PRÓBY TECHNOLOGICZNE NAPAWANIA ELEMENTÓW TECHNICZNYCH METOD LASER METAL DEPOSITION (LMD)

Transkrypt

1 dr in. Marek GOŒCIAÑSKI, dr in. Bart³miej DUDZIAK Przemys³wy Instytut Maszyn Rlniczych, Pznañ PRÓBY TECHNOLOGICZNE NAPAWANIA ELEMENTÓW TECHNICZNYCH METOD LASER METAL DEPOSITION (LMD) Streszczenie W artykule przedstawin zalety i wady technlgii laserweg napawania prszkami stpów metali (LMD). Zamieszczn przyk³ady napawania nwych elementów raz regeneracji elementów zu ytych z u yciem ró nych stpów prszków metali. Prezentwane przyk³ady aplikacji stanwi¹ pis m liwœci pdnszenia trwa³œci eksplatacyjnej przez laserwe napawanie. S³wa kluczwe: technlgia Laser Metal Depsitin (LMD), prszki stpów metali, pw³ki, regeneracja, napawanie Wprwadzenie Trwa³œæ eksplatacyjna elementów technicznych w budwie maszyn jest szczególnie wa na w aspekcie zu ycia i niezawdnœci kmpletnych zesp³ów maszyn i urz¹dzeñ. Czêst elementy te s¹ pddawane w eksplatacji bardz du ym bci¹- enim mechanicznym, prcesm zmêczeniwym i zu yciu triblgicznemu [1-9]. Tendencje œwiatwe wskazuj¹ na kniecznœæ nie tylk prjektwania i stswania nwych materia³ów, ale tak e stswania prcesów regeneracyjnych w tym bróbek pwierzchniwych, np. brwania laserweg [8, 9]. Obróbki pwierzchniwe plegaj¹ce na utwardzaniu warstw wierzchnich elementów technicznych dprnymi na œcieranie stpami metali pzwalaj¹ na zwiêkszenie ich trwa³œci eksplatacyjnej i jednczeœnie staje siê eknmicznie uzasadnine. W statnich latach craz wiêksz¹ ppularnœci¹ ciesz¹ siê metdy bróbki pwierzchniwej z wykrzystaniem technlgii Laser Metal Depsitin (LMD). Technlgia ta pzwala jednczeœnie na twrzenie nwych warstw jak równie laserwe ich hartwanie, dziêki czemu warstwy te s¹ bardziej dprne na bci¹ enia, maj¹ wy sz¹ twardœæ i trwa³œæ eksplatacyjn¹. Pdczas prcesu napawania zachdzi zmiana struktury pwierzchni, twrzenie siê warstwy dprnej na œcieranie, czynniki krzyjne, zmêczenie itp. Isttne jest tak e wykrzystanie tej technlgii d regeneracji zu ytych lub uszkdznych elementów rbczych maszyn i urz¹dzeñ. Zastswanie zabiegów regeneracyjnych jest szczególnie p ¹dane, zw³aszcza gdy nie ma nwej zastêpczej czêœci lub gdy kszt regeneracji jest znacznie ni szy ni kszt wyknania/zakupienia nwej czêœci. W Labratrium Zesp³u Badañ i Rzwju Materia³ów Knstrukcyjnych w Przemys³wym Instytucie Maszyn Rlniczych w Pznaniu d trzech lat wykrzystywane jest urz¹dzenie technlgiczne d napawania laserweg prszkami metali i ich stpów TruCell 3008 firmy TRUMPF z laserem du didwym TruDisk Prces Laser Metal Depsitin (LMD) Istt¹ prcesu jest trójstrumieniwy nadmuch prszku metalu na element metalwy pddawany bróbce, a nastêpnie laserwe przetpienie teg prszku wraz z warstw¹ wierzchni¹ elementu, celem utwrzenia warstwy nwych w³aœciwœciach. Oczywiœcie, jak ka da z metd technlgicznych, technlgia LMD ma swje zalety i wady, które przedstawin w tab. 1. Urz¹dzenie True Laser Cell 3008 (rys. 1) sk³ada siê z nastêpuj¹cych elementów: kmry rbczej CELL 3008, generatra lasera TRU DISK 1000, pdajnika prszku, ch³dnicy lasera, wyci¹gu/urz¹dzenia dpylaj¹ceg. Pdstawwe parametry techniczne lasera raz kmry rbczej zestawin w tab. 2 i 3. Nadmuch prszku metalu i stapianie laserem jest wyknywane przez g³wicê, która zapewnia trójstrumieniwe dprwadzenie prszku w atmsferze argnu raz