Laserové navarovací svařování v praxi

Laserové navařování, mezinárodně označované také jako Laser Cladding nebo Laser Metal Deposition (LMD), je navarovací proces, při kterém soustředěný laserový paprsek lokálně taví povrch součásti. Současně je přídavný materiál – obvykle ve formě prášku, případně jako drát – přiváděn do vznikající svarové lázně a metalurgicky spojován se základním materiálem.

Charakteristickými znaky jsou velmi nízké promísení se základním materiálem, navařování blízké konečnému tvaru a schopnost přesně nastavit tloušťky vrstev od 0,15 mm. Proces je průmyslově využíván v technologii povlakování a oprav a umožňuje také aditivní aplikace (Directed Energy Deposition, DED).

capilla nasazuje laserové navařování pro náročnou ochranu proti opotřebení, povlakování blízké konečnému tvaru a opravy vysoce kvalitních součástí.

Při laserovém navařování je povrch součásti lokálně taven laserovým paprskem. Přídavný materiál je přiváděn do vznikající svarové lázně – práškový pomocí trysek s nosným plynem, nebo drátový pomocí podávacích válečků. U capilla probíhá přívod drátu centricky do taveniny pro maximální spolehlivost procesu.

Optika a tryska se pohybují po definovaných 2D nebo 3D drahách přes součást a vytvářejí reprodukovatelné svarové housenky. Prášek umožňuje nejjemnější rozložení karbidů a velmi tenké vrstvy; drát umožňuje vyšší rychlosti nanášení. Karbidy zůstávají nepoškozeně díky upuštění od přeneseného oblouku a jsou homogenně zabudovány v matrici.

capilla volí práškový nebo drátový proces v závislosti na geometrii součásti, požadované vrstvě a materiálovém systému.

Laserové navařování se průmyslově používá všude tam, kde jsou vyžadovány nejvyšší přesnost, nízké promísení, minimální deformace nebo zachování karbidů. Typické oblasti použití jsou náročná ochrana proti opotřebení nástrojů, vrtáků, šneků a válečků, povlakování funkčních ploch blízké konečnému tvaru a opravy a obnova vysoce kvalitních součástí.

Kromě toho proces umožňuje aditivní aplikace: komplexní geometrie nebo dílčí oblasti lze v krátkém čase aditivně postavit s ekvivalentní funkcí pomocí 3D tisku laserem – například jako náhradní díl při dlouhých dodacích lhůtách nebo pro realizaci geometrií, které by konvenčně nebyly vyrobitelné.

capilla nasazuje laserové navařování individuálně nakonfigurované pro geometrii součásti, zatížení a požadavek na životnost.

Centrálními výhodami laserového navařování oproti PTA a obloukovým procesům jsou velmi nízké promísení (často pod 2 procenta), přesné nanášení blízké konečnému tvaru s tloušťkami vrstev od 0,15 mm a zachování zabudovaných karbidů. Wolframové karbidy nejsou rozpuštěny vysokými teplotami oblouku, ale homogenně zabudovány v matrici – výsledkem je výrazně vyšší a rovnoměrnější ochrana proti opotřebení.

K tomu přistupují minimální deformace díky cílenému tepelnému příkonu, vysoká reprodukovatelnost a schopnost automatizace, jakož i schopnost zpracovávat obtížně svařitelné materiály bez nebo s minimálním předehřívání. Při srovnatelných životnostech vrstva laseru 1 mm často postačuje tam, kde PTA nebo plněný drát vyžaduje 3 až 5 mm.

capilla dodává prášek a přídavné dráty přizpůsobené laserovým procesům, které umožňují plné využití výhod procesu.

Laserové navařování umožňuje tloušťky vrstev přibližně 0,15 až 6 mm. Ve zvláštních případech jsou dosažitelné i tloušťky vrstev až přibližně 20 mm. Šířky vrstev se typicky pohybují od 0,5 do 10 mm v závislosti na velikosti ohniska a geometrii trysky. To znamená, že proces pokrývá výjimečně široké spektrum aplikací – od nejjemnějších funkčních vrstev až po masivnější návary pro ochranu proti opotřebení.

V přímém srovnání velmi tenké laserové vrstvy 0,25 až 0,50 mm již dosahují tvrdosti a vlastností odolnosti proti opotřebení, které konvenční procesy dosahují až po několika průchodech a tloušťce vrstvy 3 až 5 mm. Výsledkem je nižší spotřeba materiálu, méně deformací a celkově efektivnější proces povlakování.

capilla navrhuje tloušťku a šířku vrstvy individuálně pro každé zatížení a geometrii součásti.

