1. Přehled technologie laserového plátování

Laserové plátování je pokročilá technologie povrchového inženýrství a obnovy, která zahrnuje především nanášení plátovacího materiálu na povrch substrátu. Vysokoenergetický laserový paprsek se používá k roztavení plátovacího materiálu, který poté rychle tuhne a vytváří metalurgicky spojenou vrstvu. Tato technologie výrazně zlepšuje povrchové vlastnosti materiálů, včetně odolnosti proti opotřebení a korozi, a umožňuje tak vysoce výkonné opravy a zesílení součástí.

V porovnání s tradičními technologiemi povrchové úpravy, jako je galvanické pokovování a tepelné stříkání, jsou povlaky vytvořené laserovým plátováním rovnoměrnější, hustší a mají jemnější zrna. Kromě toho je tepelně ovlivněná zóna menší a míra ředění je regulovatelná, což poskytuje širší možnosti průmyslového využití. Tradiční procesy laserového plátování však mají také svá omezení, například rychlost ředění obvykle přesahuje 10%. K dosažení účinné ochrany jsou nutné silnější povlaky a drsnost povrchu může být příliš vysoká, což vyžaduje dodatečné obrábění, což vede k materiálovým a časovým ztrátám. Kromě toho může vysoký tepelný příkon při tradičních procesech způsobit tepelné napětí a praskání substrátu a účinnost výroby není vhodná pro velkoplošné rychlé oplášťování, což omezuje jeho další použití.

2. Úvod do technologie vysokorychlostního laserového plátování

V posledních letech dosáhla technologie vysokorychlostního laserového plátování významného pokroku v efektivitě procesu i v kvalitě povlakování. Tato technologie využívá koaxiální způsob podávání prášku, který umožňuje větší koncentraci laserové energie na tok prášku. Prášek je před vstupem do bazénu taveniny buď zcela, nebo částečně roztaven, což výrazně snižuje tepelný příkon substrátu a zvyšuje účinnost plátování a využití prášku.

Zařízení pro vysokorychlostní laserové plátování je obvykle modulární, což usnadňuje údržbu a výměnu součástí a zároveň zajišťuje konzistenci a opakovatelnost procesu. Konstrukce trysky je také flexibilní, což umožňuje její přizpůsobení různým oblastem zpracování. Nové superrychlé laserové plátovací hlavy optimalizují optickou dráhu a konstrukci toku prášku, čímž dále zlepšují využití energie a stabilitu procesu, což vede k hladším povlakům s nižší drsností.

Očekává se, že vysokorychlostní laserové plátování postupně nahradí tradiční technologii laserového plátování a stane se hlavní metodou v povrchovém inženýrství a obnově. Laserové plátování je však složitý proces zahrnující propojení více parametrů a je nezbytné, aby uživatelé důkladně porozuměli jeho mechanismu a klíčovým kontrolním bodům procesu. Následující oddíly shrnují principy fungování, klíčové parametry procesu, jejich účinky a běžné problémy při vysokorychlostním laserovém plátování.

3. Pracovní princip vysokorychlostního laserového plátování

Základním principem vysokorychlostního laserového plátování je použití vysokoenergetického laserového paprsku k přímému roztavení kovového prášku, který je rozprašován do vzduchu, a současně roztavení povrchu substrátu za vzniku taveniny. Roztavený prášek a materiál substrátu se v bazénu taveniny metalurgicky spojí, směs se rychle ochladí a ztuhne a vytvoří vysoce výkonný povrchový povlak. Pro dosažení vysoce kvalitních povlaků jsou rozhodující správné parametry laserového plátování.

4. Klíčové parametry procesu a jejich vliv na vysokorychlostní laserové plátování

1. Výkon laseru

Výkon laseru určuje množství prášku, které lze roztavit za jednotku času, a účinnost plátování. Nízký výkon může mít za následek neúplné roztavení prášku, což způsobuje tvorbu důlků, slabé spojení a nízkou tvrdost povlaku. Na druhou stranu příliš vysoký výkon může způsobit přehřátí taveniny, což může způsobit zvrásnění povrchu nebo dokonce odpaření kovu.

2. Rychlost podávání prášku

Rychlost podávání prášku ovlivňuje absorpci a distribuci laserové energie. Nadměrný přísun prášku může způsobit, že energie nebude stačit k roztavení veškerého prášku, což povede ke špatnému spojování, vzniku důlků a odlupování. Nedostatečné podávání prášku zvyšuje využití prášku, ale vyžaduje pečlivou kontrolu, aby byla zajištěna kontinuita a tloušťka povlaku.

