W artykule dokonano przeglądu postępu badań nad technologią napawania laserowego, uwzględniając podstawowe zasady napawania laserowego, dobór materiałów, kontrolę parametrów procesu, konfigurację sprzętu i zastosowanie przemysłowe. Napawanie laserowe ma ogromne perspektywy zastosowania w poprawie właściwości powierzchniowych materiałów ze względu na małą strefę wpływu ciepła i wysoką siłę wiązania. W artykule przedstawiono kryteria doboru materiałów napawania laserowego, stan badań i rozwoju materiałów metalowych/ceramicznych/kompozytowych, przeprowadzono analizę strategii optymalizacji parametrów lasera/skanowania/ochrony gazowej, omówiono kierunki rozwoju urządzeń takich jak lasery/dysze/sterowanie. systemów i zawiera listę przykładów zastosowań w przemyśle lotniczym, samochodowym, metalurgicznym i innych dziedzinach. Dalsze innowacje w zakresie technologii i sprzętu do napawania laserowego będą promować ważną rolę tej technologii w obniżaniu kosztów cyklu życia i poprawie niezawodności produktu.

Technologia napawania laserowego to technologia wykorzystująca laser o dużej mocy jako źródło ciepła w celu stopienia materiału okładziny, a następnie osadzania go na powierzchni materiału okładziny w celu wytworzenia warstwy okładziny. W porównaniu z tradycyjną technologią napawania, napawanie laserowe ma zalety małej strefy wpływu ciepła, wysokiej siły wiązania i prawie braku wstępnej obróbki materiału okładzinowego, co pozwala na lokalną precyzyjną naprawę. Warstwa napawania laserowego posiada strukturę gradientową z podłożem, co sprzyja zmniejszeniu naprężeń termicznych i naprężeń własnych oraz poprawie siły wiązania. Od czasu zaproponowania technologii napawania laserowego w latach 1960-tych XX wieku, wraz z rozwojem technologii laserowej i inżynierii materiałowej, stała się ona kluczową technologią szeroko stosowaną w dziedzinie inżynierii powierzchni.

W porównaniu z napawaniem palnikiem gazowym, napawanie laserowe ma wąską strefę wpływu ciepła, małe naprężenia szczątkowe i niewielki wpływ termiczny na podłoże. W porównaniu z natryskiwaniem plazmowym warstwa napawania laserowego jest trwale zespawana z podłożem i charakteryzuje się dużą siłą wiązania. W porównaniu z napawaniem wiązką elektronów, napawanie laserowe może działać bez próżni i jest łatwe do zautomatyzowania. Ogólnie rzecz biorąc, napawanie laserowe łączy w sobie zalety dużej gęstości mocy, silnej kolimacji i dużej elastyczności sterowania laserami podczas procesu napawania, dzięki czemu ma oczywiste zalety w modyfikacji powierzchni materiału.

Technologia napawania laserowego może tworzyć powłokę o określonym składzie i właściwościach na powierzchni materiałów metalowych lub niemetalowych i osiągać wyjątkową odporność na zużycie, odporność na korozję, odporność na utlenianie, odporność na wysoką temperaturę, odporność na zmęczenie i inne wielofunkcyjne funkcje powierzchni materiału co znacznie poszerza zakres zastosowań materiału. Technologia napawania laserowego jest szeroko stosowana w wielu dziedzinach przemysłu, takich jak przemysł lotniczy, samochodowy, formy, metalurgia, maszyny, chemikalia, fotowoltaika, biomedycyna itp., co ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności i żywotności produktu.

1 Badania materiałów napawania laserowego

1.1 Dobór i charakterystyka materiałów napawania laserowego
Wybór odpowiednich materiałów elewacyjnych ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości warstw elewacyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, wymagana jest doskonała absorpcja lasera i brane są pod uwagę takie parametry, jak temperatura topnienia, gęstość, dyfuzyjność i naprężenie szczątkowe materiału. Powszechnie stosowane materiały obejmują proszki metali (na bazie kobaltu, niklu itp.), proszki ceramiczne (tlenek glinu, węglik krzemu itp.) oraz związki lub mieszaniny przedstopowe wykonane z powyższych materiałów. Funkcjonalne materiały gradientowe można również zaprojektować przy użyciu różnych materiałów.

