Способ лазерного легирования и наплавки
Использование: машиностроение. Сущность изобретения: при лазерном легировании и наплавке на обрабатываемую поверхность под углом к нормали направляют сфокусированное лазерное излучение, заглубляя его фокус на заданную глубину, а вдоль направления отраженного от поверхности излучения в зону обработки вдувают наносимый порошок. Для повышения КПД и улучшения качества, величину заглубления фокуса берут равной AF-Vn ( dqn - Тпл Ят )2 , где Vn - скоро2qn а сть подачи порошка в зону обработки; d - диаметр частиц порошка; акоэффициент температуропроводности порошка; Тпл. - температура плавления порошка; Ат - коэффициент теплопроводности порошка; qn - плотность мощности отраженного лазерного излучения. 1 ил., 1 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 В 23 К 26/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
h,F =Чп
1
1 М СЭ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4804453/08 (22) 20.03.90 (46) 30.06.92. Бюл.N 24 (71) Ленинградский государственный технический университет (72) С.Г. Горный, А.А. Казаков, В.А. Лопата, Н,В. Смирнов, Ю.А. Строфилов и А.П. Чекмезов (53) 621.791.72.(088.8) (56) Григорянц А.Г. и др. Методы поверхностной лазерной обработки.— M.: Высшая школа, 1987. (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
И НАПЛАВКИ (57) Использование: машиностроение. Сущность изобретения: при лазерном легировании и наплавке на обрабатываемую поверхность под углом к нормали направляИзобретение относится к технологии лазерной обработки материалов и может быть использовано в судостроении, машиностроении и других отраслях.
Известно использование луча лазера для локального нагрева подложки до температуры, превышающей температуру плавления наплавляемого материала.
Недостатком способа является низкий коэффициент полезного действия из-за высокой отражательной способности металла подложки.
Известен способ лазерной наплавки, при котором лазерный луч расплавляет подложку и порошок вдувают в ванну расплава непосредственно за лазерным лучом.
Недостатком способа является низкий
КПД из-за высокой отражающей способности расплава.
„„. Ж„„1743770 А1 ют сфокусированное лазерное излучение, заглубляя его фокус на заданную глубину, а вдоль направления отраженного от поверхности излучения в зону обработки вдувают наносимый порошок, Для повышения КПД и улучшения качества, величину заглубления фокуса берут равной, где Чл скоро
2q,. 1а сть подачи порошка в зону обработки; d— диаметр частиц порошка; а — коэффициент температуропроводности порошка; Т л.— температура плавления порошка; i4 — коэффициент теплопроводности порошка; qn— плотность мощности отраженного лазерного излучения. 1 ил., 1 табл.
Известен способ, при котором луч лазера фэкусируется на поверхности заготовки с помощью паоаболического зеркала, при этом присадочный материал подается в виде порошка струей инертного газа через сопло, проходящее через фокусирующее зеркало.
Недостатком способа является сложность изготовления фокусирующего зеркала, малый коэффициент полезного действия изза рассеяния луча лазера на частицах порошка до попадания на заготовку и ухудшение качества наплавленного валика из-за флуктуаций плотности мощности и нарушений фокусировки.
Наиболее близким по достигаемому эффекту и технической сущности к предлагаемому является способ наплавки с помощью лазера, На наплавляемую поверхность под углом 7 — 15 к нормали в зоне обработки
1743770 направляют сфокусированное лазерное излучение, а наплавляемый порошок вдувают в ванну расплава по направлению отраженного луча, при этом порошок нагревается, что обеспечивает рост КПД процесса и качестВО наплаВки.
Недостатком способа является неопределенность варианта фокусировки и отсутствие расчетных формул, определяющих распола>кенле фокуса относительно повер хности абрабагываемого изделия в зависимости от теплопроводности, размеров и других характеристик вдуваемого в зону обработки nopoiI KB, что не позволяет добиться максимально возможного КПД и ра цесса.
