Способ гибридной лазерно-дуговой наплавки изделия из металла

Изобретение относится к способу гибридной лазерно–дуговой наплавки изделия из металла. Способ включает формирование сварочной ванны на изделии в виде подложки, детали или предыдущего наплавленного слоя одновременным воздействием электрической дуги и маломощным лазерным лучом 100-200 Вт в защитной среде. Используют смесь газов, состоящую из инертного и/или активного газа. Подачу защитной среды осуществляют через внутреннее цилиндрическое сопло дуговой горелки, коаксиальное плавящемуся электроду, и наружное цилиндрическое сопло, концентричное внутреннему. Технический результат заключается в снижении удельного тепловложения в изделие, повышении стабильности плавления проволоки, улучшении качества поверхности и уменьшении припусков на последующую механическую обработку. 7 ил.

 

Изобретение относится к способам термической обработки материалов комбинированным воздействием лазерного излучения и электрической дугой в среде инертного газа и может быть использовано в технологии обработки металлов, в том числе для сварки, термоупрочнения, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, восстановления поврежденных элементов и изношенных поверхностей из низкоуглиродистых, низко- и среднелегированных, нержавеющих сталей

Из уровня техники известно, что совмещение пятна нагрева луча лазера и электрической дуги создает условия для глубокого проплавления в зоне обработки металлического изделия, увеличении прочностных свойств и энергоемкости конструкции. Подогрев зоны обработки теплом электрической дуги ведет к увеличению поглощения лазерного излучения. В свою очередь, образование плазменного факела при воздействии луча лазера на металл позволяет стабилизировать горение дуги (SU 1696504, В23К 26/00, 1991).

Из уровня техники известны способы гибридной лазерно-дуговой сварки, включающие совместное воздействие лазерного излучения (2-3 кВт) и сварочной дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа с подачей электродной проволоки (патент РФ 2572671, В23К 26/342, 2016). При этом лазерный луч и дуговую горелку наклоняют в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей. Дуговая горелка расположена под углом 40-50° после лазерной, которая образует расплавленную ванну металла. Угол наклона луча лазера (6-9 градусов) не более 10 градусов, т.к. в противном случае падает коэффициент поглощения лазерного излучения расплавленным металлом, что приводит к дополнительным энергетическим затратам. В сопло лазерной горелки соосно подается защитный газ. Плотность мощности для процесса зависит от диаметра лазерного луча (0,4-0,6 мм). Технический результат - качественный и стабильный шов, минимальные энергетические затраты и высокая скорость процесса (1,8-2,0 м/мин).

Известен способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей (патент 2590759, В23К 26/14, 2016), согласно которому сварку осуществляют с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, причем расплавленный металл подают посредством плавления расходуемой проволоки при использовании защитного газа, который образован одним основным, выбранным среди аргона и гелия, дополнительным - азота или кислорода. Способ предназначен для сваривания составных заготовок, труб или элементов глушителей.

Другой способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей (патент 2588978, В23К 26/14,26/348, 2017, отличается от предыдущего тем, что расходуемая проволока содержит 3-20 мас. % элементов, выбранных из С, Mn, Ni и N. Расходуемую проволоку плавят электрической дугой, предпочтительно посредством горелки для MIG-сварки. Лазерный генератор, генерирующий лазерный луч, является лазером типа СO2, волоконный лазер или дисковый лазер (мощность 8-12 кВт).

Известен способ лазерно-дуговой обработки конструкций из низкоуглеродистой стали для увеличения прочностных свойств (SU 1696504, В23К 26/00, 1991). При обработке используют луч лазера и электрическую дугу. Совмещают пятно нагрева луча лазера и электрической дуги. Коаксиально лучу лазера подают углеродосодержащий газ, а через сопло дуговой горелки подают азот. В результате взаимного положительного влияния КПД лазерно-дуговой обработки выше.

Известен способ лазерно-дуговой обработки металлов (сварка, термоупрочнение и т.д.). При этом используют импульсно-периодическое лазерное излучение с частотой следования импульсов не менее 100 Гц (заявка РФ 93051207, В23К 26/00). Способ увеличивает эффективность использование лазерного излучения.

В настоящее время металлические аддитивные технологии развиваются в нескольких направлениях, однако все их отъединяет необходимость создания направленного теплового воздействия на исходный материал, позволяющий контролируемо переносить его и формировать пространственные структуры готового изделия.

