201109_PSpaw.pdf 22 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Tomasz Baraniecki Edward Chlebus Marian Dziatkiewicz Jakub Kędzia Jacek Reiner Marcin Wiercioch system laserowego mikronapawania proszków metali system for laser microcladding of metal powders Dr inż. Tomasz Baraniecki, prof. dr hab. inż. Edward Chlebus, mgr inż. Marian Dziatkiewicz, mgr inż. Jakub Kędzia, dr inż. Jacek Reiner, mgr inż. Marcin Wiercioch – Politechnika Wrocławska. Streszczenie W artykule przedstawiono technologię laserowego napawania proszków metali oraz opracowaną dla niej obrabiarkę do laserowego mikronapawania proszków. Zaprojektowane i wykonane stanowisko bazuje na trzy- osiowej obrabiarce CNC, którą wyposażono w odpo- wiednie układy bezpieczeństwa laserowego i pyłowe- go. Jako źródło energii laserowej wykorzystano laser dyskowy sprzężony światłowodem z optyką obróbkową. Szczotkowy podajnik proszków wraz z dyszą kształtują- cą strumień proszku zapewnia jego podawanie współ- osiowo z wiązką lasera. Układ został zintegrowany z kartą PC-motion, która pełni rolę sterownika CNC. Przedstawiono również uzyskane wyniki napawania laserowego, charakteryzując je w kryteriach: szerokości i wysokości ściegu, głębokości wtopienia, kąta zwilżania oraz parametrów mikrostrukturalnych. Jako parametry niezależne przyjęto gęstość mocy wiązki lasera, pręd- kość i gęstość podawania proszku oraz względny posuw głowica-przedmiot. Abstract The paper presents the technology of laser cladding of metallic powders with a machine for laser microclad- ding, developed in-house. The designed and construc- ted set-up is based on a three-axis CNC machine, equ- ipped with appropriate laser safety and a dust extraction system. A disk laser is used as a source of energy, con- nected with processing optics by a fibre cable. A rotating brush powder feeder transfers the powder to a cladding nozzle, which provides the powder coaxially with the laser beam. The integration of system components is based on a PC-motion card that acts as a CNC controller. Additionally, first results of experiments carried-out on the machine are presented, with characterisation in terms of the cladding height, width and depth, the wetting angle and microstructural features. As independent processing variables the laser power density, the powder feeding rate and the processing speed were used. Wstęp Napawanie laserowe jest alternatywną technologią w stosunku do tradycyjnych metod napawania łuko- wego czy plazmowego. Wykorzystuje się w nim wiąz- kę laserową jako źródło energii do przetopienia pod- łoża oraz proszku. Materiał, z którego powstaje po- włoka, może być dostarczany na podłoże dwoma me- todami [1]. Pierwsza z nich to odmiana dwuetapowa, polegająca na nałożeniu napawanego materiału (w po- staci pasty, złoża proszku lub inną techniką pokrywa- nia) na podłoże przed procesem przetopienia, a na- stępnie stopienia jej wiązką laserową. Drugi sposób to podawanie w czasie procesu materiału w obszar prze- topu przez wdmuchiwanie proszku, lub w postaci litego pręta albo ziaren proszku w rurce. Dostarczanie ma- teriału napawanego przez współosiowe wdmuchiwanie proszku, transportowanego przez gaz nośny w obszar interakcji z laserem, okazuje się najbardziej elastycz- ną, odporną na zakłócenia i wydajną metodą stosowa- ną w procesach laserowego napawania [2] (rys. 1). Energia doprowadzana w postaci wiązki laserowej stosowana jest do stopienia cienkiej warstwy metalicz- nego podłoża oraz części cząstek znajdujących się 23Przegląd sPawalnictwa 9/2011 w strumieniu gazu nośnego. Pozostałe cząstki przeta- piane są po dotarciu do utworzonego jeziorka ciekłe- go metalu na powierzchni podłoża. Wprowadzenie ru- chu między napawaną powierzchnią oraz dyszą do na- pawania umożliwia pokrywanie podłoża pojedynczy- mi ściegami, które wykonywane kolejno w określonym odstępie tworzą na podłożu jednorodną napawaną po- włokę. W procesach napawania laserowego istotne