RU2366553C2 - Method of laser hard-facing - Google Patents
Method of laser hard-facing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2366553C2 RU2366553C2 RU2007125941/02A RU2007125941A RU2366553C2 RU 2366553 C2 RU2366553 C2 RU 2366553C2 RU 2007125941/02 A RU2007125941/02 A RU 2007125941/02A RU 2007125941 A RU2007125941 A RU 2007125941A RU 2366553 C2 RU2366553 C2 RU 2366553C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- laser
- melt
- diameter
- rotation
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии обработки поверхности лучом лазера и может быть использовано в машиностроении при наплавке и легировании рабочих поверхностей детали.The invention relates to a technology for surface treatment by a laser beam and can be used in mechanical engineering for surfacing and alloying of the working surfaces of a part.
В настоящее время лазерная технология находит все более широкое распространение при наплавке на рабочие поверхности деталей и легировании их с целью упрочнения или придания им необходимых служебных свойств, что связано с высокими скоростями обработки, а также возможностью проведения ее в труднодоступных местах при сложной конфигурации деталей.Currently, laser technology is becoming increasingly widespread when surfacing on the working surfaces of parts and alloying them in order to harden or give them the necessary service properties, which is associated with high processing speeds, as well as the possibility of carrying it out in hard-to-reach places with complex configuration of parts.
Известен целый ряд способов наплавки с помощью лазера: «Лазерная техника и технология». Кн.3 «Методы поверхностной лазерной обработки». А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов, М.: Высшая школа, 1987 г., патент США №4299860, заявки Японии №№57-38351; 57-109589 и 60-225785.A number of laser surfacing methods are known: “Laser technique and technology”. Book 3 "Methods of surface laser processing." A.G. Grigoryants, A.N.Safonov, M .: Higher school, 1987, US patent No. 4299860, Japanese applications No. 57-38351; 57-109589 and 60-225785.
Все эти способы наплавки не обеспечивают получение бездефектного наплавленного слоя, свободного от большого количества пор, что снижает его эксплуатационные свойства.All these methods of surfacing do not provide a defect-free deposited layer, free of a large number of pores, which reduces its operational properties.
Наиболее близким по технической сущности является способ лазерной обработки поверхности по патенту США №4015100, включающий нанесение покрытия, содержащего заданные легирующие элементы, на металлическую обрабатываемую подложку и последующее облучение поверхности сканирующим лучом лазера со скоростью 0-130 мм/с, при этом мощность лазерного луча, который сфокусирован до диаметра 0,06-0,17 мм, составляет 1-20 кВт.The closest in technical essence is the method of laser surface treatment according to US patent No. 4015100, comprising applying a coating containing predetermined alloying elements to a metal substrate to be treated and subsequent irradiation of the surface with a scanning laser beam at a speed of 0-130 mm / s, while the laser beam power , which is focused to a diameter of 0.06-0.17 mm, is 1-20 kW.
Недостатком известного способа являются пониженные прочностные свойства материала наплавленного слоя из-за наличия в нем повышенного количества пор.The disadvantage of this method is the reduced strength properties of the material of the deposited layer due to the presence in it of an increased number of pores.
Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств материала наплавленного слоя за счет снижения в нем количества пор.The technical result of the invention is to increase the strength properties of the material of the deposited layer by reducing the number of pores in it.
