AMME 2003 12th Badania technologii laserowego i plazmowego proszkami na osnowie kobaltu, przylgni grzybków zaworów ze stali X40CrSiMo10-2 A. Klimpel, A. Lisiecki, D. Janicki Katedra Spawalnictwa, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice W artykule przedstawiono wyniki bada technologii laserowego proszkowego oraz plazmowego powierzchni roboczej (przylgni) grzybków zaworów silników okrtowych ze stali X40CrSiMo10-2. Wykazano, e jest moliwe wykonanie wysokiej jakoci napoin proszkami na osnowie kobaltu, przy czym proces laserem HPDL zapewnia wysz dokładno sterowania jakoci i kształtem napoin oraz energi liniow (udziałem materiału podłoa w napoinie) w stosunku do procesu PTA. 1. BADANIA TECHNOLOGII NAPAWANIA LASEROWEGO PROSZKOWEGO Badania nad opracowaniem technologii laserowego proszkowego powierzchni roboczej (przylgni) grzybków zaworów silników okrtowych ze stali X40CrSiMo10-2, przeprowadzono za pomoc lasera diodowego duej mocy HPDL firmy ROFIN SINAR DL 020, o maksymalnej mocy wizki 2,3 kw. Laser ROFIN SINAR DL 020 zawiera głowic wyposaon w dwa pakiety diod zasilanych z oddzielnych ródeł prdu, układ sterowania moc wizki laserowej oraz układ chłodzenia pakietów diod, rys. 1 i tabl. 1 [1,2]. Głowica lasera zamocowana jest na prowadnicy liniowej układu pozycjonowania firmy ISEL AUTOMATION sterowanym numerycznie, a napawane krki oraz zawory ze stali X40CrSiMo10-2 mocowano w obrotniku, na stole krzyowym tego układu. Dokładno pozycjonowania układu wynosi 0,20 [µm] / 100. Stanowisko do laserowego proszkowego wyposaono dodatkowo w układ podawania proszku do obszaru, z dokładnie sterowanym nateniem podawania proszku w zakresie 0,8-25 [g/min]. W celu opracowania warunków technologicznych laserowego proszkowego przylgni grzybków zaworów, przeprowadzono wstpne próby ciegami w pozycji podolnej po torze kołowym, krków o gruboci 8,0 i rednicy 75 mm, ze stali zaworowej X40CrSiMo10-2, symulujc w ten sposób warunki przylgni grzybków zaworów. W czasie prób wizk laserow ogniskowano na górnej powierzchni napawanego krka, przy odległoci ogniskowej 82 i wielkoci ogniska 1,8 6,8. Do bada warunków technologicznych laserowego proszkowego wytypowano trzy proszki na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, przeznaczone oryginalnie do plazmowego proszkowego grzybków zaworów silników spalinowych, tabl. 2 [3]. Jako kryteria oceny jakoci procesu laserowego proszkowego przyjto:
470 A. Klimpel, A. Lisiecki, D. Janicki wysoka jako napoin oceniana na podstawie ogldzin zewntrznych, bada penetracyjnych i bada ultradwikowych (brak wad, a zwłaszcza pkni oraz gładkie i równe lico ), pojedynczy cieg napoin o szerokoci 6,0-6,5 i gruboci 1,0-1,5, grubo 4,0-4,5. Na podstawie bada wpływu podstawowych parametrów laserowego proszkowego na jako i kształt napoin: mocy wizki lasera, połoenia ogniska wizki, prdkoci, połoenia dyszy podajcej proszek do jeziorka spawalniczego, rodzaj proszku, natenie podawania proszku, natenie przepływu gazu ochronnego oraz temp. podgrzewania wstpnego, ustalono optymalne warunki technologiczne płaskiej powierzchni krków ze stali X40CrSiMo10-2, tabl. 3. Badania wykazały, e skład chemiczny badanych proszków na osnowie kobaltu nie wywiera wpływu na