наплавке, заключаются в следующем:Surfacing can be done by almost all known fusion welding methods. The most important technical requirements for surfacing are as follows:

• Минимальное проплавление основного металла.• Minimal penetration of the base metal.

• Минимальные тепловые вложения в наплавляемую деталь.• Minimal heat input into the weld-on part.

• Минимальные деформации наплавляемой детали.• Minimal deformations of the welded part.

• Минимальные припуски на последующую механическую обработку.• Minimum allowances for subsequent machining.

• Высокое качество наплавленного слоя.• High quality of the deposited layer.

При всем многообразии существующих способов наплавки инженеру-технологу достаточно сложно обосновать и выбрать способ наплавки, так как это сопряжено с тщательным анализом технико-экономических показателей технологического цикла изготовления всей детали и условий ее эксплуатации [2].With all the variety of existing surfacing methods, it is quite difficult for a process engineer to justify and choose a surfacing method, since this is associated with a thorough analysis of the technical and economic indicators of the technological cycle of manufacturing the entire part and its operating conditions [2].

Существующие в настоящее время способы наплавки концентрированными потоками энергии - газопламенными, электродуговыми, плазменными, индукционными, электронно-лучевыми, лазерными достаточно хорошо известны и изучены. С момента зарождения они прошли свой эволюционный путь развития, с успехом применяются во многих отраслях промышленности, но к настоящему времени их потенциальные технические возможности наплавки подошли к своему технологическому пределу.The currently existing methods of surfacing with concentrated energy flows - gas-flame, electric-arc, plasma, induction, electron-beam, laser, are well known and studied. Since their inception, they have gone through their evolutionary path of development, are successfully used in many industries, but by now their potential technical capabilities of surfacing have come to their technological limit.

Стремительное развитие лазерной техники и лазерных технологий позволило создать новые способы технологии лазерной наплавки [3, 4].The rapid development of laser technology and laser technology has made it possible to create new methods of laser cladding technology [3, 4].

К основным технологическим преимуществам технологии наплавки непрерывным лазерным излучением по сравнению с альтернативными технологиями наплавки, можно отнести следующие факторы:The main technological advantages of cw laser cladding technology in comparison with alternative surfacing technologies include the following factors:

1. Минимальные тепловые вложения в наплавляемую деталь и минимальные зоны термического влияния.1. Minimum heat input into the part being welded and minimum heat-affected zones.

2. Сохранение геометрических размеров наплавленной детали в заданном поле допуска.2. Saving the geometrical dimensions of the deposited part in the specified tolerance field.

3. Минимальная глубина проплавления основного металла, которая может находиться в пределах от нескольких десятков микрон до нескольких сот микрон.3. The minimum depth of penetration of the base metal, which can range from several tens of microns to several hundred microns.

4. Возможность сформировать заданныеэксплуатационные (служебные) свойства за один проход при минимальной толщине наплавленного слоя от нескольких десятков до нескольких сот микрон.4. The ability to form the specified operational (service) properties in one pass with a minimum thickness of the deposited layer from several tens to several hundred microns.

5. Высокое качество наплавленного слоя5. High quality of the deposited layer

6. Минимизация припусков на последующую механическую обработку наплавленного слоя.6. Minimization of allowances for subsequent machining of the deposited layer.

Существующие в настоящее время различные способы лазерной наплавки, применяемые в промышленности, несмотря на преимущества по сравнению с альтернативными технологиями наплавки, имеют ряд существенных технологических и технико-экономических недостатков [3].Currently existing various methods of laser surfacing, used in industry, despite the advantages over alternative surfacing technologies, have a number of significant technological and technical and economic disadvantages [3].

Основными недостатками способов лазерной наплавки являются:The main disadvantages of laser cladding methods are:

1. Низкая производительность способов лазерной наплавки, которая составляет примерно 0,4-0,5 кг/час на 1 кВт мощности луча лазера, Таблица 1.1. Low productivity of laser cladding methods, which is approximately 0.4-0.5 kg / hour per 1 kW of laser beam power, Table 1.

2. Высокое значение коэффициента отражения лазерного излучения от обрабатываемой поверхности, значительно снижающий эффективный коэффициент полезного действия - КПД процесса наплавки.2. High value of the coefficient of reflection of laser radiation from the treated surface, which significantly reduces the effective efficiency - the efficiency of the surfacing process.