Oprócz dobrej absorpcji lasera, materiały okładzinowe muszą mieć również umiarkowaną temperaturę topnienia, wysoką stabilność, dobrą zwilżalność i metalurgiczne połączenie z podłożem. Metalowe materiały okładzinowe mogą zapewniać dobrą ciągliwość i gęstość, podczas gdy ceramiczne materiały okładzinowe mają wysoką twardość i stabilność chemiczną. Racjonalnie dobierając materiały, można uzyskać kompozytową warstwę okładzinową o wielu właściwościach.

1.2 Funkcje i właściwości materiałów napawania laserowego
Wybierając różne materiały na powłoki laserowe, można uzyskać doskonałą twardość, odporność na zużycie, odporność na korozję, odporność na zmęczenie cieplne, odporność na utlenianie, odporność na wysoką temperaturę, biokompatybilność itp., zapewniając powierzchni materiału okładzinowego wszechstronną doskonałą wydajność. Wydajność warstwy okładzinowej jest ściśle powiązana z takimi czynnikami, jak skład materiału i wielkość komponentów, parametry procesu laserowego itp. Na przykład poprzez dobór metalowo-ceramicznych materiałów kompozytowych, takich jak WxC-NiCrBSi, odporna na zużycie warstwa okładziny można uzyskać zarówno plastyczność metalu, jak i wysoką twardość ceramiki. Stosując materiały okładzinowe ze stopu Inconel 718, można uzyskać warstwę okładzinową odporną na korozję w wysokiej temperaturze i odporną na utlenianie. Materiały okładzinowe z azotku boru mogą zapewnić bardzo wysoką twardość powierzchni. Materiały okładzinowe ze stopu tytanu umożliwiają uzyskanie doskonałych biokompatybilnych warstw okładzinowych.

1.3 Stan badań i kierunki rozwoju materiałów napawania laserowego
Skład materiałowy okładzin laserowych jest bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości użytkowe powłok elewacyjnych. Ponieważ środowisko zastosowań części inżynieryjnych staje się coraz bardziej złożone i trudne, funkcje powlekania muszą być coraz bardziej zróżnicowane, a wydajność jest coraz lepsza. Dlatego pojedynczy materiał powłokowy nie może już spełniać wymagań aplikacji. Kompozyt materiałów powłokowych stał się dla ludzi bardzo ważnym sposobem rozwiązania tego problemu.

Obecnie powszechnie stosowanymi formułami materiałów do napawania laserowego są: samotopliwe materiały stopowe, dyspersja węglików lub materiały kompozytowe, kompozytowe materiały ceramiczne itp. Ten rodzaj materiału ma doskonałą odporność na zużycie, odporność na korozję, odporność na wysoką temperaturę i inne właściwości oraz jest szeroko stosowany w metalurgii, sprzęcie morskim, przemyśle lotniczym, energetyce jądrowej i innych dziedzinach. Dlatego badania nad formułami materiałów do napawania laserowego cieszą się dużym zainteresowaniem badaczy w kraju i za granicą.

Na arenie międzynarodowej badania nad tradycyjnymi materiałami na okładziny metalowe, takimi jak stopy na bazie niklu, kobaltu i tytanu, są stosunkowo zaawansowane i obecnie skupiają się na opracowywaniu stopów wysokotemperaturowych i materiałów o gradientach funkcjonalnych. Tradycyjne ceramiczne materiały okładzinowe, takie jak tlenek glinu i azotek krzemu, charakteryzują się stosunkowo stabilną wydajnością. Istniejące badania dotyczą kompozytów ceramicznych odpornych na utlenianie w wysokich temperaturach. Prowadzono wiele badań nad kompozytowymi materiałami okładzinowymi metalowo-ceramicznymi, które charakteryzują się wytrzymałością metalu i twardością ceramiki, a także podejmowano próby wykorzystania materiałów bioaktywnych w medycynie. Kraje zaawansowane technologicznie, takie jak Europa, Stany Zjednoczone, Japonia i Korea Południowa, już wcześniej prowadziły badania nad technologią napawania laserowego. Wśród nich Instytut Technologii Laserowej Fraunhofera w Niemczech przeprowadził podstawowe badania nad napawaniem laserowym różnych materiałów metalowych, takich jak stopy tytanu, stopy aluminium, stopy chromu itp.; Laboratorium Narodowe w Oakridge w Stanach Zjednoczonych zajmuje się opracowywaniem wydajnych i tanich systemów napawania laserowego; wiele japońskich firm, takich jak Sumitomo Heavy Industries i Mitsubishi Heavy Industries, jest również zaangażowanych w badania, rozwój i produkcję sprzętu do wytwarzania przyrostowego laserem.