jest zapewnienie właściwej gęstości mocy wiązki la- serowej (104÷105 W/cm2) oraz czasu jej interakcji (0,01÷1 s) z materiałem napawanym i materiałem podłoża [4]. Istotna jest również jakość wiązki lase- rowej, a szczególnie możliwość uzyskania odpowied- nich średnic plamki lasera i równomiernego rozkładu gęstości energii – np. top-hat. Pozwala to na zloka- lizowaną obróbkę, gwarantującą wąską strefę wpły- wu ciepła, znikome odkształcenie przedmiotu obra- bianego oraz niewielki wtop w podłoże, definiowany jako stosunek głębokości wtopienia do całkowitej wy- sokości napoiny (5÷10%). Relatywnie małe wymiary tworzonego na podłożu jeziorka sprawiają, że w pro- cesie występują bardzo wysokie prędkości chłodze- nia (>1000 K/s), zapewniające powstanie w napawa- nych powłokach struktur o bardzo dobrych właściwo- ściach mechanicznych [5]. Obecnie technologia na- pawania laserowego oferuje możliwość tworzenia po- włok w zakresie 0,05÷2 mm [6]. Od kilkunastu lat widać silny wzrost zastosowa- nia mikrokomponentów w wielu dziedzinach takich jak medycyna, telekomunikacja, przemysł samocho- dowy, lotniczy, itp. Miniaturyzacja produktów wyma- ga coraz dokładniejszych i zlokalizowanych techno- logii obróbki. Doskonałe możliwości w tym zakre- sie oferuje technologia laserów ultrakrótkich impul- sów ns, ps, fs. Przy odpowiednio wysokiej energii i krótkich czasach ekspozycji dochodzi tylko do od- parowywania materiału, a jego topienie jest znikome. Przykładami dobrze opracowanych i szeroko stoso- wanych w przemyśle technologii wykorzystujących laser mogą być mikrocięcie, mikrowiercenie oraz mi- krospawanie [7, 8]. Rys. 1. Napawanie laserowe z współosiowym podawaniem proszku [3] Fig. 1. Laser cladding with coaxial powder supply [3] Obecnie naukowcy pracują nad zastosowaniem napawania laserowego w mikroinżynierii, gdzie wy- miary geometryczne wytwarzanych elementów nie przekraczają 100 μm. Przykładowym obszarem za- stosowania mikronapawania są próby tworzenia an- tykorozyjnych powłok ze stopów Al-Si (siluminy) na powszechnie stosowanych w przemyśle samocho- dowym komponentach z bardzo lekkich stopów ma- gnezowych [9]. Problemem jest wtedy nałożenie ma- teriału o wyższej temperaturze topnienia na materiał o niższej temperaturze topnienia i parowania. Dobór odpowiednich parametrów procesu ma zapewnić mi- nimalny wtop napawanej warstwy w podłoże oraz za- pobiec występowaniu mikropęknięć mogących pro- wadzić do uszkodzenia warstwy wierzchniej podczas użytkowania. Przykładem z medycyny są próby im- plementacji technologii do znakowania metaliczny- mi markerami stentów wykonanych ze stopów z pa- mięcią kształtu (Nitinol) [10]. Napawane tantalowe, niobowe lub platynowe markery służą do identyfika- cji stentu w naczyniach krwionośnych, stanowiąc ele- menty o wysokim kontraście w stosunku do tkanek ludzkich podczas prześwietlania ciała promieniowa- niem rentgenowskim. Prowadzone są również bada- nia nad mikronapawaniem laserowym elektrycznych kontaktów wykonanych ze złota w metanolowych ogniwach paliwowych DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) [11]. Wzrastająca oporność w miejscach kon- taktu pomiędzy stosami w ogniwach prowadzi do wy- dzielania ciepła i strat mocy wyjściowej. Napawane złote mikrokontakty o wymiarach rzędu 70 μm i wy- sokości 30 μm wyraźnie obniżają straty spowodowa- ne opornością styków oraz charakteryzują się bardzo dobrym wiązaniem z podłożem, co dodatkowo wydłu- ża trwałość ogniw. Stanowisko do laserowego mikronapawania proszków Złożoność procesu napawania wymaga integracji wielu odrębnych rozwiązań z zakresu mechaniki, elek- troniki i sterowania, optyki i laserów, materiałoznaw- stwa oraz technologii wytwarzania w jeden funkcjonal- ny system. Końcowa realizacja zależy oczywiście od postawionych wymagań, które są zawsze kompromi- sem kosztowym. Dla opracowywanego stanowiska postawiono wy- maganie laserowego napawania ścieżek o szeroko- ściach poniżej 300 µm. Przestrzeń robocza została ograniczona do 150x200x100 mm3, a dokładność po- zycjonowania powinna wynosić 0,01 mm. Projekto- wane urządzenie miało być platformą badawczą, stąd oczekiwanie elastyczności i otwartości w zakresie ste- rowania i integracji różnych źródeł promieniowania la- serowego, podajników proszków i aparatury monitoru- jącej. 