3. Высокая стоимость 1 кВт мощности лазерного излучения по сравнению с 1 кВт мощности электрической дуги, плазменной струи и индукционной наплавки увеличивает технологическую себестоимость процесса лазерной наплавки.3. The high cost of 1 kW of laser radiation power in comparison with 1 kW of power of an electric arc, plasma jet and induction surfacing increases the technological cost of the laser surfacing process.

4. Низкое значение производительности технологии лазерной наплавки значительно снижает его конкурентоспособность по сравнению с альтернативными технологиями наплавки, Таблица 1 [2]4. The low value of the productivity of laser surfacing technology significantly reduces its competitiveness in comparison with alternative surfacing technologies, Table 1 [2]

Несмотря на вышеперечисленные недостатки технология лазерной наплавки в значительной степени нивелируют недостатки, присущие известным традиционным способам наплавки и позволяет получить новые качества наплавленного слоя [3, 4].Despite the aforementioned disadvantages, the laser surfacing technology largely neutralizes the disadvantages inherent in the known traditional surfacing methods and makes it possible to obtain new qualities of the deposited layer [3, 4].

В настоящее время разработаны два основных способа лазерной наплавки: газопорошковая лазерная наплавка и наплавка проволокой.Currently, two main methods of laser cladding have been developed: gas-powder laser cladding and wire cladding.

1. Способ газопорошковой лазерной наплавки - ГПЛН, непрерывным лучом лазера. А.С. №1091447, №1582487, №1568389, №1575467, №1605446, №1347295, №1107425, №1091447, №1822047, патент RU 2165997 С2.1. Method of gas-powder laser cladding - GPLN, with a continuous laser beam. A.S. No. 1091447, No. 1582487, No. 1568389, No. 1575467, No. 1605446, No. 1347295, No. 1107425, No. 1091447, No. 1822047, patent RU 2165997 C2.

Сущность способа газопорошковой лазерной наплавки непрерывным лучом лазера заключается в принудительной подаче газовым потоком порошка определенной дисперсности непосредственно в зону наплавки (детали).The essence of the method of gas-powder laser surfacing with a continuous laser beam is the forced supply of a powder of a certain dispersion by a gas flow directly into the surfacing zone (part).

Частицы порошка начинают нагреваться в зоне действия луча лазера вплоть до попадания на наплавляемую поверхность [3].Powder particles begin to heat up in the area of the laser beam until they hit the surface to be welded [3].

2. Способ лазерной наплавки проволокой представляет собой одновременный подвод к зоне наплавки наплавочной проволоки и лазерного излучения. Наплавочный металл, расплавляясь под действием луча лазера, образует наплавочный валик и кристаллизуется к моменту ухода лазерного излучения из зоны наплавки. Таким образом формируется наплавленный слой.2. The method of laser wire cladding is a simultaneous approach to the cladding zone of the cladding wire and laser radiation. The surfacing metal, melting under the action of the laser beam, forms a surfacing bead and crystallizes by the time the laser radiation leaves the surfacing zone. Thus, a weld layer is formed.

Низкое значение производительности лазерной наплавки объясняется высоким значением коэффициента отражения и рассеяния энергии лазерного излучения от обрабатываемой поверхности [3]. Лазерная наплавка обладает низким значением эффективного коэффициента полезного действия - КПД технологического процесса.The low value of the productivity of laser cladding is explained by the high value of the reflection coefficient and dissipation of laser radiation energy from the surface to be treated [3]. Laser cladding has a low value of the effective efficiency - the efficiency of the technological process.

Необходимо отметить, что технология наплавки является родственной технологии сварки. ГОСТ Ρ 58904-2020, статья 2.1.9.1 дает следующее определение наплавки: Наплавка материала на поверхность для получения необходимых свойств и(или) размеров. Одним из коренных отличий технологии наплавки от технологии сварки является то, что при заданной погонной энергии глубина проплавления основного металла (поверхности на которую производится наплавка) при наплавке должна быть минимальная, и в идеале должна стремиться к нулю, не достигая его и обеспечивая металлургическую связь наплавленного слоя с основным металлом, а при сварке глубина проплавления должна быть наибольшаяIt should be noted that surfacing technology is related to welding technology. GOST Ρ 58904-2020, article 2.1.9.1 gives the following definition of surfacing: Surfacing of material on a surface to obtain the required properties and (or) dimensions. One of the fundamental differences between surfacing technology and welding technology is that for a given heat input, the depth of penetration of the base metal (the surface on which the surfacing is performed) during surfacing should be minimal, and ideally should tend to zero, without reaching it and providing a metallurgical bond of the deposited layer with the base metal, and when welding, the penetration depth should be greatest

