۱. مروری بر فناوری روکش‌کاری لیزری

روکش‌کاری لیزری یک فناوری پیشرفته مهندسی سطح و بازسازی است که در درجه اول شامل رسوب مواد روکش روی سطح زیرلایه می‌شود. از یک پرتو لیزر با انرژی بالا برای ذوب کردن مواد روکش استفاده می‌شود که سپس به سرعت جامد می‌شود و یک لایه پیوند متالورژیکی تشکیل می‌دهد. این فناوری به طور قابل توجهی خواص سطحی مواد، از جمله مقاومت در برابر سایش و خوردگی را افزایش می‌دهد و امکان تعمیرات و تقویت قطعات با کارایی بالا را فراهم می‌کند.

در مقایسه با فناوری‌های سنتی عملیات سطحی مانند آبکاری الکتریکی و پاشش حرارتی، پوشش‌های تولید شده توسط روکش لیزری یکنواخت‌تر، متراکم‌تر و دارای دانه‌های ریزتری هستند. علاوه بر این، منطقه تحت تأثیر حرارت کوچکتر است و نرخ رقیق‌سازی قابل کنترل است که چشم‌انداز کاربرد صنعتی وسیع‌تری را فراهم می‌کند. با این حال، فرآیندهای روکش لیزری سنتی نیز محدودیت‌هایی دارند، مانند نرخ رقیق‌سازی که معمولاً بیش از 10٪ است. برای دستیابی به حفاظت مؤثر، پوشش‌های ضخیم‌تری مورد نیاز است و زبری سطح ممکن است خیلی زیاد باشد که نیاز به ماشینکاری اضافی دارد و منجر به اتلاف مواد و زمان می‌شود. علاوه بر این، ورودی حرارتی بالا در فرآیندهای سنتی می‌تواند باعث تنش حرارتی و ترک خوردگی در زیرلایه شود و راندمان تولید برای روکش‌کاری سریع در سطح بزرگ مناسب نیست و کاربرد بیشتر آن را محدود می‌کند.

2. مقدمه‌ای بر فناوری روکش‌کاری لیزری پرسرعت

در سال‌های اخیر، فناوری روکش‌کاری لیزری پرسرعت، پیشرفت‌های چشمگیری در کارایی فرآیند و کیفیت پوشش داشته است. این فناوری از روش تغذیه پودر هم محور استفاده می‌کند که امکان تمرکز بیشتر انرژی لیزر بر جریان پودر را فراهم می‌کند. پودر قبل از ورود به حوضچه مذاب، به‌طور کامل یا جزئی ذوب می‌شود که این امر به‌طور قابل‌توجهی ورودی حرارتی به زیرلایه را کاهش داده و کارایی روکش‌کاری و استفاده از پودر را افزایش می‌دهد.

تجهیزات روکش‌کاری لیزری پرسرعت معمولاً ماژولار هستند و نگهداری و تعویض قطعات را آسان‌تر می‌کنند و در عین حال ثبات و تکرارپذیری فرآیند را تضمین می‌کنند. ساختار نازل نیز انعطاف‌پذیر است و به آن اجازه می‌دهد تا با مناطق مختلف پردازش سازگار شود. سرهای روکش‌کاری لیزری فوق سریع جدید، مسیر نوری و طراحی جریان پودر را بهینه می‌کنند و باعث بهبود بیشتر مصرف انرژی و پایداری فرآیند می‌شوند و در نتیجه پوشش‌های صاف‌تر با زبری کمتر ایجاد می‌شوند.

انتظار می‌رود که روکش‌کاری لیزری پرسرعت به تدریج جایگزین فناوری روکش‌کاری لیزری سنتی شود و به روش اصلی در مهندسی سطح و بازسازی تبدیل شود. با این حال، روکش‌کاری لیزری یک فرآیند پیچیده شامل کوپلینگ چند پارامتری است و ضروری است که کاربران مکانیسم و ​​نقاط کنترل کلیدی فرآیند آن را به طور کامل درک کنند. بخش‌های زیر اصول کار، پارامترهای کلیدی فرآیند، اثرات آنها و مسائل رایج در روکش‌کاری لیزری پرسرعت را خلاصه می‌کنند.