Технический результат достигается за счет того, что в способе наплавки поверхности лучом лазера, включающем нанесение на обрабатываемую поверхность присадочного материала и последующее его расплавление сфокусированным лучом лазера путем сканирования его по обрабатываемой поверхности, согласно изобретению, сканирование осуществляют путем перемещения луча лазера по круговой траектории с диаметромThe technical result is achieved due to the fact that in the method of surfacing the surface with a laser beam, including applying a filler material on the surface to be treated and its subsequent melting by a focused laser beam by scanning it along the surface to be treated, according to the invention, scanning is carried out by moving the laser beam along a circular path with a diameter
с шагом его перемещения:with a step of its movement:
и частотой перемещения по ванне расплава не менее:and the frequency of movement through the bath of the melt not less than:
где:Where:
dл - диаметр пятна нагрева луча лазера, мм,d l - the diameter of the spot of the heating of the laser beam, mm,
D - диаметр вращения луча лазера, мм,D is the diameter of the rotation of the laser beam, mm,
Р - мощность лазерного излучения, Вт,P is the power of laser radiation, W,
λм - теплопроводность основного материала, Вт/(мм·°С),λ m - thermal conductivity of the base material, W / (mm · ° C),
Тм - температура плавления наплавляемого материала, °С,T m - the melting temperature of the deposited material, ° C,
α - коэффициент, равный 1,0, когда h<dл, и равный 3,0, когда h>dл,α is a coefficient equal to 1.0 when h <d l , and equal to 3.0 when h> d l ,
h - шаг перемещения луча лазера, мм,h is the step of moving the laser beam, mm,
γ - частота вращения луча лазера по ванне расплава, Гц,γ is the frequency of rotation of the laser beam through the melt pool, Hz,
n - количество перемещений луча лазера по одной точке расплава,n is the number of movements of the laser beam at one point of the melt,
vн - скорость наплавки, мм/с.v n - surfacing speed, mm / s.
Экспериментально установлено, что эффект удаления пор достигается при перемешивании каждой точки расплава не менее 3 раз (n≥3), что обеспечивается подбором частоты и диаметром вращения луча лазера, а также шагом его перемещения.It was experimentally established that the effect of pore removal is achieved by mixing each melt point at least 3 times (n≥3), which is ensured by the selection of the frequency and diameter of rotation of the laser beam, as well as the step of its movement.
В этом случае, за счет перемещения луча лазера и термокапилярной конвекции вблизи него, осуществляют принудительное перемешивание всей жидкой ванны расплава. Это способствует удалению газообразной фазы, что приводит к снижению количества пор в наплавляемом материале более эффективно по сравнению с диффузионным перемешиванием.In this case, due to the displacement of the laser beam and thermocapillary convection near it, forced mixing of the entire liquid melt pool is carried out. This helps to remove the gaseous phase, which leads to a decrease in the number of pores in the deposited material more efficiently than diffusion mixing.
При частоте вращения меньше, чем и шаге перемещения лазерного луча большем, чем не наблюдается полного выделения пор из ванны расплава.At a speed less than and the step of moving the laser beam greater than there is no complete separation of pores from the molten bath.
При амплитуде (диаметре) вращения луча лазера меньшем, чем dл, в наплавляемом слое наблюдается образование пор, что связано с перегревом ванны расплава и появлением глубокого кратера в месте вращения лазерного луча, препятствующего перемешиванию ванны расплава.When the amplitude (diameter) of rotation of the laser beam is less than d l , pore formation is observed in the deposited layer, which is associated with overheating of the molten bath and the appearance of a deep crater in the place of rotation of the laser beam, which prevents the mixing of the molten bath.
При амплитуде (диаметре) вращения луча лазера большем, чем наблюдается остывание средней части ванны расплава с ее кристаллизацией вне зоны активного перемешивания, что приводит к образованию пор.When the amplitude (diameter) of rotation of the laser beam is greater than cooling of the middle part of the molten bath with its crystallization outside the active mixing zone is observed, which leads to the formation of pores.
Величина состоит из двух частей, определяющих остывание расплава. Первая часть определяет условия остывания средней части расплава ниже температуры кристаллизации. Вторая часть определяет условия остывания зоны активного перемешивания расплава.Value consists of two parts that determine the cooling of the melt. The first part determines the cooling conditions of the middle part of the melt below the crystallization temperature. The second part determines the conditions for cooling the zone of active mixing of the melt.
Эффект удаления пор достигается при перемешивании каждой точки расплава не менее 3 раз (n≥3).The effect of pore removal is achieved by mixing each melt point at least 3 times (n≥3).
