Abstrakcja
Niniejszy artykuł przedstawia podstawowe zasady, charakterystykę procesu oraz szczegółowe zastosowania technologii napawania laserowego w naprawie wału korbowego silnika wysokoprężnego. Na przykładzie naprawy aktywnego zużycia czopa wału przekładni w wale korbowym morskiego silnika wysokoprężnego G6190ZLLCZZ-3R, szczegółowo opisano cały proces, obejmujący zbieranie danych, wykrywanie wad, podgrzewanie wstępne, napawanie laserowe, izolację termiczną i chłodzenie, późniejszą obróbkę mechaniczną, polerowanie, czyszczenie i kontrolę jakości. Technologia napawania laserowego oferuje takie zalety, jak niski stopień rozcieńczenia, wysoka wytrzymałość spoiny i minimalne odkształcenia termiczne, co czyni ją odpowiednią do naprawy precyzyjnych i obciążonych elementów, takich jak wały korbowe, oferując doskonały potencjał ekonomiczny i promocyjny.

1. Wstęp
Silniki Diesla, jako wydajne jednostki napędowe, są szeroko stosowane w napędach statków i systemach wytwarzania energii. Wał korbowy jest kluczowym elementem silnika Diesla, odpowiedzialnym za przekształcanie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka w ruch obrotowy, przenosząc moment obrotowy na urządzenia dodatkowe, takie jak pompa paliwa i pompa oleju, za pośrednictwem przekładni zębatej. Podczas długotrwałej eksploatacji wały korbowe są podatne na zużycie, szczególnie w obszarze czopa wału przekładni zębatej, co wymaga wysokiej precyzji naprawy i generuje wysokie koszty. Napawanie laserowe to metoda modyfikacji powierzchni, która wykorzystuje wiązkę laserową do stopienia materiału powłoki i powierzchni podłoża, a następnie szybkiego zestalenia w celu utworzenia wiązania metalurgicznego. Metoda ta, dzięki gęstej powłoce, dużej sile wiązania i szerokiemu zastosowaniu materiałowemu, otwiera nowe możliwości naprawy wałów korbowych.

2. Proces i cechy technologii napawania laserowego
Istnieją dwa rodzaje procesów napawania laserowego: nakładanie wstępne i synchroniczne. Metoda napawania wstępnego polega na nałożeniu materiału na powierzchnię podłoża przed jego stopieniem laserem, natomiast metoda synchroniczna polega na nałożeniu materiału podczas napromieniowania laserowego, zazwyczaj w postaci proszku lub drutu. Technologia ta charakteryzuje się następującymi cechami:

Szybka prędkość chłodzenia (do 10⁶ K/s), która sprzyja tworzeniu się drobnej struktury krystalicznej.

Niski stopień rozcieńczenia (<5%) i wiązanie metalurgiczne z podłożem.

Minimalna ilość wprowadzanego ciepła umożliwia kontrolę odkształceń przedmiotu obrabianego.

Szeroka gama materiałów powłokowych, umożliwiająca powłokę stopów o wysokiej temperaturze topnienia na podłożach o niskiej temperaturze topnienia.

Szeroki zakres grubości okładziny (0.2-2.0 mm), idealny do napraw miejscowych.

Proces ten można łatwo zautomatyzować.

3. Zbieranie i wstępne przetwarzanie oryginalnych danych wału korbowego
Naprawiany wał korbowy wykonany jest z materiału QT800-2A, z widocznym zużyciem na aktywnej szyjce wału zębatego (przekrój BC na rysunku 2). Zmierzono średnicę zewnętrzną szyjki wału i stwierdzono, że odbiega ona od standardowej średnicy (Ø1100, 180, 200, 180, 20 mm), a zużycie jest nierównomierne. Badania penetracyjne i ultradźwiękowe potwierdziły brak pęknięć i innych defektów na powierzchni. Pierwotną twardość szyjki wału zmierzono na poziomie HRC43. Następnie szyjkę wału toczono do Ø109.50 mm, aby wyeliminować odchylenia od okrągłości i walcowości, przygotowując ją do powlekania.

4. Proces napawania laserowego

Podgrzewanie:Wał korbowy umieszcza się na tokarce i powoli obraca, a piec równomiernie nagrzewa naprawiany obszar do temperatury 250°C.

Naprawa okładzin: Laser półprzewodnikowy z drutem ze stopu żelaza jest używany do synchronicznego nanoszenia powłoki. Podczas procesu ścisła kontrola gradientu temperatury zapewnia metalurgiczne połączenie warstwy powłoki z podłożem, bez pęknięć i porowatości.

Izolacja cieplna:Po wykonaniu okładziny, miejsce naprawy przykrywa się bawełnianą izolacją termiczną i pozostawia na 30 minut, po czym schładza do temperatury pokojowej.

Pomiary:Średnica szyjki wału po nałożeniu powłoki wynosi około Ø112.10 mm, grubość warstwy powłoki wynosi około 1.3 mm, a 0.95 mm materiału pozostaje do obróbki. Twardość obszaru naprawy zwiększono do HRC47.

5. Obróbka po nałożeniu powłoki laserowej

Obróbka metalu:Powierzchnię okładziny wygładza się poprzez toczenie do Ø110.50 mm.

Przemiał:Ostateczny rozmiar jest szlifowany do Ø110.20 mm, aby spełnić wymagania dotyczące dopasowania do koła zębatego.

Regulacja rowka wpustowegoSzerokość rowka wpustowego została wyfrezowana z 22.7 mm do 24 mm, a głębokość z 4.6 mm do 5 mm.

Obliczanie wytrzymałości:Na podstawie mocy znamionowej silnika wysokoprężnego wynoszącej 440 kW i prędkości obrotowej 1300 obr./min obliczono, że naprężenie ścinające skręcające w miejscu naprawy wyniosło 7.39 MPa, co jest wartością niższą od dopuszczalnego naprężenia materiału wynoszącego 256 MPa, spełniającego wymagania eksploatacyjne.

Polerowanie i czyszczenie:Miejsce naprawy polerujemy zieloną pastą polerską i czyścimy detergentem.

Kontrola:Obszar naprawy sprawdzono metodą penetracyjną i ultradźwiękową, nie stwierdzając żadnych uszkodzeń.

6. Wniosek
Technologia napawania laserowego, jako wydajna i niezawodna metoda naprawy powierzchni, wykazuje znaczące zalety w naprawie kluczowych podzespołów, takich jak wały korbowe. W niniejszym artykule przedstawiono konkretny przypadek naprawy, który weryfikuje skuteczność tej technologii w przywracaniu wymiarów i poprawie właściwości powierzchni, a jednocześnie jest ekonomicznie opłacalna. Wraz z rozwojem technologii laserowej, oczekuje się, że jej zastosowanie w naprawie i produkcji statków znacznie się zwiększy.