3. Rychlost skenování

Rychlost skenování ovlivňuje tloušťku povlaku a kvalitu lepení. Pokud je rychlost příliš vysoká, nemusí se na podkladu vytvořit účinná tavenina, což má za následek slabé lepení a snadné odlupování. Správné zvýšení rychlosti může zvýšit tvrdost povlaku a využití prášku.

4. Míra překrývání

Míra překrytí ovlivňuje kvalitu povrchu a míru ředění nátěru. Vysoká míra překrytí (malá velikost kroku) vede k hladšímu povrchu a nižší míře ředění, zatímco nízká míra překrytí vede k viditelným pruhům a vyšší míře ředění.

5. Průtok plynu

Proudění plynu slouží k dvojímu účelu, a to k přepravě prášku a k ochraně bazénu taveniny. Nedostatečný průtok plynu může způsobit ucpání prášku, zatímco nadměrný průtok plynu snižuje využití prášku. Jako ochranný plyn se obvykle používá argon, který nabízí lepší ochranu proti oxidaci než dusík, což pomáhá zlepšit kvalitu povlaku laserového plátování.

6. Výška trysky

Výška trysky ovlivňuje konvergenci a využití prášku. Příliš vysoká výška trysky způsobuje rozptyl prášku, což snižuje účinnost, zatímco příliš nízká výška může vést k přilnavosti prášku k trysce, což narušuje normální proces laserového plátování.

5. Běžné problémy a příčiny při vysokorychlostním laserovém plátování

Odlupování povlaku: K tomu dochází, když se na podkladu nevytvoří tavenina a prášek se metalurgicky nespojí s podkladem. Mezi běžné příčiny patří nízký výkon, nadměrné dávkování prášku, vysoká rychlost skenování nebo znečištění povrchu substrátu olejem či povlaky.

Trhliny: Praskání je obvykle způsobeno vysokou tvrdostí podkladu, únavovými vrstvami nebo vysokou tvrdostí prášku. Více vrstev plátování může způsobit akumulaci napětí a prášky na bázi niklu jsou obzvláště citlivé.

Pórovitost: Příčinou je rez, znečištění substrátu olejem, nečistoty v prášku, vlhkost nebo nesprávné parametry procesu, jako je nedostatečný výkon, nadměrný přísun prášku nebo vysoká rychlost skenování.

Nadměrné množství prášku a nedostatek kovového lesku: Příčinou je obvykle nadměrné dávkování prášku, nedostatečný výkon, vysoká rychlost skenování, vysoká výška trysky nebo nesoulad laserových bodů.

Pitting po broušení: Často je to důsledek nedostatečného výkonu, nadměrného dávkování prášku nebo vysoké rychlosti snímání, která brání úplnému roztavení prášku.

Šikmé vrásky: Příčinou je příliš velký výkon, vysoká teplota taveniny nebo nadměrné zkapalnění prášku.

Přilnavost prášku k trysce: To souvisí s nadměrným dávkováním prášku, vysokou teplotou trysky, nízkou výškou trysky nebo drsností povrchu. Excentrické nastavení plátovací hlavy může pomoci tento problém zmírnit.

Ucpávání práškem: Příčinou je často špatná sypkost prášku, nečistoty, vlhkost nebo špatná výkonnost systému podávání prášku. Nerovnoměrné rozložení prášku v systémech s vícenásobným podáváním může rovněž způsobit ucpání.

Syčivý zvuk při obkládání: K tomu může dojít v důsledku znečištění práškem, vlhkosti, nečistého podkladu nebo vysokého výkonu, který vede k odpařování kovu, což může ovlivnit korozní odolnost povlaku.

Stříkající jiskra: Příčinou je vysoká rychlost skenování, vysoká hustota výkonu, velký průtok plynu nebo nesoulad mezi výkonem a rychlostí podávání prášku.

Nestabilní tok prášku: Příčinou je opotřebení škrabky, ucpání průchodu podavače prášku, malý průtok plynu nebo špatné těsnění podavače prášku, což vede k nerovnoměrnému nanášení.

Snížená účinnost opláštění: Často v důsledku znečištění ochranné čočky, opotřebení škrabky, nesprávné pracovní vzdálenosti, opotřebovaných otvorů pro prášek nebo snížení výkonu laseru.

6. Závěr

Vysokorychlostní laserové plátování, jako technologie nové generace laserového plátování, nabízí významné výhody při zvyšování účinnosti, snižování tepelného příkonu a zlepšování kvality povrchu. Stává se důležitým směrem pro vylepšování povrchu a obnovu. Zvládnutí jejích principů a kontrola klíčových parametrů při identifikaci a řešení běžných vad jsou klíčové pro podporu jejího uplatnění v praktické výrobě. S neustálým pokrokem v souvisejícím vybavení a materiálech bude vysokorychlostní laserové plátování hrát důležitou roli ve více průmyslových oblastech.