Лазерная наплавка: что это, порошок или проволока и какие режимы

Что такое лазерная наплавка

Лазерная наплавка плавит присадку и тонкий слой основы лучом, и расплав застывает в виде дорожки, прочно связанной с деталью. Её ведут по поверхности рядами, как покраску валиком, и из дорожек набирается слой нужной площади. Сводится всё к созданию ванны расплава, в которую подают материал, а толщина слоя за один проход составляет от 0,05 до 3 мм.

Сварка соединяет две детали и расплавляет обе кромки. Наплавка решает другую задачу: поверхность изношена или нужна стойкость, которой нет у основного металла, и на неё кладут износостойкий, коррозионностойкий или просто «родной» металл. Поэтому в наплавке следят за разбавлением, то есть за долей расплавленной основы в готовом слое.

Источником чаще служит волоконный лазер, ставят и Nd, а CO2-лазеры вышли из употребления. В опытах ниже мощность составляет от 460 Вт до 2,2 кВт, а пятно на детали 1–3 мм. Главный довод в пользу лазера в том, что малая зона термического влияния и тонкая зона перемешивания (10–100 мкм) не дают детали сильно нагреться и повести.

Четыре схемы подачи материала

В обзоре по лазерной наплавке титановых сплавов в MDPI (Materials, 2023) выделены четыре режима. Коаксиальная подача самая распространённая и подходит для деталей сложной формы, потому что сопло ведёт порошок прямо в луч и дорожка получается равномерной по толщине.

Порошок или проволока

Лаборатория Университета Лафборо (Goffin и др., Proceedings of the Royal Society A, 2016) собрала аргументы за проволоку: нет газовых включений от порошка, плотность близка к 100 %, скорость осаждения выше. При этом авторы признают, что порошок остаётся промышленным стандартом, а проволочный процесс труднее контролировать. По их оценке, в ванну попадает около 100 % поданной проволоки против примерно 40 % порошка. Остальной порошок мимо ванны либо собирают, либо теряют.

Для ремонта вала или штампа обычно выбирают порошок, потому что нужен точный слой на изношенной поверхности с контролем разбавления. Проволока выигрывает там, где нужна большая масса металла за смену и простая геометрия, например толстые блоки или трубы. Подробнее о наплавке с выращиванием объёмных деталей рассказано в статье о прямом лазерном выращивании.

Режимы: что берут на практике

Единых «паспортных» режимов у наплавки нет, потому что результат зависит от пары «присадка плюс основа», сопла и формы детали. Ниже режимы из опубликованных опытов. Последний столбец посчитан по формуле «мощность делить на скорость», то есть показывает, сколько энергии луч отдаёт на каждый метр пути.

Источники таблицы: Materials 2025 (Inconel 718 и EA4T), Materials 2025 (H13), Materials 2024 (Stellite 12), Materials 2022 (Inconel 625). Цифры относятся к конкретным установкам и порошкам, поэтому переносить их на свой станок без пробных дорожек нельзя.

За «лучшую» форму дорожки в обзорах принимают отношение ширины к высоте от 3 до 5. Узкая и высокая дорожка хуже ложится рядом с соседней, а слишком плоская даёт мелкое проплавление. Перекрытие соседних дорожек берут около половины ширины: в обзоре Gorsse и соавторов (Science and Technology of Advanced Materials, 2017) указан диапазон 33–50 %, а в опыте с Inconel 718 расчётное наилучшее перекрытие составило 33,6 %. Авторы работы по Stellite 12 ушли от привычных 50 % к 40 %, а в скоростном режиме на Inconel 625 перекрытие достигало 85 %.

Три главных параметра влияют по-разному. В опытах с Inconel 718 на EA4T мощность сильнее всех меняла ширину ванны, глубину проплавления и разбавление, скорость сильнее всего влияла на высоту валика и форму дорожки, а подача порошка влияла слабее остальных. Рост мощности при тех же скорости и подаче, как правило, увеличивает долю расплавленной основы. В опыте со Stellite 12 при росте мощности с 1800 до 2600 Вт твёрдость слоя упала с 590,7 до 487,5 HV, потому что в него ушло больше железа. Основа при этом имела 224 HV.

Скоростная наплавка: порядок меняется

Технологию скоростной наплавки в 2016 году предложил Институт лазерной техники Фраунгофера (Fraunhofer ILT). Порошок подводят так, чтобы он нагревался уже в луче до входа в ванну, и деталь почти не получает тепла. Скорость 20–200 м/мин даёт слои 10–250 мкм. В сравнении на Inconel 625 при одинаковых 2200 Вт и 32,3 г/мин скорость 30 м/мин вместо 2 м/мин увеличила производительность в 13,9 раза, а вложение энергии упало с 66 до 4,4 кДж/м.

Для хромированных поверхностей это серьёзная альтернатива, а вот для восстановления вала с износом 0,5–1 мм такой слой слишком тонкий: придётся делать десятки проходов. Скоростную наплавку выбирают под покрытия, а обычную под ремонт и наращивание.

Расчёт: какой слой даст подача порошка

Берём режим наплавки H13 на H13 из таблицы: подача порошка 14,73 г/мин, скорость 9,9 мм/с (594 мм/мин), пятно 3 мм. Остальные цифры — допущения, поэтому толщину считаем как прикидку, а не как гарантию.

1. Ширина дорожки. Берём 3,5 мм, чуть больше пятна (ориентир, на практике её определяют по пробной дорожке).
2. Шаг между дорожками. При перекрытии 40 % шаг равен 3,5 × (1 − 0,4) = 2,1 мм.
3. Площадь за минуту. 2,1 мм × 594 мм/мин = 1247 мм², то есть около 12,5 см²/мин, или 0,075 м²/ч.
4. Масса, которая осела. При захвате 40 %: 14,73 × 0,4 = 5,9 г/мин. Плотность H13 около 7,8 г/см³, объём 0,755 см³/мин.
5. Толщина слоя. 0,755 см³/мин ÷ 12,5 см²/мин = 0,06 см, то есть около 0,6 мм.

Если сопло ловит 60 % порошка, тот же режим даст около 0,9 мм. Поэтому при смене сопла или порошка режим пересматривают, даже если мощность и скорость остались прежними. Для расчёта стоимости детали используют калькулятор себестоимости изделия и норма-час станка.

Что идёт не так

• Влажный порошок. Порошок сушат перед работой: в проверенных работах режимы были 100 °C на 2–4 часа (Stellite 12), 120 °C на 2 часа (Inconel 718) и 130 °C на 2 часа (H13). Влага даёт поры и забивает подающие каналы.
• Мало мощности. Основа плохо оплавляется, слой слабо держится, на границе появляются трещины. В опыте со Stellite 12 при 1800 Вт трещина дошла от зоны соединения до поверхности.
• Много мощности. Растёт разбавление, слой мягче, увеличиваются поры. В той же работе размер пор рос вместе с мощностью.
• Разные коэффициенты расширения. Если слой и основа расширяются при нагреве сильно по-разному, слой растрескивается при остывании. Против этого подбирают порошок с близким расширением и подогревают основу.
• Неподходящее перекрытие. В работе по Inconel 718 отмечено, что и слишком большое, и слишком малое перекрытие дорожек ухудшают слой.