Известен способ изготовления объемных деталей (заявка РФ 2014131354, В23К 26/342; B22F3/105, 2016), включающий подачу исходного материала при воздействии под углом лазерного луча на исходный материал, при котором выполняется сканирующее движение лазера. Воздействие лазером ведут в среде аргона. В качестве исходного материала используется одна или две сварочные проволоки, которые предварительно подогревают с помощью индуктора или объемного лазера и подают перпендикулярно поверхности детали. Лазерный луч направлен под углом к наплавляемому материалу. На расплавленный слой воздействуют ультразвуком. Вместе с наплавлением выполняют выравнивание, перемешивание и уплотнение исходного материала в расплавленном слое

Известно устройство, которое реализует способ изготовления объемных деталей, отличающийся от предыдущего тем, что используют дуговую и лазерную головки, выполненные в едином блоке параллельно друг другу, и автоматическую подачу сходного материала. При этом лазерный луч и дуговую горелку направляют под углом к свариваемым деталям и перемещают вдоль их стыка, а сварочную проволоку подают под сварочную головку (заявка РФ 2014131214, В23К 26/342; B22F3/105, 2016).

Известно изобретение, раскрывающее процесс прямого осаждения металла с использованием лазерного/дугового гибридного процесса для изготовления трехмерных форм, включающий этапы осаждением на подложку первого слоя расплавленного материала из металлического сырья с использованием лазерного излучения и электрической дуги (WO2006133034, В23К 26/14; В26К 26/34). В качестве металлического сырья используется металлическая проволока, являющаяся расходным электродом. Процесс ведется в среде инертного газа. Электрическую дугу генерируют между исходным сырьем металла и подложкой и воздействие дуги на лазерное излучение с образованием расплавленного металла на подложке. В другом варианте дуга подвергается лазерному излучению одновременно с образованием дуги. В дальнейшем на образовавшийся сплошной металлический слой осаждают одно или несколько дополнительных слоев металла.

Недостаток этих способов заключается в высокой энергоемкости и удельном тепловложении в наплавленный материал, что приводит к короблению изделия. Для получения полноценной заготовки изделия наплавку производят с припуском не только на механическую обработку, но и для и компенсации коробления, что приводит к увеличению объема наплавляемого материала и времени производства заготовки.

Задачей предлагаемого технического решения является создание такого способа обработки и получения изделия из металла гибридной лазерно-дуговой наплавкой с комбинированной газовой защитой, который позволит достигнуть необходимого уровня качества геометрии заготовки и получения изделия из металла.

Технический результат заключается в снижение удельного тепловложения в конструкцию изделия; повышение стабильности плавления проволоки; увеличение скорости наплавки; улучшение качества поверхности; уменьшении припусков на последующую механическую обработку.

Технический результат достигается тем, что способ гибридной лазерно-дуговой наплавки изделия из металла включает формирование сварочной ванны на изделии в виде подложки, детали или предыдущего наплавленного слоя, путем одновременного воздействия электрической дуги и лазерным лучом в защитной среде, состоящей из инертного газа, согласно изобретению, воздействие электрической дугой осуществляют посредством дуговой горелки с подачей защитной среды через внутреннее цилиндрическое сопло дуговой горелки, коаксиальное плавящемуся электроду, и наружное цилиндрическое сопло, концентричное внутреннему соплу, при этом в качестве инертного компонента защитной среды используют аргон, активного газа - СО2, смесь - на основе упомянутых газов в пропорциях 85/15% и 98/2% соответственно. В качестве плавящегося электрода используют проволоку диаметром 0,8-1,2 мм. Наплавку осуществляют со скоростью более 600 мм/мин и диаметре пятна нагрева лазерным лучом от 0,1 до 0,5 диаметра упомянутой проволоки. Мощность используемого диодного лазера непрерывного действия составляет 100-200 Вт. Дуговую головку располагают вертикально для формирования одинаковой ширины наплавляемого валика при перемещениях плавящей головки в различных направлениях. Угол наклона лазерного луча лежит в пределах 40-50°.

На фиг. 1 представлена схема реализации предложенного способа; на фиг. 2 представлены результаты сравнения механических характеристик полученных образцов с листовым прокатом; на фиг. 3 - наплавленные образцы после механических испытаний: а) продольные, б) поперечные; на фиг. 4 - микрошлиф вдоль наплавки х500; на фиг. 5 - микрошлиф вдоль наплавки х100; на фиг. 6 - микрошлиф поперек наплавки х500; на фиг. 7 - микрошлиф поперек наплавки х100.

На фиг. 1 обозначены:

1 - подложка для наплавки

2 - наплавленный слой

3 - дуга

4 - плавящийся электрод (проволока)

5 - внутренний поток защитного газа

6 - внешний поток защитного газа

7 - внутреннее сопло

8 - внешнее сопло

6

9 - источник лазерного излучения

10 - лазерный луч

Суть предложенного способа заключается в следующем.

Лазерный луч 10 подогревает металл подложки 1, детали или предыдущего наплавленного слоя непосредственно под траекторией подачи проволоки 4.