Tradycyjne metalowe materiały okładzinowe są szeroko stosowane w Chinach. Od 2010 roku instytucje badawcze i uniwersytety, takie jak Pekiński Uniwersytet Aeronautyki i Astronautyki, Northwestern Polytechnical University i Instytut Automatyki w Shenyang Chińskiej Akademii Nauk, poczyniły ogromne postępy w technologii napawania laserowego. Obecnie koncentrujemy się na zastosowaniach przemysłowych i prowadzono badania nad renowacją łopatek silników lotniczych, metalowymi materiałami gradientowymi funkcjonalnymi, powłokami ze związków międzymetalicznych itp., a niektóre technologie osiągnęły międzynarodowy poziom zaawansowany. Systematycznie rozwijają się również lokalne firmy, takie jak Shenzhen Guangyun Laser. Obecnie poczyniono pewne postępy w lokalizacji ceramicznych materiałów okładzinowych, ale nadal istnieje luka w stosunku do materiałów o wysokiej wydajności; badania nad kompozytowymi materiałami okładzinowymi rozpoczęły się późno i rozwijają się od symulacji do niezależnego projektowania.

Patrząc w przyszłość, materiały do ​​napawania laserowego w kraju i za granicą rozwijają się od tradycyjnych do innowacyjnych. Badania skupiają się na rozwoju od pojedynczych materiałów do materiałów kompozytowych, zwłaszcza metalowo-ceramicznych materiałów kompozytowych, w celu uzyskania lepszej kompleksowej wydajności. Jednocześnie opracowywane są również nowe materiały okładzinowe odpowiednie do specjalnych środowisk, takie jak stopy odporne na utlenianie w wysokiej temperaturze, materiały biokompatybilne itp.

2 Badania procesu napawania laserowego

2.1 Podstawowe zasady procesu napawania laserowego
Laser napromieniowuje materiał okładzinowy, tworząc stopiony basen. Stopiony materiał okładzinowy wnika w powierzchnię materiału okładzinowego poprzez działanie kapilarne, a następnie szybko krzepnie, tworząc stopione wiązanie pomiędzy materiałami. Proces okładzinowy można podzielić na trzy etapy: obróbka wstępna, okładzina i obróbka końcowa. Obróbka wstępna obejmuje oczyszczenie podłoża i ulepszenie powierzchni
chropowatość. Etap okładziny jest kluczowym etapem formowania warstwy okładziny. Obróbka końcowa obejmuje obróbkę cieplną w celu wyeliminowania naprężeń szczątkowych itp.

2.2 Czynniki wpływające i metody optymalizacji procesu napawania laserowego
Głównymi czynnikami wpływającymi na proces napawania laserowego są parametry lasera, prędkość skanowania, parametry dyszy, ochrona gazowa itp. Strategia regulacji i optymalizacji parametrów procesu napawania laserowego jest kluczem do uzyskania wysokiej jakości warstw napawania. W przypadku głównych parametrów procesu badacze zaproponowali wiele skutecznych strategii regulacji i kontroli. Na przykład, jeśli chodzi o parametry lasera, bardziej stabilną morfologię jeziorka stopionego uzyskuje się poprzez optymalizację mocy lasera. Badanie wykazało, że dopasowanie długości fali lasera może poprawić skuteczność absorpcji lasera przez określone materiały okładzinowe. Jeśli chodzi o trajektorię skanowania, porównuje się wpływ różnych trybów skanowania na tworzenie się jeziorka, a wyniki pokazują, że skanowanie ortogonalne może uwzględniać zarówno wydajność skanowania, jak i stabilność jeziorka. Jeśli chodzi o ochronę wtrysku gazu, skuteczną kontrolę atmosfery osiąga się poprzez optymalizację przepływu i ciśnienia gazu. Ogólnie rzecz biorąc, ustalono stosunkowo systematyczną strategię optymalizacji parametrów procesu napawania laserowego. Dzięki skoordynowanej kontroli kluczowych parametrów, takich jak system laserowy, tryb skanowania, ochrona przed gazem itp., można dokładnie dostosować proces napawania, a jakość i stabilność napawania można znacznie poprawić.