jako napoin i nie jest konieczne podgrzewanie wstpne. Nastpnie przeprowadzono badania nad ustaleniem warunków technologicznych laserowego proszkowego przylgni grzybków zaworów, w oparciu o warunki technologiczne ciegów kołowych na płaskiej powierzchni krków, tabl. 3. Zawory o powierzchni roboczej (przylgni) grzybka przygotowanej przez podtoczenie o szerokoci ok. 4,0 i głbokoci ok. 0,8, mocowano w obrotniku sterowanym numerycznie, a dwa ciegi o zakładce rzdu 30-40% (ok. 3,0 ), układano w pozycji podolnej. Okazało si, e w przypadku kadego z proszków konieczne jest podgrzewanie wstpne zaworów, w celu uniknicia pkni poprzecznych ciegów. Na podstawie bada wpływu temp. podgrzewania wstpnego na jako napoin wykazano, e dopiero przy podgrzewaniu do temp. powyej 250-300 0 C ciegi napoin s wolne od pkni, tabl. 4. Twardo napoin po obróbce wykaczajcej grzybka zaworu mieci si w granicach 48-56 HRC. Dalsze badania wykazały, e w celu zapewnia wymaganego naddatku na obróbk wykaczajc zaworów próbnych do bada eksploatacyjnych oraz ograniczenia wpływu ciepła na grzybek zaworu o małej pojemnoci cieplnej, konieczne jest wykonanie napoin o gruboci ok. 4,5-5,0 i szerokoci ok. 8,0. Takie wymiary napoin wymagały opracowania warunków technologicznych dwuwarstwowego z dwoma ciegami w kadej warstwie, tabl. 5. Parametry (energi liniow ) dobrano w ten sposób, aby spełniajc kryterium jakoci, uzyska w pierwszej warstwie moliwie najniszy udział materiału rodzimego. Widok zaworów próbnych, o przylgni grzybka zaworu napawanej dwuwarstwowo proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, tabl. 2 i 5, przedstawiono na rys. 2. Tablica 1. Dane techniczne lasera diodowego duej mocy ROFIN DL 020 Parametr Wielko Długo fali Max moc wyjciowa wizki (promieniowanie cigłe) Zakres płynnej regulacji mocy wizki roboczej 808 [nm] ± 5[nm] lub 940 [nm] ± 10 [nm] 2500 [W] 100 2500 [W] Sprawno energetyczna 35 50 [%] Długo ogniska wizki Wymiary ogniska wizki Zakres gstoci mocy wizki na powierzchni ogniska 82 / 32 1,8 6,8 / 1,8 3,8 0.8 36,5 [kw/cm 2 ]
Badania technologii laserowego i plazmowego 471 a) b) Rys. 1. Widok stanowiska do grzybków zaworów oraz przebieg procesu : a) laserem HPDL, wyposaonym w oprzyrzdowanie do laserowego proszkowego, b) PTA proszkowego urzdzeniem CASTOLIN EUTRONIC GAP Tablica 2. Skład chemiczny i twardo napoin PTA wykonanych proszkami stosowanymi w badaniach procesu laserowego i PTA przylgni grzybków zaworów Rodzaj Skład chemiczny w % mas. Twardo proszku C Si Cr W Ni Mo Fe Co 16006 1,2 1,2 28,8 4,9 2,2 <0,1 2,0 reszta 37-40 HRC 16012 1,55 1,21 29,7 9,0 2,0 0,01 1,7 reszta 43-46 HRC PG5218 1,32 1,25 29,0 5,3 2,1 <0.1 1,9 reszta 41-44 HRC Tablica 3. Warunki technologiczne laserowego proszkowego laserem HPDL ROFIN DL020, proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, ciegów kołowych napoin na krkach ze stali X40CrSiMo10-2, rys. 2 Technika Moc lasera [kw] Prdko [m/min] podawania proszku [g/min] Grubo Szeroko 1 warstwa 1,0-1,4 0,20-0,30 5,0-6,0 1,0-1,5 ok. 6,0-6,5 Uwagi: Długo ogniskowa wizki lasera - 82,0, szeroko wizki lasera na powierzchni napawanej płytki - ok. 6,8, natenie gazu transportujcego proszek argonu 2,0 [l/min], natenie gazu ochronnego argonu 6 [l/min], rednica dyszy podajnika proszku - 1,2, kt pochylenia dyszy ok. 40 [ o ], odległo dyszy od jeziorka spawalniczego ok. 10,0. Nie jest wymagane podgrzewanie wstpne krków. Tablica 4. Wpływ temp. podgrzewania wstpnego na jako napoin laserowych przylgni grzybka zaworu, rys. 4 Rodzaj Temperatura podgrzewania wstpnego zaworów [ o C] proszku 100 150 200 250 300 16006 16012 PG5218