centralne dprwadzenie wi¹zki lasera w s³nie helu lub argnu. Widk trójstrumieniwej g³wicy napawaj¹cej pkazan na rys. 2. Urz¹dzenie TRUMPF w przedstawinej knfiguracji zapewnia w³aœciwy spsób budwy klejnych warstw napawanych raz dpwiednie parametry gemetryczne warstwy napawanej, c pkazan na rys. 3. W urz¹dzeniu firmy TRUMPF wi¹zka lasera jest generwana przez mdu³ didwy, za pmc¹ bezpœredniej knwersji pr¹du elektryczneg na œwiat³ lasera. Tab. 1. Zalety i wady technlgii LMD Table 1. Advantages and disadvantages f LMD Zalety technlgii LMD dzia³anie lkalne bardz ma³y bszar wp³ywu ciep³a m liwœæ wykrzystania dwlnych prszków metali dwlna ilœæ nak³adanych warstw m liwœæ dwlneg kszta³twania tru œcie ki (sterwanie CNC) brak kntaktu - metda bróbki bezstykwa Wady technlgii LMD pylenie pdczas prcesu napawania brak wykrzystania ca³eg prszku z uwagi na spsób dprwadzenia - nadmuch graniczna szerkœæ napiny d 3 mm (knstrukcja g³wicy, mc lasera) graniczna granulacja prszku wyski kszt zakupu urz¹dzenia 24

2 Rys. 1. Widk urz¹dzenia TRU LASER CELL 3008 raz pszczególnych jeg elementów Fig. 1. TRU Laser Cell 3008 device and auxiliary equipment Tab. 2. Dane lasera TruDISK 1000 Table 2. TruDisk 1000 technical data Nazwa parametru D³ugœæ fali Mc lasera Jakœæ wi¹zki lasera Minimalna œrednica w³ókna œwiat³wdu Stabilizacja nminalnej wartœci mcy lasera Zakres temperatury ch³dzenia Zakres mcy Œrednica wi¹zki lasera (na przedmicie brabianym) Tru Laser Disk nm 1000 W 2 mm mrad 50 µ m 1% 5-20 C W 0,3-7,5 mm (zalecane maks. 3,5) z uwagi na gniskwanie dyszy prszku (k³ 3 mm) Tabela 3. Dane kmry rbczej TRUCELL 3008 Table 3. TRUCELL 3008 technical data Zakres pracy Tru Laser Cell 3008 Oœ X 800 mm Oœ Y 500 mm Oœ Z 400 mm Oœ B ± 135 Oœ C n x 360 Tlerancja pzycji 0,015 mm Maksymalne prêdkœci X Y Z 30 m/min Rys. 3. Gemetryczne cechy nak³adanej œcie ki Fig. 3. Gemetrical prperties f laser cladding layer Kmra rbcza TRUCELL 3008 jest wypsa na w pulpit steruj¹cy, a interfejs u ytkwnika jest zbudwany w parciu system SIEMENS SINUMERIK. M liwe jest rêczne prgramwanie prgramów bs³ugi i pracy urz¹dzenia z wykrzystaniem pleceñ CNC. Jest t zasadne w przypadku wyknywania prstym pleceñ ruchu i pracy urz¹dzenia w uk³adzie si XYZ. Obs³uga urz¹dzenia i prgramwanie w trybie manualnym wymaga znajmœci zasad pstêpwania z urz¹dzeniami laserwymi, znajmœci bs³ugi ustawieñ zestawu raz pdstaw prgramwania CNC. W przypadku prgramwania zagadnieñ z³ nym stpniu skmplikwania i wielsiwym ruchu g³wicy napawaj¹cej (maksymalnie piêæ si ruchu), w p³¹czeniu z ruchem np. œrubwym, cyklicznym, brtwym itp. istnieje m liwœæ wykrzystania dedykwaneg prgramwania TRUTOPS d laserwej bróbki przestrzennej 3D elementów firmy TRUMPF. Nale y jednak pdkreœliæ, e prces technlgiczneg napawania warstw metalicznych jest bardz z³ ny. Ilœæ wystêpuj¹cych parametrów, maj¹cych wp³ywy na jakœæ napiny jest du a. Dlateg te knieczne jest wczeœniejsze pznanie w³aœciwœci warstw napawanych z u yciem daneg typu prszku, aby móc prawid³w dbraæ i zaprjektwaæ, a nastêpnie zaprgramwaæ ruch narzêdzia rbczeg i g³wicy napawaj¹cej, a w kñcwym etapie wytwrzyæ warstwê wierzchni¹ dbrych parametrach fizykmechanicznych. Próby technlgiczne napawania w technlgii LMD Rys. 2. Widk trójstrumieniwej g³wicy napawaj¹cej Fig. 2. Triaxial laser cladding depsitin head W ramach prac badawczych wyknan szereg prób technlgicznych maj¹cych na celu regeneracjê czêœci raz zwiêkszenie trwa³œci eksplatacyjnej warstw wierzchnich. 25