Увеличение глубины проплавления не позволяет сформировать заданные служебные (эксплуатационные) свойства в первом наплавленном слоеAn increase in the penetration depth does not allow the formation of the specified service (operational) properties in the first deposited layer

Лазерная наплавка производится в режиме теплопроводности (проводимости). [3].Laser cladding is performed in the thermal conductivity (conductivity) mode. [3].

В зависимости от режима сварки (наплавки) изменяется коэффициент поглощения лазерного излучения. Например, при лазерной сварке нержавеющей стали поглощение лазерного излучения в режиме проводимости составляет примерно 15%, а в режиме образования канала приблизительно 65%. [6]Depending on the mode of welding (surfacing), the absorption coefficient of laser radiation changes. For example, when laser welding stainless steel, the absorption of laser radiation in the conduction mode is approximately 15%, and in the channeling mode is approximately 65%. [6]

Повысить производительность процесса лазерной наплавки можно если использовать отраженную энергию лазерного излучения в тепловом балансе процесса нагрева и плавления сварочной проволоки.The productivity of the laser cladding process can be increased if the reflected energy of laser radiation is used in the heat balance of the heating and melting process of the welding wire.

Низкая производительность технологического процесса лазерной наплавки в сочетании с большой стоимостью лазерного оборудования (высокая стоимость 1 кВт мощности лазерного луча) приводит к высоким значениям технологической себестоимости и, соответственно, к падению конкурентоспособности технологии лазерной наплавки по сравнению с альтернативными технологиями наплавки.The low productivity of the technological process of laser cladding in combination with the high cost of laser equipment (high cost of 1 kW of laser beam power) leads to high values of the technological cost and, accordingly, to a drop in the competitiveness of the laser cladding technology in comparison with alternative surfacing technologies.

Целью изобретения является повышение производительности на один кВт мощности луча лазера, снижение технологической себестоимости процесса лазерной наплавки и значительное снижение стоимости лазерных технологических комплексов для наплавки путем замены высокой стоимости одного кВт мощности лазерного излучения на более низкую стоимость (более чем на порядок) одного кВт мощности электрической дуги.The aim of the invention is to increase the productivity per kW of laser beam power, reduce the technological cost of the laser surfacing process and significantly reduce the cost of laser technological complexes for surfacing by replacing the high cost of one kW of laser power with a lower cost (more than an order of magnitude) of one kW of electric power. arcs.

Задачами изобретения являются:The objectives of the invention are:

1) повышение экономической эффективности процесса лазерной наплавки за счет замены дорогой энергии лазерного луча на более дешевую энергию электрической дуги.1) increasing the economic efficiency of the laser cladding process by replacing expensive laser beam energy with cheaper electric arc energy.

2) увеличение производительности процесса наплавки.2) increasing the productivity of the surfacing process.

Как известно, технология электродуговой наплавки обладает рядом существенных технико-экономических преимуществ по сравнению с лазерной наплавкой. К ним относятся:As you know, the technology of electric arc surfacing has a number of significant technical and economic advantages over laser surfacing. These include:

1. Стоимость сварочного источника энергии для электродуговой наплавки в несколько раз ниже стоимости лазерного источника энергии для наплавки, по сравнению с лазерным оборудованием. Стоимость 1 кВт мощности луча лазера более чем на порядок выше по сравнению со стоимостью 1 кВт мощности электрической дуги.1. The cost of a welding power source for electric arc surfacing is several times lower than the cost of a laser power source for surfacing, in comparison with laser equipment. The cost of 1 kW of laser power is more than an order of magnitude higher compared to the cost of 1 kW of electric arc power.