3 Badania urządzeń do napawania laserowego
Sprzęt do napawania laserowego odnosi się do specjalnego sprzętu używanego do wykonywania technologii napawania laserowego. Obejmuje źródło lasera, układ optyczny, system natryskiwania, system pozycjonowania i przenoszenia przedmiotu obrabianego, urządzenie do natryskiwania proszku, stół warsztatowy i system sterowania. Jako kluczowy sprzęt do realizacji procesu napawania laserowego, rozwój technologiczny sprzętu do napawania laserowego wpływa bezpośrednio na jakość napawania i możliwości procesu.

Do popularnych laserów należą lasery CO2, lasery światłowodowe, lasery półprzewodnikowe itp. Jako podstawowe źródło światła okładziny laserowej, moc wyjściowa, zakres długości fali, jakość wiązki i stabilność działania lasera są kluczowymi wskaźnikami technicznymi zapewniającymi jakość okładziny. W przyszłości badania i rozwój laserów będą skupiać się na poprawie mocy wyjściowej, udoskonaleniu jakości wiązki, poprawie stabilności pracy i rozszerzeniu zakresu długości fal, aby sprostać potrzebom bardziej wydajnej i wyrafinowanej obróbki napawania laserowego.

System natryskowy wpływa bezpośrednio na wydajność transportu materiału okładzinowego. Projekt optymalizacji dysz, monitorowanie procesu online i kontrola pola temperatury to kluczowe technologie stosowane w tym sprzęcie. Nowy sprzęt, taki jak nowe głowice skanujące i sprzężenie wielolaserowe, pojawia się nieskończonym strumieniem. Ten postęp technologiczny przyczynił się do rozwoju precyzyjnego napawania laserowego. W przyszłości badania nad systemem natryskowym będą skupiać się na optymalizacji konstrukcji wewnętrznej, zastosowaniu materiałów odpornych na korozję w wysokich temperaturach oraz opracowaniu mechanizmów szybkiego przełączania wielu dysz w celu poprawy trwałości i możliwości adaptacji systemu dysze, skutecznie poprawiając w ten sposób efektywność wykorzystania surowców okładzinowych.

Poziom inteligencji systemu sterowania jest powiązany ze stabilnością i jakością powierzchni okładziny. Kierunkiem rozwoju systemu sterowania w przyszłości jest zbudowanie inteligentnego mechanizmu sterowania w pętli zamkniętej, integracja algorytmów sztucznej inteligencji w celu optymalizacji parametrów, wzmocnienie konstrukcji interfejsów interakcji człowiek-komputer oraz realizacja cyfrowych i inteligentnych funkcji, takich jak zdalne monitorowanie i przewidywanie stanu, tak aby uzyskać precyzyjną kontrolę i optymalizację jakości procesu okładzinowego.

Podsumowując, kierunek rozwoju sprzętu do napawania laserowego polega na poprawie mocy wyjściowej i stabilności lasera, precyzyjnym sterowaniu dyszami oraz opracowaniu inteligentnych systemów sterowania w celu wykonywania wysokiej jakości napawania laserowego o skomplikowanych kształtach. Wspólne innowacje i rozwój technologii laserowej, systemów natryskowych i systemów sterowania będą sprzyjać ewolucji sprzętu do napawania laserowego w kierunku wysokiej wydajności, stabilności i inteligencji, aby sprostać przyszłym potrzebom zastosowań napawania laserowego przy wyższych, kompleksowych wymaganiach eksploatacyjnych.

4 Zastosowanie i perspektywy rozwoju technologii napawania laserowego w różnych dziedzinach
Ze względu na swoje precyzyjne i wydajne właściwości, technologia napawania laserowego wykazała ogromne zalety w zastosowaniu i potencjał rozwojowy w przemyśle lotniczym, samochodowym, metalurgicznym i innych dziedzinach. W przemyśle lotniczym technologię napawania laserowego można zastosować do wzmacniania powierzchni ważnych elementów, takich jak łopatki turbin gazowych, dysze i tarcze turbin, w celu wytworzenia wysokiej jakości powłok przeciwzużyciowych i odpornych na korozję w wysokiej temperaturze, co znacznie poprawia jakość obsługi żywotność komponentów. W porównaniu z tradycyjnymi procesami, napawanie laserowe charakteryzuje się małą strefą wpływu ciepła procesowego i wysoką siłą wiązania, co jest bardzo odpowiednie do precyzyjnego wytwarzania dodatków powierzchniowych i naprawy komponentów lotniczych. Dalszy rozwój tej technologii znacznie obniży koszty konserwacji w przemyśle lotniczym.

