00 referaty PS 10 2017 WWW 61PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Laserowe wytwarzanie napoin  twardych, trudnościeralnych i antykorozyjnych Laser creation of padding welds hard, abrasion- and corrosion resistant Dr inż. Artur Wypych – Politechnika Poznańska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: artur.wypych@put.poznan.pl Streszczenie W pracy przedstawiono możliwość wytwarzania napoin laserowych na stali typu Hardox z zastosowaniem mate- riałów dodatkowych w postaci proszków o właściwościach antykorozyjnych, twardych i trudnościeralnych. Napoiny poddano testom mechanicznym i korozyjnym, na podsta- wie których wytypowano warstwy wierzchnie o najlepszych właściwościach w przewidywanych naturalnych warunkach eksploatacyjnych. W czasie testów wzięto pod uwagę mor- fologię i skład chemiczny proszków, zastosowane parame- try procesowe, geometrię napoin, mikrostrukturę napoin, środowisko pracy, skład fazowy napoin, rozkład pierwiast- ków w napoinie i SWC, mikrotwardość napoin, odporność na ścieranie, erozję oraz odporność na korozję. Słowa  kluczowe: laser; napawanie; dodatkowe materiały proszkowe Abstract The work shows the ability to create laser padding welds of steel as Hardox type with the use of additional materi- als in the form of powders on the properties of hard, abra- sion- and corrosion resistant. The padding welds were sub- jected to mechanical and corrosion tests, based on which the top layers with the best properties in the predicted natu- ral operating conditions were selected. At the time of testing have been taken into account the morphology and chemical composition of powders, applied process parameters, ge- ometry of padding welds, the microstructure, operating envi- ronment, the phase composition of padding welds, the dis- tribution of elements in the padding weld and the HAZ, micro- hardness, resistance to erosion and corrosion resistance. Keywords: laser; pad welding; filler powders Przebieg eksperymentu i wyniki badań Zapewnienie dobrej jakości napoin poprzedzono pró- bami doboru parametrów procesowych zapewniających oczekiwany rezultat w postaci napoin o relatywnie znacz- nej wysokości nadlewu i małej głębokości wtopienia i przez to małej zawartości składników podłoża w napo- inach (rys. 2, 3 i 10, tabl. V, VI i XIII). Podobne pomiary przeprowadzono w pracach [2÷4]. Właściwości napoin Artur Wypych przeglad Welding Technology Review Tablica I. Skład chemiczny stali Hardox 500 [1] Table I. Chemical composition of the Hardox 500 steel [1] stal pierwiastek, % wag. CEV C Si Mn P S Cr Ni Mo B Hardox 500 0,290 0,700 1,600 0,025 0,010 1,000 0,500 0,0300 0,004 0,62 określono w teście przeprowadzonym w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych (rys. 4, tabl. VII), gdzie po- dobne pomiary jakości gleby wykonali autorzy prac [5,6]. We wszystkich wariantach parametrów procesowych oczekiwano powstałej SWC o małym zasięgu, która nie stanowi zagrożenia w warunkach obciążenia eksploata- cyjnego napoin. DOI:.http://dx .doi .org/10 .26628/ps .v89i10 .820 62 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Rys. 1. Widok drobin proszku; topografia drobin (SE) i niejednorodność składu chemicznego w obrębie pojedynczych drobin (BSE), kolejność próbek od lewej 1,2,3,4 Fig. 1. View the powder particles; the topography of particles (SE) and heterogeneity of the chemical composition within individual particles (BSE), the order of samples from left 1,2,3,4 Tablica II. Wybrane właściwości stali Hardox 500 [1] Table II. Selected properties of the Hardox 500 steel [1] Tablica IV. Zakres wielkości większościowej ilości drobin proszków Table IV. Size range of majority amount of powder particles Tablica III. Wynik mikroanalizy chemicznej materiałów powłokowych w postaci proszków Table III. Result of chemical microanalysis of coating