2. Производительность процесса электродуговой наплавки на 1 кВт мощности электрической дуги в несколько раз выше по сравнению с производительностью процесса лазерной наплавки 1 кВт мощности луча лазера.2. The productivity of the electric arc surfacing process per 1 kW of the electric arc power is several times higher than the productivity of the laser surfacing process of 1 kW of the laser beam power.

3. КПД сварочного источника энергии достигает значение 75%, а волоконных и диодных лазеров 25 - 40%.3. The efficiency of the welding power source reaches 75%, and the efficiency of fiber and diode lasers is 25 - 40%.

Но кроме преимуществ технология электродуговой наплавки имеет ряд существенных недостатков [5]:But besides the advantages, the technology of electric arc surfacing has a number of significant disadvantages [5]:

1. Срыв электрической дуги при высоких скоростях наплавки.1. Breakdown of an electric arc at high deposition rates.

2. Неустойчивость («блуждение») электрической дуги (эффект магнитного дутья).2. Instability ("wandering") of the electric arc (the effect of magnetic blast).

3. Высокое значение глубины проплавления металла, достигающее нескольких мм.3. High value of the metal penetration depth, reaching several mm.

4. Значительные тепловые вложения в наплавляемую деталь приводящие к выходу геометрических размеров детали за поле допуска.4. Significant heat input into the part being deposited leading to the geometrical dimensions of the part being outside the tolerance field.

5. Большие зоны термического влияния, достигающие нескольких мм.5. Large heat-affected zones, reaching several mm.

6. Значительные припуски на последующую механическую обработку составляющие несколько мм.6. Significant allowances for subsequent machining, amounting to several mm.

Решение поставленных задач достигается тем, что с целью снижения технологической себестоимости процесса наплавки, повышения производительности процесса лазерной наплавки авторы объединили действие лазерного луча и электрической дуги в единый технологический процесс.The solution to the set tasks is achieved by the fact that in order to reduce the technological cost of the surfacing process, increase the productivity of the laser surfacing process, the authors combined the action of a laser beam and an electric arc into a single technological process.

Такой технологический процесс называется гибридным [4].This technological process is called hybrid [4].

Гибридным технологическим процессом лазерно-дуговой наплавки называется такой способ наплавки при котором действие лазерного излучения и электрической дуги совмещены в пространстве и во времени в зоне обработки.A hybrid technological process of laser-arc surfacing is a method of surfacing in which the action of laser radiation and an electric arc are combined in space and time in the processing zone.

В предлагаемом способе гибридной технологии лазерной наплавки используются следующие физические эффекты:In the proposed method of hybrid laser cladding technology, the following physical effects are used:

1. Угол падения луча лазера равен углу отражения от обрабатываемо поверхности.1. The angle of incidence of the laser beam is equal to the angle of reflection from the treated surface.

2. В зоне воздействия луча лазера при определенной плотности мощности, называемой пороговой

образуется приповерхностная лазерная плазма [3].2. In the area affected by the laser beam at a certain power density, called the threshold

a near-surface laser plasma is formed [3].

3. Лазерная плазма позволяет стабилизировать геометрическое положение электрической дуги к зоне образования плазмы за счет формирования дополнительного канала проводимости и повысить ее устойчивость при высоких скоростях наплавки.3. Laser plasma makes it possible to stabilize the geometric position of the electric arc to the plasma formation zone due to the formation of an additional conduction channel and to increase its stability at high deposition rates.

Объединение (интеграция) двух энергетических источников в единый технологический процесс наплавки позволяет нивелировать или полностью устранить недостатки каждого способа наплавки и получить новые качества недостигаемые при применении каждого способа наплавки в отдельности.Combination (integration) of two energy sources into a single technological process of surfacing allows leveling or completely eliminating the shortcomings of each surfacing method and obtaining new qualities that are unattainable when using each surfacing method separately.

Сущность изобретения поясняется чертежом - Фиг. 1, на которых изображено: схема лазерной наплавки при традиционном способе подачи проволоки в зону наплавки - Фиг. 1а) и при гибридной лазерно-дуговой наплавке - Фиг. 1б):The essence of the invention is illustrated by the drawing - FIG. 1, which shows: a diagram of laser cladding with the traditional method of wire feeding into the cladding zone - Fig. 1a) and with hybrid laser-arc surfacing - Fig. 1b):

Где, 1 - деталь (основной металл);Where, 1 - part (base metal);

2 - сопло для подачи проволоки;2 - wire feed nozzle;

3 - наплавочная проволока;3 - surfacing wire;

4 - угол подачи проволоки;4 - wire feed angle;

5 - лазерный луч;5 - laser beam;

6 - величина дефокусировки;6 - defocus value;

7 - наплавленный валик;7 - weld bead;

8 - угол падения лазерного луча.8 - angle of incidence of the laser beam.

