Одним из таких методов является лазерная наплавка с использованием проволоки. В данном случае будет рассмотрен именно метод с коаксиальной подачей.
Несмотря на существование методов селективного лазерного плавления и спекания (СЛС, СЛП), которые являются достаточно популярными и распространёнными на сегодняшний день, аддитивное производство (АП) не стоит на месте. Лазерная наплавка проволоки является достаточной молодой технологией в АП, но тем не менее набирает достаточно серьезную популярность. Этому есть несколько причин. Две основные – расход и качество сырьевого материала (под сырьевым материалом в данном случае следует понимать порошки и проволоки).
Рис. 1. Процесс лазерной наплавки
Но лазерная наплавка с коаксиальной подачей проволоки имеет также ряд сложностей, которые будут разобраны в данной статье. К таким сложностям относится загиб проволоки при подаче, перегрев проволоки и полный отрыв от поверхности наплавки, неравномерное распределение материала в детали. Все эти проблемы объединяет температура процесса наплавки. Именно от параметра температуры зависит то, насколько равномерно будет распределяться материал, и насколько проволока будет устойчивой.
Прежде чем переходить к решению данной проблемы, нужно понять ее физические основы.
Физический смысл
В описанном технологическом процессе важнейшую роль играет температура сварочной ванны, в которой и происходит расплавление проволоки и перенос расплава на поверхность подложки. При длительном процессе наплавки может возникать следующий эффект: температура ванны имеет значение выше температуры плавления и может существенно повышаться со временем. Это вызвано несколькими причинами:
- Ухудшение теплопроводности на верхних слоях при выращивании изделия послойно
- Не вся энергия расходуется на плавление – часть её преобразуется в тепло, запасаемое подложкой, что также приводит к перегреву сварочной ванны
Таким образом, чем дольше происходит процесс наплавки при неизменной мощности, тем выше температура сварочной ванны и неустойчивость процесса развивается сильнее.
Рис. 2. Изменение температуры при постоянной мощности
Способ измерения и контроля сварочной ванны
В данной статье будут рассмотрены два метода измерения и контроля сварочной
1. Контактный метод (измерение сопротивления)
2. Бесконтактный метод (использование фотодиода)
Оба этих метода имеют свои преимущества и недостатки, поэтому нельзя однозначно сказать, какой из них является предпочтительным. Рассмотрим подробно каждый из этих методов.
Измерение по сопротивлению тока
Данный метод подробно описан в статье [1] и, безусловно, является наиболее точным для контроля сварочной ванны при коаксиальной лазерной наплавке. Хотя этот метод не измеряет температуру напрямую, данные, получаемые при измерении сопротивления между проволокой и подложкой наиболее точно характеризуют текущее состояние и стабильность сварочной ванны.
В данной схеме к подаваемой проволоке подключается контактный провод, а второй контакт подведён к подложке. Самым сложным этапом в этой установке является проектирование и создание специального измерительного моста, который позвояет измерять сопротивление между проволокой и подложкой с точностью до мОм, вследствие чего стоимость конечного оборудования существенно повышается.
Рис. 4. Результаты измерения сопротивления и влияние на качество наплавки
Измерение по сигналу фотодиода
Такой метод бесконтактного контроля является самым экономичным и, при должной настройке и обработке данных, его точности будет вполне достаточно для поддержания стабильности зоны расплава.
Основным устройством для считывания сигнала из сварочной ванны здесь может выступать фотодиод или пирометр. В данной статье мы рассмотрим только использование фотодиода, как самого экономичного варианта.
В статье [2] был рассмотрен такой метод контроля температуры, правда для случая с порошковой наплавкой. Хотя эти технологии и немного отличаются, перенести данный опыт на наплавку проволокой не составляет больших трудностей.
Суть эксперимента, описанного в статье, заключается в изучении процесса прямого лазерного напыления металлического порошка, который используется для создания 3D-деталей и ремонта дорогих компонентов. Исследователи хотели понять, как температура сварочной ванны влияет на качество выращенных деталей, и для этого измеряли её с помощью фотодиода. Они строили тонкие стенки из нержавеющей стали 316L, используя лазер и станок с ЧПУ, и проверяли, как размер частиц порошка (мелкий или крупный) и шаг подъёма по оси Z (высота, на которую поднимается лазер после каждого слоя) влияют на результат.