Laserové navařování zpracovává výjimečně široké spektrum materiálů: tvrdé slitiny na bázi niklu, kobaltu a železa, korozivzdorné nerezové oceli, slitiny pro ochranu proti opotřebení s wolframovými karbidy, chromovými karbidy nebo jinými tvrdými fázemi a také speciální materiály. I materiály s vysokým obsahem uhlíku, které jsou konvenčními procesy často považovány za obtížně svařitelné, lze v mnoha případech zpracovat bez nebo s minimálním předehřívání.

Zvláště relevantní je zachování zabudovaných karbidů: wolframové karbidy nejsou soustředěným, řízeným tepelným příkonem rozpuštěny, ale homogenně a nepoškozeně zabudovány v matrici. Procesní okno spolehlivě zabraňuje tomu, aby karbidy klesaly kvůli rozdílům hustoty nebo segregovaly.

capilla volí materiálový a karbidový systém specificky podle specifikace základního materiálu, zatížení a požadavku na životnost.

Promísení se základním materiálem při laserovém navařování je typicky pod 2 procenta. To znamená: téměř celé složení slitiny přídavného materiálu je v navarovací vrstvě zachováno. Ztráta tvrdosti a snížení vlastností promísením jsou výrazně nižší než u PTA (typicky 5 až 15 procent promísení) nebo konvenčních obloukových procesů (často 20 procent a více).

Nízké promísení je přímým důsledkem soustředěného a řízeného tepelného příkonu laseru. Definované procesní okno umožňuje, aby základní materiál tál pouze lokálně a do malé hloubky – akorát dost pro skutečné metalurgické spojení.

capilla využívá nízké promísení cíleně k tomu, aby reprodukovatelně dodávala karbidy, speciální slitiny a definované vlastnosti vrstvy.

Laserové navařování je zvláště vhodné pro opravy a obnovu opotřebených nebo poškozených součástí. Díky lokálnímu tepelnému příkonu zůstává zbytek součásti tepelně prakticky neovlivněn – rozhodující výhoda oproti plošnému tepelnému zatížení konvenčními procesy. Deformace a změny mikrostruktury jsou minimalizovány.

Typické opravy jsou obnova řezných hran nástrojů, vyplnění opotřebených funkčních ploch, stavba opotřebených boků šneku nebo cílené utěsnění trhlin na vysoce kvalitních součástech. V naléhavých případech nebo při nedostupnosti náhradních dílů lze pomocí 3D tisku laserem také v krátkém čase vyrobit komplexní geometrie s ekvivalentní funkcí.

capilla podporuje hospodárné opravy vysoce kvalitních součástí prostřednictvím individuálně navrženého laserového navařování.

Ano, laserové navařování umožňuje zvláště přesnou stavbu vrstev blízkou konečnému tvaru. Prostřednictvím 2D a 3D pohybu optiky a trysky vznikají definované svarové dráhy, které lze přesně přizpůsobit požadované geometrii. Funkční vrstvy lze často nanášet již téměř v konečném obrysu, takže nákladné dodatečné opracování jako diamantové broušení odpadá nebo je výrazně omezeno.

V oblasti aditivní výroby je laserové navařování zavedenou variantou Directed Energy Deposition (DED). To umožňuje aditivně stavět komplexní geometrie, funkční oblasti nebo celé součásti – včetně případů, kde konvenční výroba naráží na hranice nebo jsou potřeba náhradní díly v krátkém čase.

capilla nasazuje navařování blízké konečnému tvaru a aditivní aplikace cíleně ke snížení dodatečného opracování a dodacích lhůt.

Laserové navařování je lepší volbou, jakmile je požadováno metalurgické spojení mezi vrstvou a základním materiálem. Žárové stříkání vytváří vrstvy, které přilínají čistě mechanicky – dostatečné pro mnoho aplikací, ale při rázovém zatížení, vibracích nebo trvalém zatížení ne tak únosné jako metalurgicky spojené vrstvy. Laserové vrstvy jsou plně metalurgicky spojeny.

Oproti navařování plněným drátem laser ukazuje své přednosti, když má být minimalizováno promísení a deformace, mají být zachovány karbidy nebo jsou požadovány velmi tenké vrstvy. Laserová navarovací vrstva 1 mm často dosahuje životnosti vrstvy plněného drátu 3 až 5 mm ze stejného slinovacího systému – s výrazně nižší hmotností, spotřebou materiálu a deformací součásti.

capilla volí proces navařování – laser, PTA, MIG/MAG nebo žárové stříkání – podle specifických požadavků na vrstvu, součást a zatížení.