24 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Układ kinematyczny i sterowanie Jako bazę nowego urządzenia wykorzystano obra- biarkę CNC Premium 4820. Jest to trzyosiowa frezarka wyposażona w granitowy stół poprawiający stabilność temperaturową i odporność na drgania. Ze względów bezpieczeństwa obudowa obrabiarki wymagała zmian. W celu możliwości bezpośredniej obserwacji proce- su obróbki laserowej zastosowano okienko z filtrem ochronnym. Dodatkowo zainstalowano wyciąg eliminu- jący cząstki nieprzetopionego proszku oraz inne produk- ty obróbki termicznej. System sterowania został wypo- sażony w dodatkowe elementy bezpieczeństwa, np. in- terlock zapobiegające nieodpowiedniemu użyciu urzą- dzenia. Rys. 2. Stanowisko do mikronapawania laserowego Fig. 2. Laser micro-cladding set-up Ruch w poszczególnych osiach jest realizowany za pomocą silników liniowych, których parametry dy- namiczne znacznie przewyższają wymagania procesu napawania, a spełnienie wymagań dokładności nie sta- nowi problemu. Sterowanie obrabiarką realizowane jest za pośred- nictwem karty APCI8001. Sygnały sterujące z karty motion przekazywane są do sterownika LOGOSOL, który za pomocą serwowzmacniaczy kontroluje para- metry ruchu oraz odpowiada za funkcje bezpieczeń- stwa. Realizacja działań na karcie motion realizowana jest współbieżnie przez cztery procesy, które działają niezależnie od obciążenia systemu operacyjnego kom- putera PC. Za ich pomocą zdefiniowano funkcje syn- chroniczne i asynchroniczne ruchu oraz współpracy z urządzeniami peryferyjnymi. Do wizualizacji stanu maszyny i jej urządzeń peryferyjnych oraz parametry- zacji opracowano interfejs GUI. Laser i optyka W pierwszym etapie rozwoju urządzenia jako źró- dło promieniowania laserowego wybrano laser dys- kowy TruDisk 4002 (Trumpf). Laser generuje wiązkę o długości fali 1030 nm, o dobrym rozkładzie energii i jakości wiązki BPP 8 mm∙mrad. Promieniowanie jest dostarczane do głowicy obróbkowej światłowodem o średnicy rdzenia 200 μm. Głowica laserowa wypo- sażona jest w soczewkę skupiającą o ogniskowej f = 200 mm i kolimacyjną f = 200 mm, zamontowa- ną na zmotoryzowanym układzie przesuwnym w osi Z w zakresie +10mm/-15mm. Dzięki integracji układu napędowego ze sterownikiem możliwa jest zmiana po- łożenia ogniska wiązki laserowej, bez zmiany odległo- ści głowicy od obrabianego przedmiotu. W celu weryfi- kacji parametrów układu optycznego i źródła laserowe- go dokonano pomiarów kaustyki wiązki za pomocą Fo- cus Monitora (Primes) (rys. 3). Pomiar umożliwił precyzyjne zlokalizowanie ogni- ska, potwierdzenie parametrów źródła laserowego (BPP = 7,07 mm∙mrad) i zastosowanej optyki (Ray- length = 1,5 mm) wraz z oceną jej błędów. Jak potwier- dził pomiar, średnica wiązki w ognisku wynosi 200 µm. W celu lepszego skupienia wiązki laserowej konieczne byłoby zastosowanie soczewki skupiającej o krótszej ogniskowej lub poszerzenie średnicy wiązki za pomocą soczewki kolimacyjnej o dłuższej ogniskowej. Układ podawania proszków Kolejnym kluczowym składnikiem urządzenia do napawania jest układ podawania proszków. Składa się on z podajnika i dyszy podającej proszek (ang. noz- zle). Wybrano współosiowy układ podawania, dobiera- jąc głowice o jak najmniejszej średnicy skupiania wiąz- ki proszku. Jak potwierdziły badania, osiągane sku- pienie zależy głównie od konstrukcji głowicy, parame- trów podawania proszku i gazu nośnego, jak również od właściwości użytego proszku (sferyczność i frakcja średnicy ziaren). Na rysunku 4 przedstawiono przy- kładowy wynik porównawczy skupiania dwóch głowic, dla głowicy standardowej (A) średnica