Коэффициент α=1 устанавливают, когда глубина ванны расплава меньше диаметра пятна нагрева луча лазера (h<dл), и α=3 устанавливают, когда глубина ванны расплава больше или равна диаметру пятна нагрева луча лазера (h≥dл), что связано с конвективными процессами, проходящими при плавке.The coefficient α = 1 is set when the melt bath depth is less than the diameter of the laser beam heating spot (h <d l ), and α = 3 is set when the melt bath depth is less than or equal to the diameter of the laser beam heating spot (h≥d l ), which is associated with convective processes occurring during melting.
Экспериментально установлено, что при неглубокой ванне расплава, когда (h<dл), конвективные процессы идут непосредственно в зоне действия лазерного луча.It was experimentally established that with a shallow bath of the melt, when (h <d l ), convective processes occur directly in the zone of action of the laser beam.
При глубокой ванне расплава, когда (h≥dл), в конвективные процессы вовлекают соседние с действием лазерного луча зоны.In a deep melt bath, when (h≥d l ), zones adjacent to the action of the laser beam are involved in convective processes.
Таким образом, оптимальный выбор шага, амплитуды (диаметра) и частоты перемещения лазерного луча в процессе облучения лучом лазера позволяет свести к минимуму количество пор в ванне расплава, следовательно, обеспечить высокое качество наплавленного или легированного слоя.Thus, the optimal choice of step, amplitude (diameter) and frequency of movement of the laser beam during irradiation with the laser beam allows to minimize the number of pores in the melt pool, therefore, to ensure high quality deposited or alloyed layer.
Пример конкретного выполнения способа. На лабораторной базе заявителя была проведена наплавка порошка ВК-15 на поверхность инструмента из стали марки У8 путем облучения лучом лазера на технологической установке ЛТ-2 по предлагаемому и известному способам.An example of a specific implementation of the method. On the laboratory base of the applicant, the VK-15 powder was deposited onto the surface of a tool made of U8 steel by irradiation with a laser beam at the LT-2 technological unit using the proposed and known methods.
Диаметр вращения луча лазера был определен по колебаниям зеркала, создаваемым электрическими импульсами, подаваемыми на отклоняющие катушки зеркала, и составлял 0,9 и 27,0 мм, скорость наплавки составляла 1,0 и 10,0 мм/с. Диаметр пятна нагрева луча лазера (dл) был постоянным и составлял 0,8 мм. Мощность излучения составляла 2000 и 7000 Вт. Теплопроводность материала основы (λм) была равна 0,051 Вт/(мм·°С). Температура плавления наплавляемого материала составляла 1600°С.The diameter of the rotation of the laser beam was determined by the oscillations of the mirror created by electric pulses supplied to the deflecting coils of the mirror, and amounted to 0.9 and 27.0 mm, the surfacing speed was 1.0 and 10.0 mm / s. The diameter of the laser beam heating spot (d l ) was constant and was 0.8 mm. The radiation power was 2000 and 7000 watts. The thermal conductivity of the base material (λ m ) was 0.051 W / (mm · ° C). The melting temperature of the deposited material was 1600 ° C.
Коэффициент α установили равным 3, так как глубина ванны расплава была в пределах 2,5 мм, что больше диаметра пятна нагрева луча лазера (0,8 мм).The coefficient α was set equal to 3, since the depth of the melt pool was within 2.5 mm, which is larger than the diameter of the laser beam heating spot (0.8 mm).
Величину шага лазерного луча определили исходя из следующей зависимости: и установили в размере 0,25 мм.The step size of the laser beam was determined based on the following relationship: and set at 0.25 mm.
