Научная статья на тему 'Исследование микроструктуры покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой'

Исследование микроструктуры покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
269
154
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛАЗЕР / НАПЛАВКА / ПОРИСТОСТЬ / РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ / LASER WELDING / POROSITY / REGRESSION ANALYSIS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Морозов Евгений Александрович

Рассмотрено влияние технологических параметров лазерной наплавки на пористость получаемого материала. Средствами полнофакторного эксперимента получена эмпирическая зависимость пористости от мощности лазерного излучения, скорости сканирования и подачи порошкового материала.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Морозов Евгений Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF THE MICROSTRUCTURE OF ALLOY STEEL COATING OBTAINED BY LASER CLADDING

The influence of technological parameters of laser cladding on the porosity of the resulting material was study. Was obtained empirical dependence of porosity on the laser power, scanning speed andflow of the powder material by full factorial experiment.

Текст научной работы на тему «Исследование микроструктуры покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой»

Технология производства и прочность элементов конструкции автомобилей и ...

УДК 621.791.92

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЯ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ, ПОЛУЧЕННОГО ЛАЗЕРНОЙ

НАПЛАВКОЙ

Е.А. Морозов

Рассмотрено влияние технологических параметров лазерной наплавки на пористость получаемого материала. Средствами полнофакторного эксперимента получена эмпирическая зависимость пористости от мощности лазерного излучения, скорости сканирования и подачи порошкового материала.

Ключевые слова: лазер, наплавка, пористость, регрессионный анализ.

Применение технологий локального нанесения покрытий открывает возможности для ремонта поврежденных участков деталей. Для этого в основном используют технологии, связанные с наплавкой. С их помощью можно не только восстанавливать детали, но и создавать покрытия, превосходящие по свойствам материал основы. Однако большинство методов наплавки оказывают существенное тепловое воздействие на подложку-деталь, что может приводить к ухудшению ее свойств.

Такого недостатка лишена технология наплавки с помощью лазерного излучения. За счет локального нагрева и постоянного перемещения источника тепла образуются малые зоны термического влияния, не способные оказать существенного воздействия на свойства основной детали. Также технология лазерной наплавки считается прогрессивным технологическим процессом: она не требует специфической оснастки и позволяет более эффективно расходовать материал [1].

Несмотря на появление технологий лазерной наплавки в конце 80-х годов, она менее распространена по сравнению с другими лазерными технологиями, такими, как резка или сварка. Причина этого заключается в отсутствии методик разработки технологического процесса [2]. С помощью аналитических методов трудно учесть все возможные факторы, оказывающие влияние на процесс наплавления. Кроме того, такие методики требуют начальных данных, которые можно получить только после пробных проходов.

Методика исследования

Основной целью проведения экспериментальных исследований является получение зависимостей, позволяющих оценить влияние мощности лазерного излучения, скорости перемещения лазера и подачи порошка материала на параметры наплавленного слоя.

Для проведения эксперимента в качестве материала основы используются плитки стали10 размером 70х70х10 мм. В качестве наплавочного материала - порошок американской стали Н13. Российский аналог - высоколегированная инструментальная сталь 4Х5МФ1С, ГОСТ 5950-2000. Частицы порошка сферические, с размером от 40 до 150 мкм.

Экспериментальное исследование проводится по методу полного факторного эксперимента. Установление взаимосвязей между параметрами наплавочного слоя и условиями процесса наплавки с помощью полного факторного эксперимента и последующего регрессионного анализа проводится по методикам, описанным в работах [3, 4].

В основе проведения регрессионного анализа лежат следующие предположения

1) давление в защитной камере постоянно,

2) среда в защитной камере не изменяется по химическому составу;

3) изменяемые факторы Х1, Х2, Х3 линейно независимы;

4) независимые факторы Х1, Х2, Х3изменяются с ошибкой много меньшей по сравнению с ошибкой в определении отклика У;

5) дисперсия случайной величины У постоянна;

6) при каждом сочетании значений независимых переменных Х1, Х2, Х3 величина зависимой переменной У подчиняется закону нормального распределения;

7) погрешность в траектории наплавки чередующихся слоев несравнимо мала и не учитывается;

8) заготовка ориентирована перпендикулярно относительно лазерной головки;

9) наплавки имеют равные условия теплоотвода.

В качестве факторов, влияющих на параметры наплавочного слоя и выбранных для проведения регрессионного анализа, используются:

1) мощность лазерного излучения Р (кВт);

2) скорость перемещения лазера 8 (м/мин);

3) скорость подачи порошка V (г/мин).

Принятые в эксперименте кодовые обозначения факторов и их уровни указаны в таблице.

Кодирование коэффициентов

Факторы Кодовое обозначение Уровни факторов, соответствующие кодируемым значениям Шаг

Нижний Основной Верхний

Р (кВт) Х1 0,25 0,35 0,45 0,10

8 (м/мин) Х2 20 25 30 5

V (г/мин) Х3 4 6 8 2

Технология производства и прочность элементов конструкции автомобилей и ...

Наплавки выполняются в виде квадратов со стороной 15 мм последовательным нанесением параллельных дорожек. Дорожки последующего слоя наносились перпендикулярно дорожкам предыдущего. Расстояние между дорожками наплавки выбрано с учетом 25 % перекрытия.

В результате проведенного регрессионного анализа результатов эксперимента получена формула зависимости пористости наплавленного слоя от технологических параметров процесса лазерной наплавки У = 0.24 - 0.00675Х1 - 0.00875Х2 + 0.0075Х3 + 0.039Х1 Х2 -

- 0.139Х1Х3 - 0.107X2Х3 - 0.024Х1Х2Х3,

где У - значение пористости (0 - абсолютно беспористый материал, 100 - отсутствие материала).

На рисунке представлены графики зависимости пористости от наиболее значимых параметров.

а б

Графики изменения пористости от мощности (а) и скорости сканирования (б)

Выводы

1. Показана зависимость высоты наплавленного слоя и пористости для непрерывной лазерной наплавки в виде регрессионной модели в зависимости от 3 основных факторов: мощности лазерного излучения, скорости сканирования и скорости подачи порошка.

2. Наибольшее влияние на наличие пор оказывает скорость сканирования. При увеличении скорости сканирования от 20 до 30 м/мин пористость уменьшается от 14 до 3 %.

3. При определении пористости комбинации факторов в регресионной модели могут оказывать большее влияние, чем каждый фактор в отдельности.

4. Имеются предпослыки для управления пористостью и создания пористых структур.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (базовая часть) №2014/152, НИР № 1460.

Список литературы

1. Долговечный А.В., Демидова Л.А., Морозов Е.А. Технологии наплавки легированной стали на основу из углеродистой стали // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т.14 № 1(2). С. 550-553.

2. Хаскин В.Ю. Расчетно-экспериментальный метод определения параметров процесса лазерной наплавки // Наука и инновации. 2012. №6. С. 5 - 16.

3. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

4. Хартман К., Лецкий Э.К., Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. 548 с.

Морозов Евгений Александрович, ст. преподаватель, morozov.laser@,gmail.com, Россия, Пермь, ПНИПУ

STUDY OF THE MICROSTRUCTURE OF ALLOY STEEL COATING OBTAINED BY

LASER CLADDING

E.A. Morozov

The influence of technological parameters of laser cladding on the porosity of the resulting material was study. Was obtained empirical dependence of porosity on the laser power, scanning speed andflow of the powder material by full factorial experiment.

Key words: laser welding, porosity, regression analysis.

Morozov Evgenii Aleksandrovich, senior lecturer, morozov.laser@,gmail. com, Russia, Perm, PNRPU

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.