1. Wprowadzenie do technologii napawania laserowego

Technologia napawania laserowego oferuje znaczące korzyści w porównaniu z innymi technikami inżynierii powierzchni, w tym szeroki zakres zastosowań, dużą zdolność adaptacji procesu i wysoką elastyczność przetwarzania. Napawanie laserowe może być wykorzystywane do tworzenia powłok stopowych o określonych funkcjach, takich jak odporność na zużycie, odporność na korozję i odporność na utlenianie na powierzchni komponentów. Powłoki te tworzą metalurgiczne wiązania z podłożem, tworząc gęste, wysokowydajne wzmocnione warstwy, które znacznie zwiększają żywotność części. Dodatkowo, grubość warstw napawanych laserowo może sięgać nawet 10 mm (porównywalnie do spawania PTA, ale ze znacznie większą siłą wiązania). W przeciwieństwie do natryskiwania plazmowego i innych procesów, napawanie laserowe ma bardziej precyzyjną kontrolę wkładu termicznego, co skutkuje minimalnym odkształceniem przedmiotu obrabianego.

Napawanie laserowe jest jednak szybkim procesem topienia i krzepnięcia, podczas którego stopiony basen ulega gwałtownym wahaniom temperatury w bardzo krótkim czasie. Prowadzi to do koncentracji naprężeń termicznych, które mogą łatwo powodować pękanie powłoki. Rodzaje i przyczyny pęknięć są następujące:

2. Rodzaje pęknięć i ich przyczyny

1. Pękanie na zimno (powstające podczas chłodzenia)

Pękanie na zimno występuje głównie podczas fazy chłodzenia w procesie napawania. Jest to spowodowane naprężeniami termicznymi, które przekraczają wytrzymałość materiału na rozciąganie ze względu na gradient temperatury między stopionym basenem a podłożem. Aby rozwiązać ten problem, powszechnie stosuje się następujące środki:

• Obróbka wstępna: Wstępne podgrzanie podłoża przed napawaniem laserowym może skutecznie zmniejszyć gradient temperatury i spowolnić szybkość chłodzenia, zmniejszając w ten sposób naprężenia termiczne i zapobiegając pęknięciom. Temperatura podgrzewania musi być jednak precyzyjnie kontrolowana. Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, może to spowodować przegrzanie podłoża, zgrubienie ziaren, a nawet deformację części, co wpływa na dokładność wymiarową.
• Projekt warstwy przejściowej: Dodając pośrednią warstwę przejściową, która jest kompatybilna zarówno z podłożem, jak i warstwą okładziny, można złagodzić naprężenia spowodowane niedopasowanymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej, zmniejszając tendencję do pękania. Chociaż metoda ta jest skuteczna, zwiększa złożoność procesu i koszty produkcji.

2. Pękanie na gorąco (powstałe podczas krzepnięcia)

Pękanie na gorąco występuje zazwyczaj pod koniec fazy krzepnięcia stopionego materiału. Kluczowe przyczyny obejmują:

• Żużel i wtrącenia niemetaliczne: Jeśli proszek stopu zawiera znaczną ilość składników niemetalicznych (takich jak siarka, fosfor lub zanieczyszczenia o niskiej temperaturze topnienia), mogą one nie stopić się w pełni lub wypłynąć ze stopionego jeziorka. Mogą one zostać uwięzione w zestalonej strukturze, działając jako źródło pęknięć pod wpływem naprężeń.
• Niedopasowanie parametrów procesu: Jeśli parametry takie jak moc lasera, prędkość skanowania i szybkość podawania proszku są nieprawidłowo ustawione, stopiony basen może nie mieć wystarczającej ilości czasu na reakcję lub umożliwienie wypłynięcia elementów niemetalicznych. W takich przypadkach należy odpowiednio zwiększyć moc lasera lub zmniejszyć prędkość skanowania, aby wydłużyć czas trwania fazy ciekłej w stopionym basenie. Pomoże to ułatwić wzrost zanieczyszczeń i ucieczkę gazów, zmniejszając tym samym ryzyko pękania na gorąco.

3. Pęknięcia obróbkowe (powstałe podczas obróbki końcowej)

Warstwy napawane laserowo mogą również pękać mechanicznie podczas operacji obróbki końcowej, takich jak toczenie lub frezowanie. Warstwa okładziny często zawiera twarde i kruche fazy (takie jak węgliki i borki), które, jeśli zostaną poddane nadmiernym siłom skrawania lub niewłaściwemu oprzyrządowaniu, mogą prowadzić do miejscowej koncentracji naprężeń, powodując mikropęknięcia, a nawet odpryski w skali makro. Aby temu zapobiec, należy zoptymalizować następujące praktyki obróbki skrawaniem:

• Wybór odpowiednich materiałów narzędzi tnących i kątów geometrycznych.
• Kontrola głębokości cięcia i prędkości posuwu.
• Stosować minimalne smarowanie lub niskotemperaturowe metody chłodzenia w celu obniżenia temperatury i siły cięcia.

3. Podsumowanie i rozwiązania

Pękanie powłok napawanych laserowo jest wynikiem połączonego wpływu właściwości materiału, parametrów procesu i warunków naprężenia. Greenstone-Tech zaleca kompleksowe podejście do kontroli pękania podczas aplikacji, w tym:

• Wybór proszku stopowego: Wybór odpowiedniego proszku stopowego, który odpowiada pożądanej wydajności i zmniejsza ryzyko pęknięć.
• Optymalizacja parametrów procesu: Regulacja parametrów, takich jak moc lasera, prędkość skanowania i szybkość podawania proszku w celu zapewnienia spójnych i wysokiej jakości powłok.
• Strategie podgrzewania i obróbki końcowej: Zastosowanie wstępnego podgrzewania przed platerowaniem i procesów obróbki końcowej, takich jak obróbka cieplna, w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i poprawy właściwości materiału.
• Koordynacja obróbki: Optymalizacja operacji obróbki końcowej w celu zmniejszenia naprężeń mechanicznych i zapobiegania pękaniu.

Dzięki systematycznej kontroli tych czynników możliwe jest skuteczne tłumienie pęknięć i uzyskanie kompletnych, gęstych i wydajnych warstw okładzin.