Частоту вращения луча лазера определяли исходя из следующей зависимости: The laser beam rotation frequency was determined based on the following relationship:
Для скорости наплавки 1,0 мм/с частоту вращения луча лазера установили 3,8 Гц исходя из расчета: For a surfacing speed of 1.0 mm / s, the laser beam rotation frequency was set to 3.8 Hz based on the calculation:
Для скорости наплавки 10,0 мм/с частоту вращения луча лазера установили 40 Гц исходя из расчета: For a surfacing speed of 10.0 mm / s, the laser beam rotation frequency was set to 40 Hz based on the calculation:
Амплитуду (диаметр) вращения луча лазера устанавливали из следующей зависимости: The amplitude (diameter) of rotation of the laser beam was determined from the following relationship:
Для мощности излучения 2000 Вт амплитуду (диаметр) вращения луча лазера (D) устанавливали 0,9 и 12,5 мм, что соответствовало расчету:For a radiation power of 2000 W, the amplitude (diameter) of rotation of the laser beam (D) was set to 0.9 and 12.5 mm, which corresponded to the calculation:
Для мощности излучения 7000 Вт амплитуду (диаметр) вращения луча лазера (D) устанавливали 0,9 и 32,0 мм, что соответствовало расчету по той же зависимости:For a radiation power of 7000 W, the amplitude (diameter) of rotation of the laser beam (D) was set to 0.9 and 32.0 mm, which corresponded to the calculation according to the same dependence:
Порошок наплавки насыпали равномерным слоем на поверхность образца и последнюю подвергали облучению лучом лазера заданной мощности в 2000 и 7000 Вт путем вращения его по кругу с рассчитанной амплитудой 12,5 и 32 мм соответственно с одновременным перемещением образца со скоростью наплавки 1,0 и 10 мм/с, с шагом перемещения 0,25 мм, диаметр пятна нагрева луча лазера (dл) был постоянным и составлял 0,8 мм.The surfacing powder was poured evenly onto the surface of the sample and the latter was irradiated with a laser beam of a given power of 2000 and 7000 W by rotating it in a circle with a calculated amplitude of 12.5 and 32 mm, respectively, with simultaneous movement of the sample with a surfacing speed of 1.0 and 10 mm / s, with a travel step of 0.25 mm, the diameter of the laser beam heating spot (d l ) was constant and amounted to 0.8 mm.
Обработанные образцы подвергали исследованиям для определения прочностных свойств материала наплавленного слоя и количества пор в нем.Treated samples were subjected to studies to determine the strength properties of the material of the deposited layer and the number of pores in it.
Прочностные свойства определяли на плоских образцах, вырезанных из наплавленного материала.Strength properties were determined on flat samples cut from the deposited material.
Количество пор в материале наплавки определяли методом цветной дефектоскопии. Вначале контролю подвергали поверхностный слой наплавленного материала, а затем - каждый последующий слой после сошлифовывания предыдущего, прошедшего контроль, до основного металла образца, производя подсчет пор в каждом слое.The number of pores in the surfacing material was determined by color defectoscopy. First, the surface layer of the deposited material was subjected to control, and then each subsequent layer after grinding the previous, past control, to the base metal of the sample, counting the pores in each layer.
Результаты испытаний по определению прочностных свойств и количества пор в наплавленном материале, полученном предлагаемым и известным способами, приведены в таблице.The test results for determining the strength properties and the number of pores in the deposited material obtained by the proposed and known methods are shown in the table.
Как видно из таблицы, прочность наплавленного материала, полученного по предлагаемому способу, выше и содержание пор в нем ниже, по сравнению с наплавленным материалом, полученным известным способом.As can be seen from the table, the strength of the deposited material obtained by the proposed method is higher and the pore content in it is lower compared to the deposited material obtained in a known manner.
Технический эффект от использования предлагаемого изобретения выразится в повышении надежности и долговечности работы деталей и узлов, обработанных по предлагаемому способу за счет повышения прочности наплавленного материала и снижения содержания в нем пор.The technical effect of the use of the invention is expressed in increasing the reliability and durability of parts and assemblies processed by the proposed method by increasing the strength of the deposited material and reducing the content of pores in it.
