Технология высокоскоростной лазерной наплавки, разработанная на основе традиционной лазерной наплавки, является эффективной технологией обработки поверхности, которая значительно повышает эффективность обработки и снижает общие затраты. Однако в практическом применении контроль стоимости обработки остается важнейшей задачей. Поскольку стоимость металлического порошка обычно составляет 80%-90% от общей стоимости лазерной наплавки, повышение эффективности использования порошка стало ключевым фактором в продвижении широкомасштабного применения технологии высокоскоростной лазерной наплавки. В этой статье систематически рассматриваются основные факторы, влияющие на использование порошка при высокоскоростной лазерной наплавке, и рассматриваются соответствующие направления оптимизации процесса.

1. Влияние размера пятна расплава на использование порошка

При высокоскоростной лазерной наплавке размер пятна бассейна расплава напрямую определяет эффективную площадь захвата и плавления порошка. Если размер пятна слишком мал, часть порошка не попадет в бассейн расплава, что приведет к отходам. И наоборот, хотя больший размер пятна может улучшить прием порошка за проход, это может привести к снижению плоскостности покрытия, увеличению последующих работ по шлифовке и полировке, что снижает общее использование порошка. Поэтому правильное согласование размера пятна с целями процесса имеет важное значение для улучшения общего использования порошка при высокоскоростной лазерной наплавке.

2. Структура отверстия для подачи порошка и характеристики потока порошка

Диаметр отверстия для подачи порошка в наплавочной головке напрямую влияет на концентрацию и стабильность потока порошка. Меньшие диаметры отверстий приводят к более концентрированным пучкам порошка, но вызывают быстрое рассеивание в воздухе. Большие отверстия могут привести к распространению порошка за пределы зоны действия лазера, что приведет к потере порошка. Идеальный процесс высокоскоростной лазерной наплавки должен обеспечивать, чтобы диаметр пятна порошка на поверхности подложки был немного меньше или равен диаметру пятна в бассейне расплава для максимального использования порошка.

3. Взаимосвязь между мощностью лазера и состоянием плавления порошка

Мощность лазера является основным параметром, определяющим возможность полного расплавления порошка. При постоянной подаче порошка и других условиях процесса недостаточная мощность приводит к неполному расплавлению порошка и его потерям из-за разбрызгивания. Соответствующее увеличение мощности может улучшить скорость плавления порошка и качество склеивания, тем самым повышая эффективность использования порошка при высокоскоростной лазерной наплавке. Однако чрезмерная мощность может привести к чрезмерному испарению или нестабильности бассейна расплава, поэтому очень важно найти оптимальное технологическое окно.

4. Баланс между скоростью подачи порошка и эффективностью процесса

Скорость подачи порошка влияет как на толщину и эффективность формирования плакирующего слоя, так и на расход порошка. При постоянной мощности лазера более низкая скорость подачи порошка приводит к более эффективному использованию каждой единицы порошка. Однако слишком низкая скорость подачи может значительно снизить эффективность наплавки, тем самым сводя на нет преимущества высокоскоростной лазерной наплавки. Поэтому важно оптимизировать скорость подачи порошка с учетом ритма производства и структуры затрат.

5. Влияние скорости сканирования на поведение порошка

При высокоскоростной лазерной наплавке скорость сканирования намного выше, чем при традиционной лазерной наплавке, что предъявляет повышенные требования к движению частиц порошка и поглощению энергии. Повышенная скорость увеличивает кинетическую энергию частиц порошка, заставляя некоторые из них выбрасываться до того, как они достигнут бассейна расплава. Кроме того, высокоскоростное движение сокращает время пребывания порошка в луче, ослабляя эффект плавления. Поэтому, стремясь к высокой скорости, важно соблюдать баланс между эффективностью плавления и использованием порошка.

6. Влияние размера заготовки на передачу энергии

Размер и форма заготовки напрямую влияют на поглощение лазерной энергии и теплопередачу. При проведении высокоскоростной лазерной наплавки на большие или высокопроводящие подложки быстрая потеря тепла может привести к недостаточной температуре бассейна расплава, что затрудняет полное расплавление порошка, а значит, снижает его использование. В таких случаях для поддержания стабильности процесса и оптимизации использования порошка при высокоскоростной лазерной наплавке часто требуется увеличение мощности лазера или применение процессов предварительного нагрева.

7. Размер частиц порошка и его совместимость с процессом наплавки

Размер частиц порошка определяет его скорость поглощения тепла и поведение при плавлении. При высокоскоростной лазерной наплавке время взаимодействия порошка с лазерным лучом крайне мало, поэтому выбор подходящего гранулометрического состава порошка имеет решающее значение. Крупные частицы трудно полностью расплавить за ограниченное время, что приводит к выбросу нерасплавленных частиц, в то время как мелкие частицы с большей вероятностью будут сдуты потоками воздуха или пострадают от выгорания. Правильный выбор порошка - ключ к достижению высокого качества высокоскоростной лазерной наплавки и улучшению использования порошка.

8. Заключение и перспективы

Высокоскоростная лазерная наплавка, являющаяся важным направлением развития технологии лазерной наплавки, зависит от множества факторов процесса и оборудования, влияющих на использование порошка. Все факторы, от контроля пятна и параметров подачи порошка до характеристик порошка и условий заготовки, должны быть систематически рассмотрены и оптимизированы. Важно отметить, что утилизация порошка должна быть направлена не только на прямые потери в процессе наплавки, но и учитывать потери материала на последующих этапах обработки. Поэтому стандартом оценки должно быть “общее использование процесса”.

В будущем, благодаря дальнейшему применению моделирования процесса, мониторинга в реальном времени и управления в замкнутом цикле, ожидается дальнейшее повышение коэффициента использования порошка при высокоскоростной лазерной наплавке. Это будет способствовать более широкому и экономически эффективному промышленному применению данной технологии в восстановительном производстве, обработке поверхностей и аддитивном производстве.