Внешний поток защитного газа 6, создаваемый внешним соплом 8, оттесняет окружающую атмосферу, а внутренний поток 5, сформированный внутренним соплом 7, создает давление на дугу 3. Обжатие электрической дуги 3 внутренним потоком 5 защитного газа увеличивает удельную плотность мощности дуги 3, что позволяет снизить параметры горения дуги.

При скорости наплавки 600 мм/мин. и выше, токе на дуге ≤90 А и напряжении ≤16 В образуются пустоты в наплавляемом слое. Это связано со снижением скорости эмиссии электронов с поверхности наплавки электрической дугой в единицу времени. Данный эффект приводит к дефектам. Введение второго источника тепла в виде диодного лазера 9 непрерывного действия мощностью 100-200 Вт. позволяет увеличить эмиссию электронов с поверхности подложки 1, детали или предыдущего наплавленного слоя 2 для повышения эмиссии электронов, что позволяет увеличить скорости наплавки свыше 600 мм/мин. Увеличение скорости наплавки по траектории движения позволяет уменьшить толщину наплавленного слоя 2, что повышает качество получаемой поверхности (снижается шероховатость и уменьшается припуск на постобработку), увеличивается производительность наплавки.

Снижение удельного тепловложения в изделие достигается допустимым уменьшением мощности источника тепла без ухудшений стабильности горения дуги, увеличением скорости наплавки по траектории движения, улучшение теплоотвода за счет многопоточной системы защиты и возможной двухсредной защиты наплавляемого металла (с учетом влияния 7

на структуру наплавленного слоя).

Пример использования предлагаемого способа.

Способ был опробован на образцах размером 100×100×100 и толщиной стенки 2 мм и деталях «шнек», «крыльчатка» полученных от предприятий нефтегазового кластера Воронежской области для отработки возможности производства разрабатываемой технологией.

Лазерно-дуговая наплавка проводилась в смеси инертного газа Аргон и активного газа СО2 в соотношении 85/15% при одновременном воздействии излучения лазера ДЛМ-30 компании IPG Photonics мощностью 100 Вт и сварочной дуги от источника TPS320i компании Fronius. При подаче проволоки диаметром от 0,8 до 1,2 мм. Для способа была использована головка компании Fronius с некоторыми доработками. Наплавка велась при скорости 650 мм/мин.

Получены первые экспериментальные образцы стандартной формы по ГОСТ 6996-66 и исследованы их механические свойства. Установлено, что прочностные характеристики полученных образцов соответствуют характеристикам листового материала по ГОСТ 19281-89 с гарантированными механическими свойствами (фиг. 2).

Помимо проведения механических испытаний, элементы продольных и поперечных образцов подготовили для исследования на наличие пор и выявлению микроструктуры. Микроструктура образцов представлена на фиг. 4-7. Структура равномерная, мелкозернистая, что является хорошим показателем в сравнении со структурой стальных заготовок, полученных литьем.

Способ гибридной лазерно-дуговой наплавки изделия из металла, включающий формирование сварочной ванны на изделии в виде подложки, детали или предыдущего наплавленного слоя путем одновременного воздействия электрической дуги и лазерным лучом в защитной среде, состоящей из инертного и/или активного газа, отличающийся тем, что воздействие электрической дугой осуществляют посредством дуговой горелки с подачей защитной среды через внутреннее цилиндрическое сопло дуговой горелки, коаксиальное плавящемуся электроду, и наружное цилиндрическое сопло, концентричное внутреннему соплу, при этом в качестве инертного компонента защитной среды используют аргон, а в качестве активного газа используют CO2, смесь на основе упомянутых газов в пропорциях 85/15% и 98/2% соответственно, а в качестве плавящегося электрода используют проволоку диаметром 0,8-1,2 мм, при этом наплавку осуществляют со скоростью более 600 мм/мин при диаметре пятна нагрева лазерным лучом от 0,1 до 0,5 диаметра упомянутой проволоки, при этом используют диодный лазер непрерывного действия мощностью 100-200 Вт, причем дуговую горелку располагают вертикально, а лазерный луч с углом наклона 40-50°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу лазерной сварки детали (варианты) и детали. Приводят компонент из сплошного металла в контакт с компонентом из пористого металла в зоне контакта.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении изготовления.

Изобретение относится к способу изготовления сварного соединения внахлест (варианты) и сварному соединению внахлест, имеющему улучшенный предел усталости. Часть первого стального материала, имеющего заданную толщину, и часть второго стального материала, имеющего заданную толщину, перекрывают друг друга в виде перекрывающихся частей.