W produkcji samochodów napawanie laserowe można stosować do wzmacniania właściwości powierzchni ważnych elementów, takich jak zawory silnika, korbowody, wałki rozrządu itp., a także do zwiększania odporności na zużycie i korozję. Żywotność i niezawodność takich kluczowych komponentów ulegną znacznej poprawie, co pomoże zmniejszyć częstotliwość konserwacji i zmniejszyć całkowity koszt cyklu życia pojazdu.

W przemyśle metalurgicznym technologia napawania laserowego może zapewnić naprawę i ochronę powierzchni, naprawę i regenerację komponentów, obróbkę stopową powierzchni, produkcję materiałów kompozytowych, lokalną obróbkę modyfikacyjną i transformację tradycyjnych materiałów. Jeśli chodzi o naprawę i ochronę powierzchni, technologia napawania laserowego zwiększa odporność materiałów na zużycie i korozję oraz wydłuża żywotność sprzętu poprzez nakładanie specjalnych stopów na uszkodzone powierzchnie. W przypadku naprawy i regeneracji kluczowych komponentów technologia napawania laserowego może przywrócić pierwotną strukturę i funkcję poprzez selektywne ogrzewanie i nakładanie odpowiednich materiałów stopowych, umożliwiając w ten sposób ponowne wykorzystanie komponentów. Obróbka stopowa powierzchniowa wykorzystuje technologię napawania laserowego do platerowania określonych materiałów stopowych na powierzchni materiałów metalowych, poprawiając w ten sposób twardość, odporność na zużycie i odporność na korozję materiałów oraz spełniając określone wymagania procesowe. Zastosowanie technologii napawania laserowego do wytwarzania materiałów kompozytowych pozwala na wszechstronne zastosowanie różnych właściwości poprzez nakładanie różnych materiałów proszkowych, poszerzając w ten sposób zakres zastosowań materiałów metalurgicznych. Jednocześnie technologia napawania laserowego umożliwia lokalne zabiegi modyfikacyjne, takie jak hartowanie, wyżarzanie i hartowanie, zapewniając zindywidualizowaną wydajność materiałów metalurgicznych. Ponadto naprawę i transformację tradycyjnych materiałów można również osiągnąć za pomocą technologii napawania laserowego, która znacznie poprawia wydajność i żywotność materiałów poprzez utworzenie nowej warstwy stopu na powierzchni materiału.

Wraz z ciągłym rozwojem technologii i sprzętu do napawania laserowego, jego zakres zastosowań rozszerzy się również na inne dziedziny przemysłu, takie jak ropa naftowa, przemysł chemiczny, energia elektryczna, transport kolejowy itp., A perspektywy rynkowe są szerokie. Ciągłe innowacje tej technologii znacznie obniżą koszty utrzymania sprzętu w różnych gałęziach przemysłu i poprawią efektywność produkcji.

Wnioski 5

Jako precyzyjna i wydajna metoda modyfikacji powierzchni, technologia napawania laserowego wykazała duży potencjał aplikacyjny i perspektywy rozwoju. Jego unikalnymi zaletami są mała strefa wpływu ciepła, wysoka siła wiązania, elastyczna kontrola procesu itp., Co pozwala na precyzyjną transformację funkcjonalną powierzchni materiału. Po dziesięcioleciach rozwoju technologia napawania laserowego została z powodzeniem zastosowana w ważnych dziedzinach, takich jak lotnictwo, motoryzacja, metalurgia itp., znacznie poprawiając żywotność i niezawodność podstawowych komponentów.

Wraz z dalszym rozwojem technologii laserowej i produkcji sprzętu, technologia napawania laserowego wciąż stoi przed wyzwaniami związanymi z dalszą redukcją kosztów sprzętu, realizacją wielowarstwowych okładzin o złożonej strukturze i poszerzaniem zakresu materiałów aplikacyjnych. Problem dopasowania systemu materiałowego oraz stabilnej i powtarzalnej kontroli jakości okładzin również wymaga ciągłej optymalizacji. Perspektywy zastosowań tej technologii są jednak bardzo szerokie i obejmują naprawę gorących elementów silników lotniczych, ulepszanie powierzchni silników samochodowych, renowację urządzeń hydroenergetycznych. Technologia napawania laserowego z pewnością odegra ważną rolę w poprawie niezawodności produktów i obniżeniu kosztów cyklu życia poprzez ciągłe innowacje w zakresie sprzętu i procesów.