۳. اصول کار روکش کاری لیزری پرسرعت

اصل اساسی روکش‌کاری لیزری پرسرعت، استفاده از پرتو لیزر پرانرژی برای ذوب مستقیم پودر فلزی است که در هوا پاشیده می‌شود و همزمان سطح زیرلایه را ذوب می‌کند تا یک حوضچه مذاب تشکیل شود. پودر ذوب‌شده و ماده زیرلایه به صورت متالورژیکی در حوضچه مذاب به هم متصل می‌شوند و مخلوط به سرعت خنک و جامد می‌شود تا یک پوشش سطحی با کارایی بالا تشکیل شود. پارامترهای صحیح روکش‌کاری لیزری برای دستیابی به پوشش‌های با کیفیت بالا بسیار مهم هستند.

۴. پارامترهای کلیدی فرآیند و تأثیر آنها بر روکش کاری لیزری پرسرعت

1. قدرت لیزر

توان لیزر، میزان پودری که می‌تواند در واحد زمان ذوب شود و راندمان روکش را تعیین می‌کند. توان کم می‌تواند منجر به ذوب ناقص پودر شود که باعث ایجاد حفره، پیوند ضعیف و سختی پایین پوشش می‌شود. از سوی دیگر، توان بیش از حد ممکن است حوضچه مذاب را بیش از حد گرم کند که باعث ایجاد چین و چروک سطحی یا حتی تبخیر فلز می‌شود.

۲. نرخ تغذیه پودر

نرخ تغذیه پودر بر جذب و توزیع انرژی لیزر تأثیر می‌گذارد. تغذیه بیش از حد پودر می‌تواند باعث شود انرژی کافی برای ذوب شدن تمام پودر وجود نداشته باشد و منجر به اتصال ضعیف، ایجاد حفره و لایه برداری شود. تغذیه ناکافی پودر، میزان استفاده از پودر را افزایش می‌دهد، اما برای اطمینان از تداوم و ضخامت پوشش، نیاز به کنترل دقیق دارد.

۳. سرعت اسکن

سرعت اسکن بر ضخامت پوشش و کیفیت اتصال تأثیر می‌گذارد. اگر سرعت خیلی زیاد باشد، ممکن است زیرلایه نتواند یک حوضچه مذاب مؤثر تشکیل دهد و در نتیجه اتصال ضعیف و کنده شدن آسان رخ دهد. افزایش مناسب سرعت می‌تواند سختی پوشش و استفاده از پودر را افزایش دهد.

۴. نرخ همپوشانی

نرخ همپوشانی بر کیفیت سطح و نرخ رقیق‌سازی پوشش تأثیر می‌گذارد. نرخ همپوشانی بالا (اندازه گام کوچک) منجر به سطح صاف‌تر و نرخ رقیق‌سازی پایین‌تر می‌شود، در حالی که نرخ همپوشانی پایین منجر به رگه‌های قابل مشاهده و رقیق‌سازی بالاتر می‌شود.

5. نرخ جریان گاز

جریان گاز دو هدف را دنبال می‌کند: انتقال پودر و محافظت از حوضچه مذاب. جریان ناکافی گاز می‌تواند باعث گرفتگی پودر شود، در حالی که جریان بیش از حد گاز، استفاده از پودر را کاهش می‌دهد. آرگون معمولاً به عنوان گاز محافظ استفاده می‌شود و محافظت اکسیداسیون بهتری نسبت به نیتروژن ارائه می‌دهد که به بهبود کیفیت پوشش روکش لیزری کمک می‌کند.

6. ارتفاع نازل

ارتفاع نازل بر همگرایی و استفاده از پودر تأثیر می‌گذارد. ارتفاع نازل خیلی زیاد باعث پراکندگی پودر و کاهش راندمان می‌شود، در حالی که ارتفاع خیلی کم ممکن است منجر به چسبندگی پودر نازل شود و در فرآیند روکش‌دهی لیزری معمولی اختلال ایجاد کند.

