W artykule przedstawiono proces przetapiania laserowego części maszyn i urządzeń. Przeprowadzono analizę wpływu parametrów przetapiania laserowego na kształt i jakość ściegów przetopienia.
Fot. iStockZ artykułu dowiesz się:
- jak przebiega proces przetapiania laserowego,
- jakie są wady warstw przetapianych laserowo,
- gdzie można zastosować technologię przetapiania laserowego.
Proces przetapiania laserowego części maszyn i urządzeń
Jednym z najnowocześniejszych procesów obróbki warstw wierzchnich części maszyn i urządzeń jest technologia przetapiania energią wiązki laserowej. Technologia ta, z uwagi na bardzo złożoną problematykę badawczą, na pograniczu fizyki i subtelnych badań strukturalnych inżynierii materiałowej oraz spawalniczych technologii laserowych, wymaga głębokiej wiedzy w obszarze fizyki promieniowania laserowego, metaloznawstwa, metalurgii materiałów metalowych i ceramicznych oraz badań własności mechanicznych i trybologii [1, 2]. Przetapianie laserowe warstw wierzchnich stosowane jest głównie w celu znacznego zwiększenia własności użytkowych tych warstw, z takich materiałów, jak: stale węglowe, niskostopowe, stopowe, stale wysokostopowe chromowe, chromowo-niklowe, żeliwa, stopy na osnowie niklu, kobaltu, tytanu, stopy aluminium oraz materiałów cermetalowych i ceramicznych itd. (tab. 1, rys. 1) [1-18].
Coraz powszechniejsze zastosowanie przemysłowe znajduje również technologia przetapiania laserowego w celu naprawy niedopuszczalnych wad powierzchniowych części ze stali narzędziowych, wysokostopowych i nadstopów, a zwłaszcza precyzyjnych odlewów ze stopów niklu, kobaltu czy tytanu, która zapobiega ich złomowaniu. Wady powierzchni (np. chropowatość powierzchni, wgniecenia, pory, gruboziarnistości, pęknięcia itp.) są zwykle główną przyczyną uszkodzeń różnych części maszyn i urządzeń prowadzących do obniżenia wytrzymałości, ciągliwości i trwałości zmęczeniowej, a często stanowią również źródło inicjacji zmęczeniowych pęknięć katastroficznych.
W nowoczesnych procesach przetapiania laserowego energia wiązki laserowej o kształcie kołowym, owalnym, kwadratowym, prostokątnym lub liniowym, w zależności od kształtu obrabianej powierzchni lub wad powierzchni, o gęstości mocy od ok. 102 [W/mm2] do choćby 109-1011 [W/mm2], w zależności od własności fizycznych obrabianego materiału (tab. 1), stapia w odpowiedniej osłonie gazowej warstwę wierzchnią obrabianego przedmiotu o ściśle określonej grubości z prędkościami choćby do 106-1011 [oC/s], a następnie schładza tę warstwę z prędkościami 105-106 [oC/s] (rys. 1 i tab. 2) [1, 3-22]. W przypadku najczęściej przetapianych laserowo części stalowych, w zależności od ich składu chemicznego i własności fizycznych, następuje szybka mikrokrystalizacja lub choćby nanokrystalizacja metalu [2, 5-10].
W zależności od składu chemicznego i własności fizycznych przetapianego materiału zalecane są osłony z gazów szlachetnych, jak argon i hel (stale wysokostopowe, stopy niklu, kobaltu, stopy aluminium i magnezu, stopy miedzi oraz materiały cermetalowe i ceramiczne) lub gazy aktywne chemicznie, jak mieszanki argon + CO2, czyste CO2 (głównie w przypadku części ze stali C-Mn, stali nisko- i średniostopowych) oraz argon + azot i czysty azot (głównie części ze stali austenitycznych Cr-Ni i stopów miedzi oraz z materiałów cermetalowych i ceramicznych, zawierających azotki, jak np. ZrN i TiN) (rys. 2).