skupiania wyno- si ok. 3 mm, a dla precyzyjnej (B) ok. 1 mm. Pomiarów dokonano w przewężeniu strumienia proszku. W celu ochrony soczewki skupiającej zadawany jest dodatkowy strumień gazu osłonowego. Jego parame- try również wpływają na ogniskowanie wiązki proszku. Rys. 3. Wyniki pomiaru kaustyki wiązki laserowej (ADC – liczba zli- czeń przetwornika) Fig. 3. The results of the measurement laser beam caustic (ADC – the converter counts) 25Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Do dostarczania proszku wybrano podajnik szczot- kowy. Umożliwia on transport proszków metali o gra- nulacjach mniejszych niż 30 μm. Proszki o tak małej granulacji mają tendencję do aglomeracji i w przypad- ku użycia standardowych metod grawitacyjnych często dochodzi od zasklepiania otworów podających, co sta- je się przyczyną nierównomiernego podawania. Użyty podajnik umożliwia dozowanie proszku w za- kresie od 11 μm do 120 mg/s. Dzięki integracji ze ste- rownikiem parametry podawania proszku są zadawane w programie CNC. Monitorowanie procesu W celach badawczych wprowadzono układ moni- torowania jeziorka spawalniczego. Monitorowanie ta- kie odbywa się poprzez współosiową obserwację ob- szaru przetapianego. Głowica optyczna jest wtedy roz- szerzana o lustro dichroiczne przekierowujące promie- niowanie emitowane z obszaru obróbki do detektora. Jako detektor wykorzystywany jest pirometr dwukolo- rowy umożliwiający pomiary temperatury w zakresie 550÷1400°C (maks. 2000°C), lub kamera HDRC o roz- szerzonej dynamice. Za pomocą kamery obserwowany jest obszar wokół miejsca obróbki, co ułatwia konfigu- Rys. 4. Porównanie zdolności ogniskowania proszku w dyszy: A – standardowej, B – precyzyjnej Fig. 4. Comparison of the powder focusing nozzle capability: A – standard, B – precision rację stanowiska oraz przebieg procesu. Zastosowanie filtra pasmowo – przepustowego dostarcza informacja o rozkładzie temperatury na powierzchni obróbki. Po- zwala to optymalizować proces napawania przez ste- rowanie mocą lasera on-line wg kryterium oddziaływa- nia termicznego. Próby technologiczne i badania W celu wstępnej weryfikacji technologicznej stano- wiska badawczego wykonano zestaw podstawowych napoin oraz wykonano ich makrostrukturalne badania. Jako podłoże zastosowano płytę wykonaną ze stali S235 o grubości 10 mm, a do napawania użyto prosz- ku ze stali AISI 316L, podzielonego na dwie frakcje: 20÷40 µm oraz 40÷63 µm. Pierwsza seria pojedynczych napoin była parame- tryzowana mocą lasera, ilością podawanego proszku oraz prędkością posuwu. Wyniki przedstawiono na ry- sunku 7. W czasie badań moc lasera dla pojedynczych ście- gów zmieniano w przedziale 80÷140 W. Proszek po- dawany był z trzema prędkościami: 38 mg/s, 66 mg/s oraz 95 mg/s, a prędkość posuwu ustalano w prze- dziale między 10÷25 mm/s. Jako gaz transportowy oraz ochronny stosowano argon. Ścieg, którego przekrój pokazano na rysunku 8, ce- chuje się poprawną geometrią i proporcjami dla na- poin [9]. Otrzymany został przy gęstości mocy po- niżej 300 kW/cm2, co przy zastosowanej plamce Rys. 5. Wynik monitorowania temperatury jeziorka spawalniczego za pomocą pirometru i współosiowy obraz obszaru obróbki w trak- cie procesu. Fig. 5. Weld pool temperature monitoring by pyrometer and coaxial- ly view of cladding area in the process Rys. 6. Obraz SEM cząstek proszku AISI 316L, frakcja 20÷40 µm Fig. 6. SEM view of AISI 316L powder, 20÷40 µm fraction Rys. 7. Seria pojedynczych napoin dla różnych parametrów oraz ich topografia Fig. 7. Spot cladding series with different parameters and surface topography in selected area Rys. 8. Przekrój poprzeczny na- poiny oraz jej charakterystyczne wymiary Fig. 8. Cladding cross-section with specific dimensions of it 26 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 odpowiada mocy lasera 100 W. Prędkość posuwu wynosiła 15 mm/s, a prędkości podawania proszku 66 mg/s. Zauważono, że już niewielka zmiana jednego z parametrów