materials in the form of powders Tablica V. Podstawowe parametry procesowe zastosowane w eksperymencie Table V. The basic process variations used in the experiment stal parametr Hardox 500 HB Rp0,2,  MPa Rm, Mpa A5, % KV-40, J 505 1300 1550 8 30 pierwiastek 1 2 3 4 %wag. atest %wag. atest %wag. atest %wag. atest Ni 70,53 reszta 72,63 reszta – – – – Mo – – – – 13,68 9,1 13,39 9,00 Mn – – – – 0,91 0,38 0,90 0,36 Cr 19,41 17,00 17,84 17,00 20,65 21,80 20,53 21,50 Fe 4,02 4,00 3,84 4,00 – – – – Si 6,04 4,00 5,69 4,00 0,51 0,39 0,44 0,40 O – – – – 3,88 0,07 – – W 17,89 – 21,32 – 16,23 – 23,12 – B 1,19 3,00 1,52 1,60 1,65 1,5 1,45 2 Nb – – – – 5,53 3,52 5,87 3,62 nr proszku zakres wielkości drobin, µm 1 70÷130 2 50÷100 3 60÷90 4 50÷100 nr próbki materiał rodzimy palmka V, mm/s P, kW Q,   J/mm2/ mm gaz, Ar 99,99%, l/min mat.  dodat. bok a bok b transp. osł. g/min 1 S235JR/ Hardox 500 24 3 8 10 17,36 10 22 156 2 S235JR/ Hardox 500 24 6 5 10 13,89 10 22 156 3 S235JR/ Hardox 500 24 6 5 8 11,11 10 22 156 4 S235JR/ Hardox 500 24 3 6 10 23,15 10 22 156 63PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Rys. 2. Schemat opisujący geometrię napoin Fig. 2. Diagram describing the geometry of padding welds Rys.  3.  Widok próbnych detali z wytworzoną napoiną laserową na stanowisku spawalniczym Fig. 3. On welding stand specimen view with created laser padding weld Rys. 4. Widok składników złoża zawierającej część sypką w 77% wag., drobne kruszywo 15% wag., grube kruszywo w 8% wag. Fig. 4. View of the components of the deposits containing part of the loose in 77%, fine aggregate in 15%, coarse aggregate in 8% Tablica VI. Wartość parametrów opisujących geometrię napoin Table VI. Parameters value that describe the geometry of padding welds Tablica VII. Wynik wielkości zużycia detali poprzez określenie ich długości po teście w jednakowych warunkach obciążenia Table VII. The result of the consumption of parts by specifying their length after the test in the same load conditions Tablica VIII. Wyniki pomiaru porowatości powłok i napoin Table  VIII. The results of porosity measurement of coatings and padding welds Tablica IX. Wyniki pomiaru grubości napoin i zasięgu SWC Table IX. The results of thickness measurement of padding welds and HAZ range parametr wysokość  nadlewu N,  mm szerokość lica  S, mm  głębokość  wtopienia W,  mm  wartość 0,5÷8 22 0,1÷1 stan detali długość, mm w stanie dostawy 330 po teście z napoiną laserową z wykorzystaniem materiału 1 297 dłuta po teście zabezpieczonego napoiną laserową z wykorzystaniem materiału 2 278 dłuta po teście bez napoiny zabezpieczającej 225 nr próbki porowatość, % 1 pojedyncze pory, brak mikroporowatości 2 pojedyncze pory, brak mikroporowatości 3 pojedyncze pory, brak mikroporowatości 4 pojedyncze pory, brak mikroporowatości nr próbki grubość, µm zasięg SWC, µm 1 1200 1300 2 1500 1300 3 800 900 4 650 1250 64 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Rys. 5. Widok mikrostruktury wytworzonej warstwy i materiału rodzimego na powierzchni przekroju poprzecznego, głębokość największych porów wynosi 125 µm – od lewej próbka 2 i 3 Fig. 5. View of the microstructure produced layer and base material on the surface of the cross section, the depth of the largest pore is 125 μm – from the left sample 2 and 3 Rys. 6. Dyfrakcyjne widmo rentgenowskie pochodzące od Cr3Si oraz CrMn Fig. 6. Diffractive x-ray spectrum from Cr3Si and the CrMn Rys. 7. Dyfrakcyjne widmo rentgenowskie pochodzące od Cr23C6 oraz WC Fig. 7. Diffractive x-ray spectrum from Cr23C6 and the WC CountsCounts CountsCounts Position [°2Theta] (Copper (Cu)) Position [°2Theta] (Copper (Cu)) Position [°2Theta] (Copper (Cu))Position [°2Theta] (Copper (Cu)) 65PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Rys. 8. Widok powierzchni przed testem erozyjnym – z lewej i poddanej testowi – z