472 A. Klimpel, A. Lisiecki, D. Janicki Rys. 2. Widok zaworów próbnych napawanych laserem HPDL proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, tabl. 5 Tablica 5. Warunki technologiczne laserowego proszkowego laserem HPDL ROFIN DL020, proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, przylgni grzybków zaworów ze stali X40CrSiMo10-2, rys. 5 Technika Moc lasera [kw] Prdko [m/min] podawania proszku [g/min] Grubo Szeroko 1 warstwa 1,0-1,2 0,20 5,0 1,0-1,2 ok. 6,0 2 ciegi 2 i 3 warstwa 1,1-1,2 0,20 5,0 1,3-1,5 ok. 6,0 2 ciegi Uwagi: Długo ogniskowa wizki lasera - 82,0, szeroko wizki lasera na powierzchni napawanej płytki - ok. 6,8, natenie gazu transportujcego proszek argonu 2,0 [l/min], natenie gazu ochronnego argonu 6 [l/min], rednica dyszy podajnika proszku - 1,2, kt pochylenia dyszy ok. 40 [ o ], odległo dyszy od jeziorka spawalniczego ok. 10,0. Zakładka ciegów 30-40% (ok. 3,0 ). Wymagane podgrzewanie zaworu wstpne do temp. 250-300 0 C. 2. BADANIA TECHNOLOGII NAPAWANIA PLAZMOWEGO PROSZKOWEGO Napawanie plazmowe proszkowe PTA, powierzchni roboczej (przylgni) grzybków zaworów ze stali X40CrSiMo10-2 prowadzono automatycznie za pomoc urzdzenia do plazmowego proszkowego EUTRONIC GAP 200 firmy CASTOLIN, rys. 1. Stanowisko do wyposaono w sterowany numerycznie obrotnik, w którego uchwycie mocowano napawane zawory. W badaniach zastosowano podobnie jak do laserowego proszkowego, trzy proszki na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218, tabl. 2. W celu ustalenia warunków technologicznych PTA powierzchni roboczej grzybków zaworów, okrelono wpływ parametrów PTA na kształt i jako napoin. Wstpne próby przeprowadzono ciegami po torze kołowym na krkach ze stali X40CrSiMo10-2, symulujc w ten sposób proces napawanie przylgni grzybka zaworu. Jako kryteria oceny jakoci procesu PTA przyjto:
Badania technologii laserowego i plazmowego 473 wysoka jako napoin oceniana na podstawie ogldzin zewntrznych, bada penetracyjnych i bada ultradwikowych (brak wad, a zwłaszcza pkni oraz gładkie i równe lico ), pojedynczy cieg napoin o szerokoci ok. 6,0 i gruboci 1,2-1,5, grubo 4,5-5,0. Na podstawie bada wpływu podstawowych parametrów PTA na jako i kształt napoin kołowych na krkach ze stali X40CrSiMo10-2: natenie prdu łuku plazmowego, prdkoci, natenie podawania proszku, natenie przepływu gazu podajcego proszek, gazu plazmowego i gazu ochronnego, ustalono wstpne warunki technologiczne grzybków zaworów. Próby PTA z ruchem wahadłowym palnika wykazały, e moliwe jest wykonanie warstw o wymaganej szerokoci kształcie, lecz w wyniku duej energii liniowej nastpuje nadmierne nagrzewanie grzybka zaworu i jego odkształcenia. Zawory próbne o powierzchni roboczej grzybka przygotowanej przez podtoczenie o szerokoci ok. 4,0 i głbokoci ok. 1,0, mocowano w obrotniku sterowanym numerycznie, rys. 1. Na postawie