۵. مشکلات و علل رایج در روکش کاری لیزری پرسرعت

لایه برداری پوششاین اتفاق زمانی رخ می‌دهد که زیرلایه، حوضچه مذاب تشکیل نمی‌دهد و پودر نمی‌تواند به صورت متالورژیکی با زیرلایه پیوند برقرار کند. علل رایج شامل توان کم، تغذیه بیش از حد پودر، سرعت بالای اسکن یا آلودگی سطح زیرلایه با روغن یا پوشش‌ها است.

ترکترک خوردگی معمولاً به دلیل سختی بالای زیرلایه، لایه‌های خستگی یا سختی بالای پودر ایجاد می‌شود. لایه‌های متعدد روکش می‌توانند باعث تجمع تنش شوند و پودرهای پایه نیکل به ویژه حساس هستند.

تخلخل: ناشی از زنگ زدگی، آلودگی روغن روی زیرلایه، ناخالصی‌های موجود در پودر، رطوبت یا پارامترهای نادرست فرآیند مانند توان ناکافی، تغذیه بیش از حد پودر یا سرعت بالای اسکن.

پودر بیش از حد و عدم درخشندگی فلزی: این معمولاً ناشی از تغذیه بیش از حد پودر، توان ناکافی، سرعت اسکن سریع، ارتفاع زیاد نازل یا نقاط لیزر ناهماهنگ است.

ایجاد حفره پس از سنگ زنی: اغلب نتیجه‌ی توان ناکافی، تغذیه‌ی بیش از حد پودر یا سرعت بالای اسکن است که مانع از ذوب کامل پودر می‌شود.

چین و چروک‌های مورب: ناشی از توان بیش از حد، دمای بالای حوضچه مذاب یا مایع شدن بیش از حد پودر.

چسبندگی پودر به نازلاین مشکل مربوط به تغذیه بیش از حد پودر، دمای بالای نازل، ارتفاع کم نازل یا زبری سطح است. تنظیمات خارج از مرکز سر روکش می‌تواند به کاهش این مشکل کمک کند.

گرفتگی پودر: اغلب به دلیل جریان پذیری ضعیف پودر، ناخالصی ها، رطوبت یا عملکرد ضعیف سیستم تغذیه پودر ایجاد می شود. توزیع ناهموار پودر در سیستم های تغذیه چندگانه نیز می تواند باعث گرفتگی شود.

صدای جلز و ولز هنگام روکش کاری: این ممکن است به دلیل آلودگی پودر، رطوبت، زیرلایه کثیف یا قدرت بالا که منجر به تبخیر فلز می‌شود، رخ دهد که می‌تواند بر مقاومت در برابر خوردگی پوشش تأثیر بگذارد.

پاشش جرقه: ناشی از سرعت بالای اسکن، چگالی توان بالا، جریان زیاد گاز یا عدم تطابق توان و نرخ تغذیه پودر.

جریان پودر ناپایدار: ناشی از سایش خراشنده، انسداد مسیر تغذیه پودر، جریان کم گاز یا آب‌بندی ضعیف تغذیه‌کننده پودر که منجر به پوشش ناهموار می‌شود.

کاهش راندمان روکش: اغلب به دلیل آلودگی لنزهای محافظ، ساییدگی ناشی از خراش، فاصله کاری نامناسب، سوراخ‌های پودر فرسوده یا تخریب توان لیزر.

6. نتیجه

روکش‌کاری لیزری پرسرعت، به عنوان یک فناوری روکش‌کاری لیزری نسل بعدی، مزایای قابل توجهی در بهبود راندمان، کاهش ورودی حرارتی و افزایش کیفیت سطح ارائه می‌دهد. این فناوری در حال تبدیل شدن به یک جهت‌گیری مهم برای بهبود و بازسازی سطح است. تسلط بر اصول آن و کنترل پارامترهای کلیدی، ضمن شناسایی و حل عیوب رایج، برای ارتقای کاربرد آن در تولید عملی بسیار مهم است. با پیشرفت‌های مداوم در تجهیزات و مواد مرتبط، روکش‌کاری لیزری پرسرعت نقش حیاتی در زمینه‌های صنعتی بیشتری ایفا خواهد کرد.