Способ включает наплавку в среде защитных газов при одновременном воздействии лазерного луча и электрической дуги на одну сварочную ванну наплавочного валика.The method includes surfacing in a shielding gas medium while simultaneously applying a laser beam and an electric arc to one weld pool of the surfacing bead.

Известен способ лазерной наплавки проволокой RU 2502588. Способ предполагает, что присадочная проволока подается к наплавляемой поверхности и плавится под действием лазерного излучения, образуя наплавочный валик.The known method of laser cladding with wire RU 2502588. The method assumes that the filler wire is fed to the surface to be clad and melts under the action of laser radiation, forming a cladding bead.

Недостатком способа лазерной наплавки является низкая производительность процесса, которая составляет примерно 0,4-0,5 кг/час на 1 кВт мощности луча лазераThe disadvantage of the laser cladding method is the low productivity of the process, which is approximately 0.4-0.5 kg / hour per 1 kW of laser beam power

Известен способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и алюминиевых сплавов RU 2440221 С1.The known method of laser-arc welding with a consumable electrode of aluminum and aluminum alloys RU 2440221 C1.

Недостатком способа является большая глубина проплавления, которая не позволяет сформировать заданные служебные (эксплуатационные) свойства в наплавленном слое.The disadvantage of this method is the large penetration depth, which does not allow the formation of the specified service (operational) properties in the deposited layer.

Известен способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения RU 2668625 С1.The known method of laser-arc welding with a consumable electrode in a protective gas environment of the butt joint RU 2668625 C1.

Любой вид сварки плавлением характеризуется необходимостью получения наибольшей глубины проплавления основного металла при минимальном значении погонной энергии.Any type of fusion welding is characterized by the need to obtain the greatest depth of penetration of the base metal with a minimum value of heat input.

Данный способ гибридной лазерно-дуговой сварки является неприемлемым для наплавки из-за большой глубины проплавленияThis method of hybrid laser-arc welding is unacceptable for surfacing due to the large depth of penetration.

Известен способ гибридной лазерно-дуговой наплавки изделия из металла RU 2708715 С1.The known method of hybrid laser-arc surfacing of metal products RU 2708715 C1.

Недостатком данного способа гибридной лазерно-дуговой наплавки является низкое значение удельной производительности процесса наплавки (вес наплавленного металла в час на 1 кВт мощности луча лазера), так как мощность луча лазера не превышает 200 Вт, при этом часть мощности луча лазера отражается от поверхности и не используется для нагрева наплавочной проволоки, что снижает энергетическую эффективность процесса наплавки.The disadvantage of this method of hybrid laser-arc surfacing is the low value of the specific productivity of the surfacing process (weight of the deposited metal per hour per 1 kW of laser beam power), since the laser beam power does not exceed 200 W, while part of the laser beam power is reflected from the surface and does not used to heat the surfacing wire, which reduces the energy efficiency of the surfacing process.

Известен способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов RU 2708715 С1.The known method of laser-arc welding with a consumable electrode of butt joints from aluminum alloys RU 2708715 C1.

Способ не может быть применен для наплавки так как характеризуется значительной глубиной проплавления основного металла.The method cannot be applied for surfacing as it is characterized by a significant depth of penetration of the base metal.

Известны гибридные сварочные аппараты, системы и методы US 8890030 В2.Known hybrid welding machines, systems and methods US 8890030 B2.

Данные гибридные сварочные аппараты, системы и методы гибридной лазерно-дуговой сварки не могут применяться для наплавки, так как они характеризуется значительной глубиной проплавления.These hybrid welding machines, systems and methods of hybrid laser-arc welding cannot be used for surfacing, since they are characterized by a significant depth of penetration.

Известен метод и аппаратура для гибридной сварки в защитном газе US 6469277 В1.A known method and apparatus for hybrid welding in shielded gas US 6469277 B1.