wstpnych prób grzybków zaworów stwierdzono, e w celu zapewnienia wymaganego naddatku na obróbk wykaczajc zaworów próbnych do bada eksploatacyjnych oraz, konieczne jest wykonanie napoin o gruboci ok. 4,5-5,0 i szerokoci ok. 10,0, rys. 3. Takie wymiary napoin oraz konieczno ograniczenia wpływu ciepła na grzybek zaworu o małej pojemnoci cieplnej, wymagały opracowania warunków technologicznych PTA trzema warstwami zawierajcymi trzy ciegi, tabl. 6. Proces zaworów próbnych prowadzono w pozycji podolnej, a w celu zapobieenia pkniciom poprzecznym, zawory przed napawaniem podgrzewano wstpnie do temp. ok. 250 o C, a temp. midzyciegow utrzymywano na poziomie ok. 200 o C. Temperatury te ustalono na postawie bada przeprowadzonych podobnie jak w przypadku laserowego proszkowego, tabl. 4. Twardo napoin PTA po obróbce wykaczajcej grzybka zaworu mieci si w granicach 37-46 HRC. Widok zaworów próbnych napawanych automatycznie PTA proszkami 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Widok zaworów próbnych napawanych PTA proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin, urzdzeniem EUTRONIC GAP 200, rys. 8 i tabl. 7
474 A. Klimpel, A. Lisiecki, D. Janicki Tablica 6. Warunki technologiczne ciegów kołowych automatycznie PTA na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin powierzchni roboczej grzybków zaworów ze stali X40CrSiMo10-2, rys. 9 i 11 Rodzaj proszku 16006 16012 PG 5218 Warstwa prdu [A] 1 40,0-55,0 2 45,0-55,0 3 45,0-55,0 1 45,0-55,0 2 45,0-60,0 3 45,0-60,0 1 40,0-45,0 2 45,0-50,0 przepływu gazu ochronnego [l/min] przepływu gazu transportujcego [l/min] podawania proszku [g/min] 7,0 3,0 10,0-12,0 7,0 3,0 10,0-12,0 7,0 3,0 10,0-12,0 3 45,0-50,0 Uwagi: Gaz plazmowy argon o nateniu przepływu 3,0 [l/min], gaz podajcy proszek i gaz ochronny mieszanka MIX 5 argon + 5% H 2, odległoci dyszy palnika od materiału 4,0-5,0. Temperatura podgrzewania wstpnego 250 o C. Temperatura midzyciegowa 200 o C. Prdko obrotowa stołu 0,8 [obr/min]. Szeroko napoin ok. 8,0, grubo 4,0-4,5. 3. PODSUMOWANIE Na podstawie przyprowadzonych bada technologii laserowego oraz PTA proszkami na osnowie kobaltu 16006, 16012 oraz PG 5218 firmy Castolin stwierdzono: 1. Proces laserem HPDL zapewnia wysz dokładno sterowania jakoci i kształtem napoin oraz energi liniow (udziałem materiału podłoa w napoinie) w stosunku do procesu PTA, rys. 5 i 11. W przypadku obu technologii zapewniona jest wysoka jako napoin oraz twardo warstwy wierzchniej w granicach: laserowe 48-56 HRC, PTA 37-46 HRC. 2. W celu zapewnienia wymaganej jakoci i kształtu napoin, tak w przypadku laserowego, jak i PTA konieczne jest napawanie wielowarstwowe, z ograniczeniem energii liniowej, tabl. 5 i 7. 3. Z uwagi na odmienne właciwoci fizyczne badanych proszków na osnowie kobaltu, w przypadku PTA konieczny jest dokładny dobór parametrów, w zalenoci od rodzaju zastosowanego proszku, tabl. 7. Prac wykonano w ramach projektu badawczego Nr 4 T08C 062 24 finansowanego przez Komitet Bada Naukowych. LITERATURA 1. Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. Technologie. WNT, W-wa. 2000, 2. Klimpel A.: Lasery diodowe duej mocy w spawalnictwie. Przegld Spawalnictwa. 1999, nr 8, 3. Katalog firmy Castolin Eutectic.