Выяснилось, что размер порошка почти не влияет на качество стенок — мелкий и крупный порошок давали похожие результаты, хотя крупный вызывал чуть большее рассеяние температуры. А вот шаг по оси Z оказался очень важным: при 0,15 мм стенки получались точными и стабильными, при меньшем шаге (0,05 мм) порошок плохо улавливался и стенка была тоньше, а при большем (0,25 мм) процесс становился нестабильным, и поверхность окислялась. Температура сначала быстро росла, потом стабилизировалась, но на краях стенок, где станок замедлялся, она повышалась, из-за чего края утолщались и усаживались. Микроструктура деталей была разной в зависимости от скорости охлаждения, а твёрдость получилась выше, чем у исходного материала, из-за быстрого охлаждения. В итоге исследователи поняли, что для улучшения качества деталей нужно лучше контролировать температуру сварочной ванны.
Рис. 5. Изменение температуры сварочной ванны с каждым слоем
Контроль температуры сварочной ванны
В качестве способа поддержания температуры сварочной ванны на одном уровне необходимо использовать метод модуляции мощности источника. Для максимального быстродействия сигнал фотодиода должен обрабатываться как можно быстрее, и изменение мощности источника должно откликаться в соответствии с требованиями физики процесса, то есть важно, чтобы сигнал с фотодиода обрабатывался настолько быстро, насколько это необходимо для актуальности новых параметров мощности.
Главным из таких методов является ПИД – регуляция.
Рис. 6. Схема процесса контроля температуры сварочной ванны
В статье [3] данный способ контроля температуры показал отличные результаты, и позволил совершать практически бездефектную и равномерную наплавку порошка.
Рис. 7. Дефект наплавки без температурного контроля
Рис. 8. Существенное уменьшение дефекта наплавки с температурным контролем
Рис. 9. Диаграмма изменения мощности источника с контролем температуры
Как видно из диаграммы, для поддержания постоянной температуры сварочной
ванны необходимо со временем снижать мощности источника, что подтверждает гипотезу о излишней запасённой в подложке энергии и ухудшении теплопроводности на верхних слоях.
Заключение
Лазерная наплавка с коаксиальной подачей проволоки представляет собой перспективную технологию аддитивного производства, которая позволяет создавать высококачественные детали и ремонтировать дорогостоящие компоненты. Однако её успешное применение требует тщательного контроля температуры сварочной ванны, так как её перегрев или нестабильность могут приводить к дефектам, таким как неравномерное распределение материала, загиб проволоки или её отрыв от поверхности.В статье рассмотрены два метода контроля температуры: контактный (измерение сопротивления) и бесконтактный (с использованием фотодиода). Оба метода показали свою эффективность, но бесконтактный метод с фотодиодом выделяется экономичностью и достаточной точностью при правильной настройке. Применение ПИД-регуляции для модуляции мощности лазера позволяет поддерживать стабильную температуру сварочной ванны, минимизируя дефекты и обеспечивая равномерность наплавки.
Результаты подтверждают, что контроль температуры критически важен для повышения качества деталей, а снижение мощности источника с течением времени компенсирует накопление тепла в подложке и ухудшение теплопроводности на верхних слоях. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию алгоритмов обработки сигнала и адаптацию методов контроля для сложных геометрий.
Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»
Литература
1. Steiner M. F., Lohrer P. H., Schopphoven T., Häfner C. L. Setup for electrical resistance measurement for laser material deposition with coaxial wire feed and use for process control. // Journal of Laser Applications. - 2023, Vol. 35(1). - 012002.
2. Bi G., Gasser A., Wissenbach K., Drenker A., Poprawe R. Investigation on the direct laser metallic powder deposition process via temperature measurement. // Applied Surface Science. - 2006, Vol. 253(3). - pp. 1411-1416.
3. Bi G., Gasser A., Wissenbach K., Drenker A., Poprawe R. Characterization of the process control for the direct laser metallic powder deposition. // Surface and Coatings Technology. - 2006, Vol. 201(6). - pp. 2676-2683.