Цепь изобретения — увеличение КПД ус BHoBI Способ иллюстрируется чертежом. Для достижения указанных целей лаз pHIIA луч фокусируют под поверхнсстью, а наплавпяемый порошок вдувают в ванну расплава па наг равлению отраженного от поверхности изделия луча. НаплавляеMый порошок пода!от через отраженный пуч, сфокусированный под поверхностью, таким асразом порошок прсходлт через фокус o iраженного луча, Порошок улавливает энергию отраженного луч", чта увеличивает КПД установки. Праха>кдение парашка через фокус отраженного пу«а позволяет псдплавить порошок. чта увеличивает качество сг!лавг! Bния порошка с основой, При этом фокус заглубпя;ат В каждом конкретном случае на строго опреде1енHóio величину, рассчитанную по формуле C!qn пл -т )З 1.- — Оп 2q Для определения оптимального заглубления фокуса пад поверхность воспользовались выоа>кение!л Т „ ci =2 уь.п г,пе n —,-иаметр частиц вдуваемого парашка; гт — коэффицлент температураправодности парашка; г- время нагрева; Тт!; — температура плавления порошка; Ят — коэффициент теплоп роводности порошка; qn — ПЛОтНОСтЬ МОЩНОСТИ ОтРа>КЕННОГО излучения, В свою очередь qn=R Wp, где R — коэффициент отражения, учитывающий также и степень диффузности отражения излучения; У/р — плотность мощности падающего 5 излучения, Процелав ряд преобразований, найдем время нагрева до расплавления частиц порошка: / <> Цп Тпл т,2 4 Q 7 =- Цп qn Тпл лт )2 qn VQ y 15 (3) Тогда загпубпение фокуса пад поверхность Ь F определим из выражения (4) где dn — скорость подлетаюгцих в зону oopBGc òêè частиц порошка. Подсгавим в последне выражение (3) и получим qn Тпл т )2 <51 2с . >7i Оптимальное загпубление фс!<уса позволяет не только увеличить КПД установки, но и улучшить качество спг!авлен!!я легирующегс порошка с основой, В случае превышения Л F огг-лмального значенля порошок вначале нагреется в пеpB .:-".>кке до оплавления, а затем по мере 35 подлета к BBHHF. расплава и выхода из зоны перегя>кки остынет. В случае недостато !НОгс за пубпения фокуса пад поверхность Л F порошок не будет успевать I.BãpåâBTI,ся qo 40 температур плавления.,4 в там и в другам случа". в зоне обработки возмо>кнс появление нерасплавившихся частиц и у<асткОВ несппавления их основой. С !и>кение скорости для устранения э их дефек гав приведет к патере прслзвсдительности и увеличен!лю зоны пониженной твердости. Фокусировк,:. под поверхностью примеяется в сварке для увеличения глубины проппавления, ь резке для увеличения каче50 с- ва реза. Лспспьзавание энергии отра>ке! IHOI . пуча известно для диагностики параметров процесса. В предложенном способе подача пуча под углом используется для уменьшения поглощения плазменным факепсм и для формиpoBBHI отраженного луча в направлении, отличном от направлен... падаюгцегс луча. Фокусировка под поверх:-;остью с on;cè.:IBnI ным заглублен!ле,л применяется 1743770 для увеличения плотности мощности в отраженном луче и подплавления порошков до их попадания на подложку. Подача порошка по направлению отраженного луча осуществляется для улавливания энергии, что приводит к предварительному нагреву порошка до попадания в ванну расплава и увеличения КПД и роцесса. Пример. На лазерной технологической установке ХЕБР-1А проводилась наплавка на заготовку стали СТЗ порошка из стали Х18Н9Т. Мощность установки составляла 1 кВт, расход порошка 0,25 г/с, Угол наклона луча составлял 15, угол порошка был равен углу наклона луча. Луч фокусировался под поверхность заготовки. КПД установки определялся калориметрированием, результаты экспериментов представлены в таблице. Оптимальное заглубление фокуса под поверхность рассчитывали по формуле (5), Приняв d= 0,02 см; gn= 10 Вт/см; Т д= = 1600 С; а = 0,05 см /c; А = 0,45 Вт/см.град; Чав = 8 10 см/с, получили Ь F= 8 мм. г При Ь F = 8 мм в зоне обработки отсутствовали нерасплавившиеся частицы, не наблюдалось несплавления легированного слоя с основой, При обработке по прототипу указанные недостатки наблюдались, Использование изобретения обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: увеличение КПД установки за счет использования энергии отраженного луча и устранения рассеяния энергии на частицах порошка до попадания лазерного луча на заготовку и за счет возможности точной фокусировки излучения; улучшение качества обработанного изделия за счет улучшения сплавления из-за под5 плавления частиц порошка до их попадания на подложку; уменьшение зоны термического влияния; улучшение формирования наплавляемого валика. 10 Формула изобретения Способ лазерного легирования и наплавки, при котором на обрабатываемую поверхность под углом к нормали направляют сфокусированное лазерное излучение, 15 заглубляя его фокус на заданную глубину, а вдоль направления отраженного от поверхности излучения в зону обработки вдувают порошок, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и улучшения качест20 ва, процесс ведут при величине заглубления фокуса, равной h,F (dqP Тпл Лт )2 2ц, а 25 где V — скорость подачи порошка; d — диаметр частиц порошка; а — коэффициент температуропроводности порошка; 30 Тпд — температура плавления порошка; А — коэффициент теплопроводности порошка; q — плотность мощности отраженного лазерного излучения. 
