SU1743770A1 - Способ лазерного легировани и наплавки - Google Patents

Abstract

Использование: машиностроение. Сущность изобретени : при лазерном легирова- нии и наплавке на обрабатываемую поверхность под углом к нормали направл ют сфокусированное лазерное излучение, заглубл   его фокус на заданную глубину, а вдоль направлени  отраженного от поверхности излучени  в зону обработки вдувают наносимый порошок. Дл  повышени  КПД и улучшени  качества, величину заглублени  фокуса берут равной AF-Vn ( dqn - Тпл Ят )2 , где Vn - скоро2qn а сть подачи порошка в зону обработки; d - диаметр частиц порошка; а- коэффициент температуропроводности порошка; Тпл. - температура плавлени  порошка; Ат - коэффициент теплопроводности порошка; qn - плотность мощности отраженного лазерного излучени . 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относитс  к технологии лазерной обработки материалов и может быть использовано в судостроении, машиностроении и других отрасл х.

Известно использование луча лазера дл  локального нагрева подложки до температуры , превышающей температуру плавлени  наплавл емого материала.

Недостатком способа  вл етс  низкий коэффициент полез.ного действи  из-за высокой отражательной способности металла подложки.

Известен способ лазерной наплавки, при котором лазерный луч расплавл ет подложку и порошок вдувают в ванну расплава непосредственно за лазерным лучом.

Недостатком способа  вл етс  низкий КПД из-за высокой отражающей способности расплава.

Известен способ, при котором луч лазера фокусируетс  на поверхности заготовки с помощью параболического зеркала, при этом присадочный материал подаетс  в виде порошка струей инертного газа через сопло , проход щее через фокусирующее зеркало.

Недостатком способа  вл етс  сложность изготовлени  фокусирующего зеркала, малый коэффициент полезного действи  из- за рассе ни  луча лазера на частицах порошка до попадани  на заготовку и ухудшение качества наплавленного валика из-за флуктуации плотности мощности и нарушений фокусировки.

Наиболее близким по достигаемому эффекту и технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ наплавки с помощью лазера. На наплавл емую поверхность под углом 7-15° к нормали в зоне обработки

4 СО

Ы ivi

о

направл ют сфокусированное лазерное излучение , а наплавл емый порошок вдувают в ванну расплава по направлению отраженного луча, при этом порошок нагреваетс , что обеспечивает рост КПД процесса и каче- ство наплавки.

Недостатком способа  вл етс  неопределенность варианта фокусировки и отсутствие расчетных формул, определ ющих расположение фокуса относительно повер- хности обрабатываемого издели  в зависимости от теплопроводности, размеров и других характеристик вдуваемого в зону обработки порошка, что не позвол ет добитьс  максимально возможного КПД процесса

Цель изобретени  - увеличение КПД ус- танозки и yiv-.шение качества сплавлени  легирующего порошка с основой.

Способ иллюстрируетс  чертежом.

Длд достижени  указанных целей лазерный луч фокусируют под поверхностью, а наплавл емый порошок вдувают в ванну расплава по направлению отраженного от поверхности издели  луча. Наплавл емый порошок, подают через отраженный луч, сфокусированный под поверхностью, таким образом порошок проходит через фокус d раженного лучз. Порошок улавливает энергию отраженного луча, что увеличивает КПД установки. Прохождение порошка через фокус отраженного луча позвол ет подплавит ь порошок что увеличивает качество сплавлени  порошка с основой. При этом фокус заглубл ют s каждом конкретном случае на строго определенную величину, рассчитанную по формуле

г - ( JESnTj 11 1 -г 2 (- 2q7- ЪГ }

Дл  определени  оптимального заглублени  фокуса под поверхность воспользовались выражением

d - 2 Var --Трр Ат

qn

где d - г.1,-аметр частиц вдуваемого порошка;

а - коэффициент температуропроводности порошка:

г- врем  нагрева;

Тип - температура плавлени  порошка;55

Аг - коэффициент теплопроводности порошка;

qn плотность мощности отраженного излучени .

В свою очередь , где R- коэффициент отражени , учитывающий также и степень диффузности отражени  излучени ; Wp - плотность мощности падающего излучени .