Данный метод не может быть применен для наплавки вследствие большой глубины проплавления основного металла.This method cannot be applied for surfacing due to the large penetration depth of the base metal.

Известна головка для лазерно-дуговой сварки композитных материалов JP 2009262182 А.Known head for laser-arc welding of composite materials JP 2009262182 A.

Основной целью разработанной головки для лазерно-дуговой сварки композитных материалов является подавление сварочных дефектов.The main purpose of the developed head for laser-arc welding of composite materials is the suppression of welding defects.

Применять данную сварочную головку для наплавки не рекомендуется вследствие большой глубины проплавления основного металла.It is not recommended to use this welding head for surfacing due to the large penetration depth of the base metal.

Общим недостатком процессов лазерно-дуговой сварки является повышенное значение глубины проплавления, что не удовлетворяет техническим требованиям процесса наплавки по минимизации глубины проплавления основного металла и, соответственно, получения минимального значения коэффициента перемешивания основного и наплавочного металла.A common disadvantage of laser-arc welding processes is an increased value of the penetration depth, which does not meet the technical requirements of the surfacing process to minimize the penetration depth of the base metal and, accordingly, obtain a minimum value of the mixing coefficient of the base and surfacing metals.

Предложен способ лазерно-дуговой наплавки стали и сплавов, включающий выполнение наплавки при одновременном воздействии отраженного от наплавляемой поверхности непрерывного лазерного излучения и дуги на сварочную проволоку в среде защитных газов, при этом в процессе наплавки лазерный луч и дуговую горелку наклоняют на одинаковый угол углом α в противоположные стороны относительно нормали к наплавляемой поверхности, а отраженный от наплавляемой поверхности лазерный луч попадает в торец наплавочной проволоки, Фиг. 1б. Применяемый данный способ гибридной лазерно-дуговой наплавки позволяет значительно увеличить эффективный коэффициент полезного действия процесса наплавки и соответственно производительность Дуговую горелку устанавливают после лазерного луча по ходу его движения, то есть наплавку осуществляют углом назад. Отраженный от наплавляемой поверхности луч лазера направляют в торец наплавочной проволоки, который является дополнительным источником нагрева и плавления наплавочной проволоки, а направление наплавочной проволоки совпадает с осью отраженного луча лазера.A method of laser-arc surfacing of steel and alloys is proposed, including the implementation of surfacing with simultaneous action of continuous laser radiation and the arc reflected from the surface to be deposited on the welding wire in a shielding gas environment, while in the process of surfacing the laser beam and the arc torch are tilted at the same angle by the angle α in opposite sides relative to the normal to the surface to be welded, and the laser beam reflected from the surface to be welded enters the end of the weld wire, Fig. 1b. The applied method of hybrid laser-arc surfacing can significantly increase the effective efficiency of the surfacing process and, accordingly, the productivity. The laser beam reflected from the surfacing surface is directed to the end face of the surfacing wire, which is an additional source of heating and melting of the surfacing wire, and the direction of the surfacing wire coincides with the axis of the reflected laser beam.

Наплавку осуществляют на дуге обратной полярности с целью уменьшения глубины проплавления металла основы [5].Surfacing is carried out on an arc of reverse polarity in order to reduce the depth of penetration of the base metal [5].

Дуга обратной полярности зажигается между торцом проволоки и центром пятна нагрева сфокусированного луча лазера, в зоне которого образуется приповерхностная лазерная плазма, стабилизирующая геометрическое положение электрической дуги в пространстве, исключающее ее отклонение из-за магнитного дутья и ее срыва при высоких скоростях наплавки.An arc of reverse polarity is ignited between the end of the wire and the center of the heating spot of the focused laser beam, in the zone of which a near-surface laser plasma is formed, which stabilizes the geometric position of the electric arc in space, excluding its deviation due to magnetic blast and its breakdown at high surfacing speeds.

Оптимальное значение угла α находится в пределах: 0°<α<45° и определяется видом переноса расплавленного металла: капельный, струйный, синергетический, а также геометрией наплавляемой поверхности и теплофизическими характеристиками наплавляемого металла.The optimal value of the angle α is in the range: 0 ° <α <45 ° and is determined by the type of transfer of molten metal: drop, jet, synergistic, as well as by the geometry of the surface to be deposited and the thermophysical characteristics of the metal being deposited.