3 Jak materia³ napawany u yt prszków stpów metali, ró - nych w³aœciwœciach, kszta³cie i wielkœci ziarna: AMI , AMI 9302, Stellite 6, TML 220S. Na rys. 4 pkazan widk kszta³tu ziaren prszku TML 220S granulacji µm bêd¹ceg mieszanin¹ prszków TMC-340 (Icnel 625) raz sferyczneg wêglika wlframu (WC) w prprcji 50/50 masw. Rys. 6. Tpgrafia pwierzchni warstwy napawanej na pd³ u stalwym Fig. 6. Surface tpgraphy f laser cladded metal layer n steel Rys. 4. Zdjêcia brazuj¹ce kszta³t ziaren prszku TML 220S, mikrskp skaningwy Vega Tescan, pwiêkszenia 54x i 300x Fig. 4. Shape f TML 220S metal pwder particles, SM Vega Tescan, zm 54x and 300x Parametry technlgiczne prcesu laserweg napawania, przy wykrzystaniu urz¹dzenia LASER TRUCELL 3800 (LMD), mieszcz¹ siê w przedzia³ach: mc lasera: W, œrednica wi¹zki lasera: 2-3 mm, ilœæ prszku: g/min, prêdkœæ ruchu g³wicy: mm/min. Na rys. 5 pkazan przyk³adwy prces napawania laserweg du ych n y bijakwych d rzdrabniania bimasy, a na rys. 6 przedstawin braz tpgrafii pwierzchni uzyskanej w tym prcesie pw³ki. Rys. 5. Prces napawania laserweg du ych n y bijakwych Fig. 5. Laser cladding prcess f large impact hammers Wyniki prób technlgicznych napawania laserweg prszkami stpów metali ró nych pd wzglêdem knstrukcyjnym elementów nwych i pddawanych prceswi ich regeneracji przy u yciu metdy LMD pkazan na rys. 7 i 8. Rys. 7. Ftgrafie brazuj¹ce napawane twardymi stpami elementy rbcze stswane w budwie maszyn: A) œlimak d wyt³aczarki twrzyw sztucznych, B) wa³ek si³wnika hydrauliczneg, C) ³patki mieszalnika, D) œrdnik prasy zwijaj¹cej s³mê, E) n e bijakwe du e d rzdrabniaczy m³tkwych, F) n e bijakwe ma³e d rzdrabniaczy m³tkwych Fig. 7. Parts used in machine cnstructin, applied with metal surface laser cladding: A) screw extruder fr plastic, B) hydraulic cylinder shaft, C) mixer blades, D) central shaft f straw baler, E) large impact hammers fr hammermills, F) small impact hammers fr hammermills 26

4 Rys. 8. Ftgrafie brazuj¹ce napawane elementy rbcze pddane prceswi regeneracji: A) œlimak d t³czenia bimasy, przed (1) i p regeneracji (2), B) k³ zêbate pmpy lejwej samchdu IVECO, przed (1) i p regeneracji (2), C) uchwyt d prdukcji chusteczek, przed (1) i p regeneracji (2), D) wieniec k³a d prdukcji cukierków przed (1) i p regeneracji (2) Fig. 8. Parts used in machine cnstructin, regenerated with metal surface laser cladding: A) wrm shaft fr pressing the bimass befre (1) and after the regeneratin prcess (2), B) IVECO il pump shaft, befre (1) and after the regeneratin prcess (2), C) hlder used in prductin f tissues befre (1) and after the regeneratin prcess (2), D) rim used fr prductin f candies befre (1) and after the regeneratin prcess (2) 27