powodowała brak prawidłowego przeto- pienia oraz zwilżenia materiału. Wybrane wyniki wpływu mocy lasera na wysokość i szerokość ściegów, dla różnych prędkości posuwu oraz różnej ilości podawanego proszku, przedstawio- no na rysunku 9. Szczególnie przy małej prędkości i ilości podawa- nego proszku, dla większych średnic ziaren obserwo- wano duży rozrzut wysokości napoiny. Rys. 9. Zależność wysokości (a) i szerokości (b) napoiny od mocy la- sera dla stałej prędkości posuwu. Fig. 9. Cladding high (a) and width (b) in the function of laser power and constant cladding speed Rys. 10. Przykłady wadliwych napoin: a) zbyt głęboki wtop, b i c) brak całkowitego przetopu Fig. 10. Cladding with defects examples: a) to deep penetration, b, c) poor penetration Wnioski Uzyskane wyniki pozytywnie weryfikują opraco- waną technologię oraz system do laserowego mikro- napawania proszków. Dzięki otwartości stanowiska, stanowi ono dobrą podstawę do badania, rozwoju i optymalizacji takich zastosowań. Optymalny dobór parametrów technologicznych dla każdego z przypadków wymaga eksperymen- tów. Obok parametrów głównych procesu, takich jak: Literatura [1] Ehsan Toyserkan, Amir Khajepour, Stephen Corbin, LASER Cladding, 2005 by CRC Press LLC. [2] F. Lusquiños, R. Comesaña, A. Riveiro, F. Quintero, J. Pou, Fibre Laser Micro-Cladding Of Co-Based Alloys On Stainless Steel, Surface & Coatings Technology 203 (2009) s. 1933- 1940. [3] L. Dubourg, J. Archambeault, Technological And Scientific Landscape Of Laser Cladding Process In 2007, Surface & Co- atings Technology 202 (2008) 5863–586. [4] Wayne Penn, Laser cladding basics, Welding Journal – Febru- ary 2008, Copyright 2008 American Welding Society. [5] Vilar R., Laser Cladding, The International Journal Of Powder Metallurgy, vol. 37, No. 2, March 2001. [6] Reinhart Poprawe, Tailored Light 2 – Laser Application Techno- logy. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011. Na rysunku 10 przedstawiono przykładowe wady występujące wskutek utraty balansu między dostarcza- ną energią, ilością proszku i posuwem. Wada pokazana na rysunku 10a, zbyt głęboki wtop, spowodowana jest zbyt dużą mocą lasera i prędkością posuwu w stosunku do ilości podawanego proszku. Gdy ilość podawanego proszku jest zbyt duża w sto- sunku do prędkości posuwu, dochodzi do efektu po- kazanego na rysunku 10b. Wyolbrzymiony efekt bra- ku przetopu podłoża pokazano na rysunku 10c, co było skutkiem zbyt wysokiej lokalizacji ogniska skupiania proszku i wiązki laserowej nad powierzchnią. Należy zaznaczyć, że zwiększanie dostarczanej energii wiąz- ki lasera przy przekroczeniu parametrów podawania proszku w stosunku do prędkości posuwu nie prowadzi do dobrej jakości napoiny. gęstość energii dostarczanej za pomocą wiązki la- serowej, prędkość podawania proszku oraz posuw względny głowica–obiekt, na przebieg procesu wpły- wają też inne czynniki. Jak pokazały badania, kry- tyczne jest precyzyjne ogniskowanie wiązki proszku i wiązki lasera, jakość powierzchni bazowej, ciśnie- nie i rodzaj gazu osłonowego, wytwarzana geometria, parametry proszku, itp. [7] Koji Sugioka, Michel Meunier, Alberto Pique, Laser Precision Microfabrication, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010. [8] Tomasz Baraniecki, Maksymilain Sidorowicz, Jacek Reiner, Sys- tem for PS-Laser Micromachining, Proceedings on International Conference Production Engineering 2011, Wroclaw July 2011. [9] Bernabe Carcel, Jesus Sampedroa, Ana Ruescas, Xavier To- neub, Corrosion And Wear Resistance Improvement Of Ma- gnesium Alloys By Laser Cladding With AL-SI, Physics Proce- dia 12 (2011) 353-363. [10] Fraunhofer ILT Annual Report 2007, Fraunhofer Institute for La- ser Technology ILT, Micro-Laser Dispersing Of X-Ray Visible Markers On Stents. [11] Fraunhofer ILT Annual Report 2007, Fraunhofer Institute for La- ser Technology ILT, Manufacturing Contact Points On Bipolar Plates For Direct Methanol Fuel Cells. a) b) a) b) c)