Claims (2)
с шагом его перемещения
и частотой перемещения по ванне расплава
где dл - диаметр пятна нагрева луча лазера, мм;
D - амплитуда (диаметр) вращения луча лазера, мм;
Р - мощность лазерного излучения, Вт;
λм - теплопроводность основного материала, Вт/мм°С;
Тм - температура плавления наплавляемого материала, °С;
α - коэффициент, равный 1,0, когда h<dл, и равный 3,0, когда h>dл;
h - шаг перемещения луча лазера, мм;
γ - частота вращения луча лазера по ванне расплава, Гц;
n - количество перемещений луча лазера по одной точке расплава;
vн - скорость наплавки, мм/с.1. A method of surfacing a part surface with a laser beam, including applying a filler material to the surface to be treated and its subsequent melting by a focused laser beam by scanning it along the surface to be treated, characterized in that the scanning is carried out by moving the laser beam along a circular path with a diameter
in increments of movement
and frequency of movement through the melt bath
where d l is the diameter of the heating spot of the laser beam, mm;
D is the amplitude (diameter) of rotation of the laser beam, mm;
P is the laser radiation power, W;
λ m - thermal conductivity of the base material, W / mm ° C;
T m - melting temperature of the deposited material, ° C;
α is a coefficient equal to 1.0 when h <d l , and equal to 3.0 when h> d l ;
h is the step of moving the laser beam, mm;
γ is the frequency of rotation of the laser beam through the melt pool, Hz;
n is the number of movements of the laser beam at one point of the melt;
v n - surfacing speed, mm / s.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007125941/02A RU2366553C2 (en) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Method of laser hard-facing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007125941/02A RU2366553C2 (en) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Method of laser hard-facing |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007125941A RU2007125941A (en) | 2009-01-20 |
RU2366553C2 true RU2366553C2 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=40375487
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007125941/02A RU2366553C2 (en) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Method of laser hard-facing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2366553C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2509639C2 (en) * | 2009-11-16 | 2014-03-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Monocrystalline welding of materials hardened in one direction |
RU2618013C1 (en) * | 2016-03-11 | 2017-05-02 | Владимир Павлович Бирюков | Method of laser welding of metal coatings |
-
2007
- 2007-07-09 RU RU2007125941/02A patent/RU2366553C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2509639C2 (en) * | 2009-11-16 | 2014-03-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Monocrystalline welding of materials hardened in one direction |
RU2618013C1 (en) * | 2016-03-11 | 2017-05-02 | Владимир Павлович Бирюков | Method of laser welding of metal coatings |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007125941A (en) | 2009-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3981542A1 (en) | Laser welding method | |
JP5870621B2 (en) | Laser processing apparatus and laser processing method | |
RU2010110782A (en) | METHOD OF LASER-PLASMA-ULTRASONIC STRENGTHENING OF THE SURFACE OF METALS AND THEIR ALLOYS | |
RU2502588C2 (en) | Method of pulse laser building up of metals | |
RU2366553C2 (en) | Method of laser hard-facing | |
IL46078A (en) | Method of case-alloying metals such as steel or cast iron | |
JPH09216075A (en) | Surface finishing method of metallic member and metallic member obtained thereby | |
RU2522919C1 (en) | Method of forming microstructured layer of titanium nitride | |
JP2019037997A (en) | Laser cladding device | |
JP7244704B1 (en) | Method for improving corrosion resistance of stainless steel | |
RU2684176C2 (en) | Method of laser hardening of parts surface | |
JP2009297725A (en) | Device and method for surface treatment with electron beam | |
RU2618013C1 (en) | Method of laser welding of metal coatings | |
RU2105826C1 (en) | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces | |
Vetter et al. | Use of additive manufacturing for high-throughput material development | |
RU2693716C1 (en) | Method of producing a wear-resistant coating | |
SU1687629A1 (en) | Method of surface hardening of metallic components | |
RU2273671C1 (en) | Method of repair of defects in surfaces of metals | |
JP7185436B2 (en) | Laser processing method | |
RU2718503C1 (en) | Method of forming surface composite layer in metals | |
RU2777793C1 (en) | Method for laser surface treatment of steel products | |
EA023676B1 (en) | Method of surface hardening of metal articles by traveling laser beam | |
RU2106948C1 (en) | Laser method for manufacture of disk saw | |
RU2620520C2 (en) | Metal surfaces laser surfacing method | |
RU2416674C1 (en) | Procedure for chemical-thermal treatment of metal part surface |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110710 |