5 Pdsumwanie Zastswanie metdy napawania laserweg (LMD) przy u yciu TRU LASER CELL 3008 z laserem didwym 1KW w celu pdniesienia trwa³œci eksplatacyjnej elementów technicznych gwarantuje uzyskanie napiny z prszków metali, dbranym sk³adzie jakœciwym i ilœciwym dpwiednich wêglików (m.in. wlframu, bru, kbaltu), du ej trwa³œci triblgicznej. [3, 4, 5, 7]. D zalet tej technlgii m na zaliczyæ: wyknawstw na urz¹dzeniu ze sterwaniem CNC (du a pwtarzalnœæ i dk³adnœæ), brak iskrzenia napawanych elementów, np. n y bijakwych (materia³ napawany - napina z wêglikiem wlframu (sferycznym) ziarnie maksymalnym 150 ìm), m liwœæ wyknania partii elementów, które ró ni¹ siê mas¹ napiny pni ej 1 g, brak spêkañ w napinie, przetp warstwy pzbawiny prów. D jednstkwych wad tej metdy zaliczyæ m na: widczn¹, na pkrywanym napin¹ elemencie, strefê wp³ywu ciep³a (jednak znacznie mniejsz¹ ni przy napawaniu elektrd¹ i plazmw). Prace nad dsknaleniem technlgii napawania metd¹ LMD w Przemys³wym Instytucie Maszyn Rlniczych s¹ kntynuwane w aspekcie regeneracji i dalszeg zwiêkszenia trwa³œci eksplatacyjnej, zmniejszenia masy elementów technicznych i zptymalizwania prcesu technlgiczneg. Bibligrafia [1] Napad³ek W., Bgdanwicz Z.: Próby technlgiczne napawania laserweg zawrów wyltwych silnika ltniczeg. Jurnal f KONES, 2007, 4, [2] Napad³ek W., Przetakiewicz W.: The researches f laser treatment influence n triblgy prperties f 40H steel. Scientific Papers f the Institute f Machine Design and Operatin f the Technical University f Wrclaw, Pland, 2002, vl. 87, [3] Bartkwski D., M³ynarczak A., Piasecki A., Dudziak B., Gœciañski M., Bartkwska A.: Micrstructure, micrhardness and crrsin resistance f Stellite-6 catings reinfrced with WC particles using laser cladding. Optics & Laser Technlgy, 2015, vl. 68, [4] Piasecki A., Bartkwski D., M³ynarczyk A., Dudziak B., Gœciañski M., Kasprwiak M.: Laser cladding f Stellite 6 n lw carbn steel fr repairing cmpnents in autmtive applicatins using disk laser. Archives f Mechanical Technlgy andautmatin 2013, 2, [5] Piasecki A., M³ynarczak A., Bartkwski D., Dudziak B., Gœciañski M., Paczkwska M., Pp³awski M.: Kmpzytwe warstwy pwierzchniwe z cz¹stkami WC w snwie stpu niklu wytwrzne metd¹ napawania laserweg. In ynieria Materia³wa, 2014, 5, [6] Pilarczyk J., Banasik M., Dwrak J., Stan S.: Centrum laserwe Instytutu Spawalnictwa - m liwœci, badania i zastswania przemys³we. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, 2010, vl. 54, [7] Dudziak B.: Examples f parts regeneratin used in the internal cmbustin engines made in LMD technlgy. Cmbustin Engines, 2013, 3, [8] Pertek A., Kapciñska-Ppwska D., Bartkwska A., Wiœniewski K.: Wp³yw brwania dyfuzyjneg i laserweg na mikrstrukturê i wybrane w³aœciwœci stali Hardx 450. In ynieria Materia³wa, 2013, 5, [9] Kapciñska-Ppwska D., Pertek-Owsianna A., Gœciañski M.: Wp³yw brwania laserweg na w³aœciwœci triblgiczne stali HARDOX 450. Technika Rlnicza Ogrdnicza Leœna, 2013, 5, [10] Pilarczyk J., Banasik M., Dwrak J., Stan S.: Technlgiczne zastswania wi¹zki laserwej w Instytucie Spawalnictwa. Przegl¹d Spawalnictwa, 2006, 78, LASER CLADDING TECHNOLOGICAL TESTS ON TECHNICAL ELEMENTS USING LASER METAL DEPOSITION METHOD (LMD) Summary The article describes the technlgy and the advantages and disadvantages f laser metal depsitin technlgy f ally pwders (LMD). Examples f laser cladding n selected elements and examples f part's regeneratin using different allys f metal pwders have been presented. Presented aplicatin examples are a descriptin pprtunities t imprve service life by laser cladding. Key wrds: laser technlgy, Laser Metal Depsitin (LMD), metal allys, catings, regeneratin, laser cladding 28