Изобретение относится к станку для лазерной обработки труб и профилей. Станок содержит: рабочий орган (12) с фокусирующим устройством (18), выполненным с возможностью фокусировать лазерный луч на поверхности трубы или профиля (Т), подлежащих обработке, каретку (26), на которой установлен рабочий орган (12), и сканирующую систему (20), выполненную с возможностью сканирования по меньшей мере одного участка контура поперечного сечения трубы или профиля (Т).

Изобретение относится к способу и устройству для термической обработки и упрочнения объектов сложной формы, таких как коленчатые валы. Для повышения качества обработки объектов сложной формы способ включает стадии проецирования пучка (1) энергии, такого как лазерный пучок, на поверхность объекта (1000), приведения в действие сканера (2) для повторяемого сканирования пучком (1) с целью перемещения первичного пятна (11) в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на объекте действующего пятна (12) и перемещения указанного действующего пятна (12) относительно поверхности объекта (1000).

Изобретение относится к инструментальному производству, а именно к технологии лазерного восстановления инструментальных сталей, и может быть использовано при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента, в частности зубьев фрез.

Изобретение относится к сварке металлоконструкций, в частности к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки, и может быть использовано при производстве стальных сварных труб большого диаметра с толщиной стенки от 12 до 25 мм и выше до 50 мм с внутренним и наружным плакирующими слоями.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано пари получении металлических изделий с использованием аддитивного производства (АП). Из исходного сырья для АП получают фасонную заготовку.

Изобретение относится к способу лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами и может быть использовано в авиационной и ракетной технике.

Изобретение относится к лазерному устройству для очистки площадей (1) пода, выполненных рельефной формы, и дополнительно для очистки испарительных и/или уплотняющих полос (2) подовых плит (3) машины для выпекания (4).

Изобретение относится к способу формирования отверстий в стенке полого объекта (варианты) и системе защиты поверхности во время лазерной обработки. Во время лазерной обработки осуществляют подачу в полость объекта лазерной обработки текучей среды, не обладающей свойствами поглощать лазерное излучение, и направление на стенку объекта лазерной обработки множества лазерных импульсов, сконфигурированных на формирование отверстия в стенке.

Изобретение относится к способам лазерной наплавки и может быть использовано при наплавке различных материалов лазерным излучением и при выращивании монокристаллов или осуществлении направленной кристаллизации в образцах путем лазерного спекания порошковых материалов газопорошковой смеси.

Изобретение относится к способу и устройству для обработки подвижной подложки при помощи лазера для получения в результате обработки материала, отделенного от подложки.

Изобретение относится к технологии лучевой терморегулируемой обработки металлических и неметаллических материалов для изготовления нанопорошков и может быть использовано, например, в области медицины для обработки биологических тканей.

Изобретение относится к послойному изготовлению трехмерных объектов (3) посредством упрочнения материала с помощью электромагнитного излучения и может быть использовано в стереолитографии или для лазерного спекания.

Изобретение относится к области лазерной технологии и может быть использовано при дезактивации металлических конструкций и трубопроводов АЭС при снятии их с эксплуатации.

Изобретение относится к машиностроению, именно к оборудованию для обработки изделий с помощью лазерного излучения. .

Изобретение относится к изготовлению режущего инструмента, в частности к отрезным кругам и может быть использовано при разрезке стекло-углепластиков, например, при изготовлении рефлекторов, антенн и т.д.

Изобретение относится к лазерной системе с многолучевым выходным излучением (варианты) и способу сварки заготовок. Система представляет мультиволоконную лазерную систему, подающую выходное излучение по меньшей мере по трем волокнам, расположенным по окружности или же выходное излучение по меньшей мере четырех отдельных лазеров из одного рабочего кабеля. Изобретение позволяет управлять по меньшей мере тремя лазерными модулями и подавать, соответственно, их выходное излучение в заранее заданной последовательности внутри одного рабочего кабеля, обеспечивая таким образом множество стадий обработки заготовки, которая ранее требовала отдельной оптической системы для каждого луча. Выходное излучение по меньшей мере трех лазеров оптимизировано для применения в создании точечных сварных соединений, шовных сварных соединений или виртуальных осцилляционных сварных соединений при использовании для шовной сварки. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно–дуговой наплавки изделия из металла. Способ включает формирование сварочной ванны на изделии в виде подложки, детали или предыдущего наплавленного слоя одновременным воздействием электрической дуги и маломощным лазерным лучом 100-200 Вт в защитной среде. Используют смесь газов, состоящую из инертного иили активного газа. Подачу защитной среды осуществляют через внутреннее цилиндрическое сопло дуговой горелки, коаксиальное плавящемуся электроду, и наружное цилиндрическое сопло, концентричное внутреннему. Технический результат заключается в снижении удельного тепловложения в изделие, повышении стабильности плавления проволоки, улучшении качества поверхности и уменьшении припусков на последующую механическую обработку. 7 ил.

Наверх