С целью улучшения формирования геометрии наплавленного валика и минимизации глубины проплавления основного металла применяют сканирование луча лазера с определенной частотой, амплитудой и геометрической формой сканирования. Частота и геометрическая форма сканирования определяются условием минимизации глубины проплавления наплавленного валика с металлом основы.In order to improve the formation of the geometry of the deposited bead and minimize the penetration depth of the base metal, the laser beam is scanned with a certain frequency, amplitude and geometric shape of the scan. The frequency and geometric shape of scanning are determined by the condition of minimizing the depth of penetration of the weld bead with the base metal.

Амплитуда сканирования определяется диаметром наплавочной проволоки и шириной наплавляемого валика.The scanning amplitude is determined by the diameter of the deposited wire and the width of the bead being deposited.

Совокупность отличительных признаков положительно влияет на выполнение технических требований, предъявляемых к технологическому процессу наплавки.The set of distinctive features has a positive effect on the fulfillment of technical requirements for the surfacing process.

Способ опробован при наплавке сварочной проволокой Св08Г2С на сталь 40Х.The method was tested when surfacing with Sv08G2S welding wire on 40Kh steel.

Лазерно-дуговую наплавку проводили в среде инертного газа аргона на волоконном лазере модели ЛС-6П4 с использованием инверторного источника питания модели EVOMIG 350 ProFe.Laser-arc surfacing was carried out in an inert argon gas atmosphere on an LS-6P4 fiber laser using an EVOMIG 350 ProFe inverter power source.

Для наплавки использовали оптическую лазерную сканирующую головку фирмы IPG Photonic. Полуавтоматическую лазерно-дуговую наплавку проволокой выполняли непрерывным лучом лазера мощностью от 1,0 до 3,0 кВт. В качестве наплавочного материала использовали сварочную проволоку диаметром 1,2 мм при скорости подачи проволоки от 60 мм/сек до 210 мм/сек, токе дуги от 129 до 387 А, напряжении дуги от 11 до 28 В, скорости наплавки до 60 мм/сек. Частота сканирования луча лазера - 300 Гц, амплитуда сканирования - 1,0 мм. Наибольшая производительность процесса гибридной лазерно-дуговой наплавки при мощности луча лазера 3 кВт составила примерно 6.665 кг/час. Наплавка лучом лазера мощностью 3 кВт позволяет получить производительность 1.2 кг/часAn optical laser scanning head manufactured by IPG Photonic was used for surfacing. Semi-automatic laser-arc welding with wire was performed with a continuous laser beam with a power of 1.0 to 3.0 kW. Welding wire with a diameter of 1.2 mm was used as a surfacing material at a wire feed speed from 60 mm / s to 210 mm / s, an arc current from 129 to 387 A, an arc voltage from 11 to 28 V, a surfacing speed of up to 60 mm / s. ... The scanning frequency of the laser beam is 300 Hz, the scanning amplitude is 1.0 mm. The highest productivity of the hybrid laser-arc surfacing process at a laser beam power of 3 kW was approximately 6.665 kg / h. Cladding with a laser beam with a power of 3 kW allows to obtain a productivity of 1.2 kg / h

Последующий контроль наплавленных валиков, полученных предложенным способом, показал отсутствие дефектов: пор, раковин, подрезов, трещин, поверхность валика ровная. Глубина проплавления при гибридной лазерно-дуговой наплавке находится на уровне глубины проплавления при лазерной наплавке, что позволяет получить заданные служебные свойства в первом наплавленном слоеSubsequent control of the weld beads obtained by the proposed method showed the absence of defects: pores, cavities, undercuts, cracks, the bead surface is even. The penetration depth in hybrid laser-arc surfacing is at the level of the penetration depth in laser surfacing, which makes it possible to obtain the specified service properties in the first deposited layer

Предложенный способ лазерно-дуговой наплавки показал высокую технологическую воспроизводимость процесса наплавки.The proposed method of laser-arc surfacing has shown high technological reproducibility of the surfacing process.