prawej, próbka 3 Fig. 8. View of the surface before the erosion test – left and put to the test – right, sample 3 Rys. 9. Wynik badania potencjostatycznego napoin – napoina 4 Fig. 9. The result of the padding welds potentiostatic test – padding weld 4 Rys. 10. Widok przekroju poprzecznego przykładowej napoiny z za- znaczonymi punktami pomiaru zawartości pierwiastków w napoinie i materiale rodzimym Fig.  10. Cross section view of padding welds with the selected measurement points of the elements content in padding welds and base material Tablica X. Wyniki pomiaru twardości w wytworzonych warstwach wierzchnich Table X. The results of hardness measurement in the manufactured surface layers Tablica XI. Wyniki pomiaru odporności warstw na zużycie ścierne Table XI. The results of resistance measurement on abrasive wear of the layers Tablica XII. Różnica grubości warstw w wyniku próby odporności erozyjnej, t = 60 s, kąt strumienia 45° i 90° Table XII. Difference in layer thickness due to erosion resistance test, t = 60 s, stream angle 45° and 90 ° nr  próbki warstwa wierzchnia twardość HV0,3 1 lico-osnowa: 558, min: 518, max: 593; lico-węglik owalny: 2596, min: 2494, max: 2698; lico-węglik sferoidalny: 2797, min: 2682, max: 2864 2 lico-osnowa: 651, min: 621, max: 683; lico-węglik sferoidalny: 3191, min: 3169, max: 3222; połowa-osnowa: 798, min: 789, max: 821; grań-osnowa: 743, min: 711, max: 767; grań-węglik sferoidalny: 3071, min:3012, max: 3129 3 lico-osnowa: 456, min: 415, max: 486; lico-węglik: 3165, min: 3099, max: 3222 4 lico-osnowa: 651, min: 533, max: 899; lico-węglik: 3075, min: 2797, max: 3253 oznaczenie  próbki m0, g mk, g Δm, g ΔV, mm3 1 805,33 805,26 0,07 8,29 2 768,96 768,92 0,04 4,74 3 771,52 771,37 0,15 17,80 4 846,36 846,14 0,22 26,01 stal 1032,87 1031,39 1,48 173,98 nr próbki 1 2 3 4 stal kąt strumienia ścierniwa, ˚ 45 różnica grubości warstwy, µm 70 60 100 80 370 kąt strumienia ścierniwa, ˚ 90 różnica grubości warstwy, µm 60 100 110 90 340 66 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 10/2017 Literatura [1] SSAB-Oxelӧsund [2] Materiały konferencyjne: High-Power Diode Laser Technology and Appli- cations XII, Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 8965, 2014. [3] H. Zhu, M. Hao, J. Zhang, W. Ji, X. lin, J. Zhang, Y. Ning: Development and thermal management of 10 kW, direct diode laser source, Optics and Laser Technology, Vol. 76, pp. 101-105, 2016. [4] S. Brookshier, J. Washko, K. Parker, F. Gaebler, W Juchmann: The use of novel, direct diode lasers for large area hard-facing and high deposition rate cladding to enhance surface wear and corrosion resistance, Pro- ceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 8239, article number 82390H, 2012. [5] A. Zhao, S. Xu, W. Zeng, F. Qu, X. Ma: Analysis of unstable farmland in arid and semi-arid regions and feasibility evaluation of its conversion, Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, Vol. 32, Issue 17, pp. 215-225, 2016. [6] V. Cherlinka: Models of soil fertility as means of estimating soil quality, Geographia Cassoviensis, Vol. 10, Issue 2, pp. 131-147, 2016. [7] D. Janicki, J. Górka, A. Czupryński, W. Kwaśny, M. Zuk: Diode laser clad- ding of Co-based composite coatings reinforced by spherical WC partic- les, Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engine- ering, Vol. 10159, Article number 101590N, 2016. [8] P. Farahmand, R. Kovacevic: Corrosion and wear behavior of laser cladded Ni-WC coatings, Surface and Coatings Technology, Vol. 276, pp. 121-135, 2015. [9] R. Awasthi, G. Abraham, S. Kumar, (...), D. Srivastava, G.K. Dey: Corrosion Characteristics of Ni-Based Hardfacing Alloy Deposited on Stainless Steel Substrate by Laser Cladding, Metallurgical and Materials Trans- actions A: Physical Metallurgy and Materials Science, Vol. 48, Issue 6, pp. 2915-2926, 