Лазерная наплавка валов и пресс-форм: как восстанавливают изношенные детали

Что даёт наплавка вместо замены

Для вала цена замены складывается из заготовки, токарной и шлифовальной обработки и термообработки шеек. Для штампа или пресс-формы к этому добавляются электроэрозия и доводка, как описано в статье об оснастке. Наплавка возвращает металл только в изношенное место, а зона термического влияния и тепловые деформации остаются малыми: об этом пишут и русская Википедия в описании процесса, и обзоры по ремонту деталей.

У хромирования, которым защищают штоки, есть проблема в самом покрытии: как пишут китайские авторы (Materials, 2022), ВОЗ считает шестивалентный хром канцерогенным, и твёрдые хромовые покрытия всё чаще ограничивают. Эти авторы наплавляли Inconel 625 на сталь 27SiMn, из которой делают гидравлические стойки для шахт, как замену твёрдому хрому.

Что можно восстановить, а что лучше не пытаться

Общие ограничения таковы. Деталь должна быть известной марки, чтобы подобрать совместимую присадку. Ремонтируемая зона должна быть доступна для сопла и луча. Длинные тонкие валы наплавляют осторожно, потому что нагрев с одной стороны даёт изгиб. А высокоуглеродистая закалённая основа склонна к трещинам: обзор по Laser Metal Deposition (Materials, 2022) прямо называет подогрев основы, снижение мощности и рост скорости способами уменьшить остаточные напряжения, а также выбор порошка с коэффициентом расширения, близким к основе.

Порядок работ на валу

Расчёт: шейка вала диаметром 80 мм, длиной 200 мм

Режим берём из опыта со Stellite 12 на H13: скорость 10 мм/с, пятно 3 мм, перекрытие 40 %. Остальные цифры — допущения. Ширину дорожки принимаем равной 3,5 мм (ориентир, на практике её определяют по пробной дорожке), слой наплавляем толщиной 1,0 мм под последующую шлифовку.

1. Площадь шейки. π × 80 × 200 = 50 265 мм², то есть около 503 см².
2. Шаг между дорожками. 3,5 × (1 − 0,4) = 2,1 мм.
3. Скорость и оборот. Длина окружности 251 мм. При 10 мм/с вал делает один оборот за 25 секунд, то есть вращается со скоростью около 2,4 об/мин.
4. Число витков. 200 мм ÷ 2,1 мм ≈ 95 оборотов.
5. Время. 95 × 25 с ≈ 2390 с, или около 40 минут чистой наплавки.
6. Объём и масса слоя. 503 см² × 0,1 см = 50,3 см³. При плотности стали около 7,8 г/см³ это 392 г.
7. Расход порошка. Если в ванну попадает 40 % поданного порошка (оценка из работы Goffin и др.), потребуется около 980 г, если 60 % — около 650 г.

Итого 40 минут машинного времени и 0,65–1 кг порошка. Умножьте это на ставку станка из калькулятора норма-часа и на цену порошка из счёта поставщика: цену мы не называем, она зависит от сплава и партии. К этому прибавляются проточка, шлифовка и контроль, их нужно считать в калькуляторе себестоимости отдельно.

Оснастка: пресс-формы и штампы

На оснастке наплавка решает две задачи. Первая задача — ремонт, например сколотая кромка, выработка в зоне течения металла или коррозия на литейной форме. Вторая задача — упрочнение, и износостойкий слой кладут туда, где основа быстро теряет размер. Подготовка и маршрут изготовления оснастки описаны в статье о пресс-формах и штампах, а о выборе между алюминием и сталью в статье о стойкости пресс-форм.

Опубликованные режимы для стали H13 (ближайший российский аналог — 4Х5МФ1С по ГОСТ 5950, состав перед подбором сверьте) выглядят так.

Режим со Stellite 12 интересен тем, что мощность работает против твёрдости: чем больше мощность, тем глубже плавится основа, тем больше железа попадает в слой и тем мягче он получается. На нижней границе опыта, при 1800 Вт, основа оплавлялась слабо, и от зоны соединения до поверхности прошла трещина. Рабочее окно оказалось между этими пределами, и 2200 Вт авторы признали лучшим по сумме формы слоя, твёрдости и износа.

Подогрев основы и отпуск после наплавки на оснастке обычно закладывают в техпроцесс: инструментальная сталь закалена, а под лучом локально закаливается ещё раз. Это инженерный ориентир, а не норма. Температуры подогрева зависят от марки и размера детали, мы их не приводим: их берут у производителя стали или проверяют на образце.

Типичные ошибки

• Наплавка по усталостной трещине. Трещина продолжит расти под слоем. Её вырезают до сплошного металла или деталь бракуют.
• Наплавка без припуска. Дорожки неровные, и без шлифовки слой не выходит в размер. Закладывайте припуск.
• Порошок без сушки. Влажный порошок даёт поры и забивает подающие каналы. В проверенных работах сушили при 100–130 °C 2–4 часа.
• Подогрев и отпуск пропущены на оснастке. Остаточные напряжения растут, и обзор по LMD называет подогрев основы одним из способов их снизить.
• Одинаковый режим для любой детали. Тонкий вал и массивный штамп отводят тепло по-разному, и режим подбирают под деталь.