Техническим результатом изобретения является замена высокой стоимости одного кВт мощности луча лазера на один кВт мощности электрической дуги стоимостью более чем на порядок ниже, при сохранении качества наплавленного валика, соответствующего лазерной наплавке и повышение производительности наплавки на 1 кВт мощности луча лазера.The technical result of the invention is to replace the high cost of one kW of laser beam power per kW of electric arc power by more than an order of magnitude lower, while maintaining the quality of the deposited bead corresponding to laser surfacing and increasing the deposition rate per 1 kW of laser beam power.

Производительность лазерной наплавки проволокой составляет примерно 0,4-0,5 кг/час на 1 кВт мощности луча лазер, а производительность лазерно-дуговой наплавки достигает значений 2,0 кг/час на 1 кВт мощности луча лазера.The productivity of laser wire cladding is approximately 0.4-0.5 kg / h per 1 kW of laser beam power, and the productivity of laser-arc surfacing reaches 2.0 kg / h per 1 kW of laser beam power.

Источники информации, использованные в описании:Sources of information used in the description:

1. Восстановление деталей машин: Справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин; Под ред. В.П. Иванова. - М.: Машиностроение, 2003. - 672 с.1. Restoration of machine parts: Handbook / F.I. Panteleenko, V.P. Lyalakin; Ed. V.P. Ivanova. - M .: Mashinostroenie, 2003 .-- 672 p.

2. Глазов В.В., Дьяков А.Н. Опыт института сварки России в разработке технологий наплавки // Сварочное производство, 2006, №2, с. 20-24.2. Glazov V.V., Dyakov A.N. Experience of the Institute of Welding in Russia in the development of surfacing technologies. Welding production, 2006, No. 2, p. 20-24.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 664 с.3. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing. M .: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2006 .-- 664 p.

4. Гибридные технологии лазерной наплавки: Учеб. пособие. / A.M. Забелин, И.Н. Шиганов, A.M. Чирков, Ю.А. Хрусталев. - М.: Изд-во МГОУ, 2007. - 126 с.4. Hybrid technologies of laser cladding: Textbook. allowance. / A.M. Zabelin, I.N. Shiganov, A.M. Chirkov, Yu.A. Khrustalev. - M .: Publishing house of MGOU, 2007 .-- 126 p.

' 5. Лихачев, В. Л. Электродуговая сварка. Пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства: научное издание / В. Л. Лихачев. - М.: СОЛОН-Пресс, 2006. - 639 с.'5. Likhachev, V. L. Electric arc welding. Manual for welders and welding specialists: scientific publication / V.L. Likhachev. - M .: SOLON-Press, 2006 .-- 639 p.

6. Катаяма С. Справочник по лазерной сварке. - М.: Техносфера, 2015. - 704 с.6. Katayama S. Handbook of laser welding. - M .: Technosphere, 2015 .-- 704 p.

Claims

1. A method of hybrid laser-arc surfacing of metals, including feeding a welding wire into the surfacing zone and performing surfacing with simultaneous exposure to continuous laser radiation and an electric arc into one weld pool of the surfacing bead in a shielding gas environment, characterized in that during surfacing, simultaneous action is carried out reflected laser radiation and an electric arc onto the welding wire, while the laser beam and the arc torch are tilted at the same angle and in opposite directions relative to the normal to the surface to be welded to ensure the direction of the laser beam reflected from the surface to be welded to the end of the welding wire, while the arc torch is installed after optical focusing head of the laser beam in the direction of its movement.

2. The method according to claim 1, characterized in that the power density W _p in the zone of action of the laser beam with the surface to be welded is selected from the condition of the formation of a near-surface laser plasma.

3. The method according to claim 1, characterized in that the parameters of the technological process of laser-arc surfacing are selected from the condition of ensuring the minimum penetration depth of the base metal.

4. The method according to claim 1, characterized in that to reduce the penetration depth of the base metal and improve the geometry of the deposited bead formation, the laser beam is scanned.

5. The method according to claim 1, characterized in that the action of the electric arc coincides with the direction of the reflected laser radiation.

6. The method according to claim 1, characterized in that the modes of laser radiation and electric arc of the laser-arc surfacing process are selected from the condition of ensuring the stabilization of the geometric position and combustion of the electric arc.

7. The method according to claim 1, characterized in that the filing of the welding wire is carried out in the direction of the focusing spot of the laser radiation on the surface to be welded.

8. The method according to claim 1, characterized in that argon or a mixture of argon and carbon dioxide is used as an inert gas.