Проделав р д преобразований, найдем врем  нагрева до расплавлени  частиц порошка:

ат -

d qn - Тпл AT 2

т

-- (

(Рп

d qn - Тпл AT 2 2 qn № }

Тогда заглубление фокуса под поверхность A F определим из выражени 

A F Vn г ,

И)

где Vn - скорость подлетающих в зону обработки частиц порошка. Подставим в по- следнеэ выражение (3) и получим

ДР

: Vn f d qn Т - }2(51

k 2qn fa

Оптимальное заглубление фокуса позвол ет не только увеличить КПД установки, но и улучшить качество сплавлени  легирующего порошка с основой.

В случае превышени  Д F оптимального значени  порошок вначале нагреетс  в пе- рет - хке до оплавлени , а затем по мере подлета к ванне расплава и выхода из зоны перет жки остынет В случае недос га точного заглублени  фокуса под поверхность A F порошок не будет успевать нагреватьс  до температур плавлени  A s том и в другом случае в зоне обработки возможно по впе- ние нерасплавившихс  частиц и участков несплавлени  их основой. Снижение скорости дл  устранени  этих дефектов приведет к потере производительности и увеличению зоны пониженной твердости.

Фокусировк, под поверхностью примен етс  а свар,е дл  увеличени  глубины проплавлени , Б резке дл  увеличени  каче- ст ва реза.

Использование энергии отраженного луча иззес но дл  диагностики параметров процесса.

В предложенном способе подача луча под углом используетс  дл  уменьшени  поглощени  плазменным факелом и дл  формировани  отраженного луча в направлении , отличном от направлен1, ,, падающего луча. Фокусировка под поверхностью с оптимальным заглублением примен етс 

дл  увеличени  плотности мощности в отраженном луче и подплавлени  порошков до их попадани  на подложку.

Подача порошка по направлению отраженного луча осуществл етс  дл  улавливани  энергии, что приводит к предварительному нагреву порошка до попадани  в ванну расплава и увеличени  КПД процесса.

П р и м е р. На лазерной технологической установке ХЕБР-1А проводилась наплавка на заготовку стали СТЗ порошка из стали Х18Н9Т. Мощность установки составл ла 1 кВт, расход порошка 0,25 г/с. Угол наклона луча составл л 15°, угол порошка был равен углу наклона луча. Луч фокусировалс  под поверхность заготовки. КПД установки определ лс  калориметрированием, результаты экспериментов представлены в таблице. Оптимальное заглубление фокуса под поверхность рассчитывали по формуле (5), Прин в d 0,02 см; qn Ю6 Вт/см2; Тпл 1600°С; а 0,05 см2/с; А 0,45 Вт/см -град; Vn 8 -10 см/с, получили Д F 8мм.

При A F 8 мм в зоне обработки отсут- ствовали нерасплавившиес  частицы, не наблюдалось несплавлени  легированного сло  с основой. При обработке по прототипу указанные недостатки наблюдались.

Использование изобретени  обеспечи- вает по сравнению с прототипом следующие преимущества: увеличение КПД установки за счет использовани  энергии отраженного луча и устранени  рассе ни  энергии на частицах порошка до попадани 

0

5

0

лазерного луча на заготовку и за счет возможности точной фокусировки излучени ; улучшение качества обработанного издели  за счет улучшени  сплавлени  из-за под- плавлени  частиц порошка до их попадани  на подложку; уменьшение зоны термического вли ни ; улучшение формировани  наплавл емого валика.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ лазерного легировани  и наплавки , при котором на обрабатываемую поверхность под углом к нормали направл ют сфокусированное лазерное излучение, заглубл   его фокус на заданную глубину, а вдоль направлени  отраженного от поверхности излучени  в зону обработки вдувают порошок, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД и улучшени  качества , процесс ведут при величине заглублени  фокуса, равной

   A F Vn (

   ck)n - Тпп AT 2qn ГЙ

   )2

   где Vn - скорость подачи порошка;

   d - диаметр частиц порошка; а - коэффициент температуропроводности порошка;

   Тпл температура плавлени  порошка;

   Ат - коэффициент теплопроводности порошка;

   qn - плотность мощности отраженного лазерного излучени .