2017. [10] T.S. Mintz, D.S. Dunn: Atmospheric chamber testing to evaluate chloride induced stress corrosion cracking of type 304, 304L, and 316L stainless steel, NACE – International Corrosion Conference Series 2009, 20 p, Code 7705, Corrosion 2009. Podsumowanie i wnioski  W napoinach stwierdzono występowanie porów niezagrażających właściwościom ochronnym warstwy w obecności na- prężeń mechanicznych i łagodnego obciążenia korozyjnego. Możliwe jest wyeliminowanie porowatości poprzez zapewnie- nie większej czystości w zakresie doboru i przygotowania podłoża lub doboru i przygotowania proszku przed napawaniem poprzez jego dokładne wymieszanie i osuszenie (rys. 1 i 5, tabl. I – IV i VIII). Napoiny nr 1, 3, 4 charakteryzują się segregacją węglików w objętości warstwy, gdzie znacznie większa koncentracja węglików przy linii wtopienia wpłynie na przyspieszone zużycie warstwy ochronnej w pierwszym etapie eksploatacji, a dopiero w późniejszym etapie uzyskana zostanie właściwa zdolność ochronna warstwy (rys. 5). W przypadku napoiny 4 powstała SWC ma zasięg dwukrotnie większy niż grubość napoin. Podobna sytuacja, lecz o mniejszych wzajemnych proporcjach występuje w przypadku napoin 1, 3 (tabl. IX). Skład fazowy napoin wynika bezpośrednio z rodzaju i zawartości poszczególnych pierwiastków, gdzie powstałe fazy są adekwat- ne do zastosowanych stopów. Jednocześnie nie stwierdzono pików dyfrakcyjnych, które wskazywałyby na tworzenie się niekorzystnych faz czy związków (rys. 6 i 7). Twardość w skali Vickers’a wykazuje znaczne zróżnicowanie w warstwach w osnowie i w obszarze występowania węglików (tabl. X). Największą odporność na obciążenia pod kątem 45 ° wykazu- je próbka 1b oraz pod kątem 90° – próbka 1 (rys. 8, tabl. XII). W teście erozyjnym w żadnym przypadku nie stwierdzono degradacji napoin w postaci ich odpadania od podłoża na skutek niewystarczającej przyczepności, zwłaszcza w agresywnej konfiguracji pod kątem 45° do podłoża. Podobne badania jakości warstw wierzchnich opisano w pracach 7 i 8. Wszystkie warstwy wykazują dobrą jakość zgodnie z testem wg normy VDI (rys. 11). W próbie korozyjnej we mgle solnej wystąpiły ślady korozji w przypadkowych miejscach poza liniami wtopienia wzdłuż pokrywania się napoin układanych obok siebie (rys. 11). Wyniki podobnych badań korozyjnych zamieszczono w pracy [10]. Stopień pokrywania napoin w proc. szerokości ściegu może być niewielki z jednoczesnym zapewnieniem skutecznej ochrony rdzenia przed obciążeniem ściernym i korozyj- nym (tabl. XI). Wszystkie napoiny wykazały dobrą odporność na warunki eksploatacyjne. Napoiny wykazują dobrą odporność na środowisko korozyjne w warunkach mgły solnej zarówno na powierzchniach, jak i strefie łączenia napoin wielościego- wych – wzdłuż linii wtopienia. Wytworzone wierzchnie warstwy ochronne charakteryzują się dobrą odpornością korozyjną określoną w teście potencjostatycznym (rys. 9), gdzie badania o podobnym profilu opisano w pracy [9]. Najlepsze właściwo- ści ochronne zapewnia napawanie zgodnie z parametrami dla napoiny 2 z zastosowaniem materiału proszkowego o zawar- tości 60% sferoidalnych węglików wolframu (WSC) i 40% osnowy zawierającej nikiel i związki niklu z borem. Tablica XIII. Wynik mikroanalizy chemicznej napoiny i materiału ro- dzimego Table XIII. The result of the chemical microanalysis of padding weld and base material Rys. 11. Widok powierzchni napoiny po obciążeniu testowym zgod- nie z VDI 3198 oraz teście korozyjnym – napoina 2 Fig. 11. View of the surface after loading test in accordance with VDI 3198 and corrosive test –padding weld 2 pier- wia- stek punkt  1 punkt  2 punkt  3 punkt  4 punkt  5 punkt  6 zawartość %wag. Ni 66,08 76,33 33,13 0,00 0,00 0,00 Si 0,10 0,69 0,00 0,13 0,17 0,14 W 25,57 15,11 61,21 0,00 0,00 0,00 Fe 7,05 6,20 5,12 95,69 99,83 99,86 B 1,19 1,68 0,55 4,18 0,00 0,00