Выбор и обоснование материалов для наплавки.

Лазерная наплавка заключается в нанесении на поверхность обрабатываемого изделия покрытия путем расплавления основы присадочного материала. Поскольку основа оплавляется минимально, то свойства покрытия в основном зависят от свойств наплавочного материала. В качестве наплавочного материала будет применяться порошковая наплавочная проволока.

Порошковые проволоки позволяют решить проблему механизации наплавочных работ на монтаже в открытых цехах и полевых условиях, повысить производительность процессов в 2-5 раз при высоком качестве металла швов и соединений, снизить трудоемкие и тяжелые ручные операции по очистке конструкций от брызг.

Порошковые проволоки могут быть двух видом по способу применения и защиты от атмосферы – это порошковая газозащитная проволока и порошковая самозащитная проволока.

Рисунок 3.1 – Строение порошковых проволок

Основные преимущества порошковых проволок в сравнении с другими сварочными материалами в том, что необходимые механические свойства сварного соединения, прочностные и пластические характеристики швов гарантируются без дополнительной термической обработки, за счет оптимального подбора сердечника, исходя из конкретной технической задачи.

Кроме того, благодаря использованию порошковых проволок, достигается:

– повышение производительности сварочных работ в 2-5 раз;

– возможность проведения сварочных работ без газа и флюса;

– малые потери металла на разбрызгивание;

– оптимальная форма швов;

– простота в эксплуатации и хорошие оперативные свойства;

– лучшие санитарно-гигиенические характеристики;

– возможность применения в монтажных полевых условиях.

Область применения порошковых проволок:

– особо ответственные металлоконструкции с тяжелым режимом работы;

– мостовые сооружения;

– резервуары и технологические емкости химических и нефтехимических объектов;

– ребра жесткости корпусов судов, барж, платформ, балок эстакад;

– строительные конструкции высотных зданий и промышленных объектов технологические и магистральные трубопроводы кожухи, воздухонагреватели доменных печей.

Для импульсной лазерной наплавки лопаток ТВД выбираем проволоку фирмы BÖHLER WELDING. Марка проволоки BÖHLER NIBAS 70/20-FD.

Описание и область применения

Порошковая проволока рутилового типа (с элементами основного) для сварки и наплваки. Высокая производительность и легкость использования проволоки сочетается с отличными сварочно-технологическими характеристиками: самоотделяющийся шлак; предельно малое разбрызгивание и образование цветов побежалости; гладкая поверхность шва; надежное проплавление. Высокая скорость сварки и отсутствие необходимости травления поверхности шва значительно снижает временные и материальные расходы. Возникновение сварочных дефектов сведено к минимуму. Проволока Böhler NIBAS 70/20-FD предназначена для наплавки никелевых сплавов, жаростойких и жаропрочных сталей, криогенных сталей, сварки разнородных и трудно свариваемых сталей. Применяется для изготовления сосудов высокого давления с рабочими температурами от -196°C до +550°C, жаропрочность при температурах до 1200°C (в атмосфере свободной от соединение серы). Наплавленный металл стоек к охрупчиванию, диффузия углерода при повышенных температурах сильно ограничена. Стойкость к термическим ударам и термоцикированию, полностью аустенитная структура, стойкость к коррозии, низкий коэффициент термического расширения.

Химический состав наплавленного металла указан в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – химический состав наплавленного металла.

С, %	Si, %	Mn, %	Cr, %	Ni, %	Nb, %	Fe, %
0,03	0,4	3,2	19,2	Основа	2,5	≤2,5

Используется защитный газ: Ar+(15..25)% CO₂. Расход газа 15..20 л/мин[12].

 

3.4 Выбор, обоснование и расчет режимов обработки[15].

Параметры технологического процесса импульсной лзерной наплавки подразделяются на энергетические, временные, геометрические, параметры лазерного излучения и параметры фокусирующей системы сварочной головки.

3.4.1. Пространственно-временные и энергетические характеристики импульсного лазерного излучения/

1. Длина волны лазерного излучения – λ.

Средняя длина волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения. Длина волны наиболее распространенных в промышленности твердотельных лазеров на Nd:YAG равна λ = 1,06 мкм.

2. Мощность лазерного излучения – Р.

Форма импульса лазерного излучения твердотельного YAG:Nd лазера, работающего в режиме свободной генерации, показана на рисунке 3.2.

 

 

Рисунок 3.2 – Форма импульса в режиме свободной генерации

Где, Р(t) – мгновенная мощность лазерного излучения;

Р_max – максимальная (пиковая) мощность лазерного излучения;

Р_и.ср – средняя мощность лазерного излучения за время генерирования импульса;

τ_и – длительность импульса лазерного излучения;

t – время.

P_ср – среднее значение мощности импульсного лазерного излучения за заданный интервал времени;

t_З – заданный интервал времени.

3. Частота повторения импульсов лазерного излучения – f.

Число импульсов лазерного излучения в одну секунду (рисунок 3.3).

 

Рис. 3.3 – Последовательность импульсов лазерного излучения

Где, Т – период следования импульсов (Т = 1/f).

4. Длительность импульсов лазерного излучения – τ_и.

Время, в течение которого мгновенная мощность лазерного излучения превышает значение, соответствующее уровню 0,5 от максимальной мощности.

5. Энергия импульса лазерного излучения – E_u.

В тепловых расчетах режимов импульсной лазерной наплавки предполагается что:

– импульс лазерного излучения непрерывен в течение всего времени своего действия;

– принимается, что мощность сфокусированного лазерного источника энергии распределена по фокальному пятну согласно нормального закона с коэффициентом сосредоточенности – К (рисунок 3.4).

Где, W_p0 – плотность мощности в центре фокального пятна

 

 

Рисунок 3.4 – Нормальное распределение плотности мощности по радиусу пятна нагрева

где, r – радиус пятна нагрева;

Если заменить нормально-круговой источник фиктивным с равной мощностью W_p0, но с равномерно-распределенным удельным тепловым потоком (рисунок 3.5) по окружности радиусом r₀, то r₀ определяется по формуле:

 

 

Рисунок 3.5 – Эквивалентный источник тепла

Чем больше коэффициент сосредоточенности – К, тем меньше радиус r₀ эквивалентного источника тепла.

6. Плотность энергии и мощности в зоне обработки.

– плотность энергии в зоне сфокусированного луча лазера.

– средняя плотность мощности в зоне сфокусированного луча лазера.

Где, – площадь сфокусированного луча лазера.

– диаметр пятна нагрева.

7. Коэффициент полезного действия лазера – η.

Отношение энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру (КПД лазера от розетки).

8. Время готовности лазера – t_гот.

Время, необходимое для достижения лазером номинальных значений параметров с момента его включения.