Статья Технология Обзор

Лазерная наплавка с коаксиальной и боковой подачей – главные технологические отличия, преимущества и недостатки

Аддитивные технологии в машиностроении на сегодняшний день являются перспективным направлением, в которое инвестируется достаточное количество средств, чтобы добиться определённых успехов в создании как технологий, так и технологических комплексов такого сегмента.

Одним из объектов такой разработки стал комплекс для коаксиальной лазерной наплавки проволоки. Однако, помимо конструкторской задачи, здесь основной является задача технологическая, ведь технология лазерной наплавки с таким видом подачи проволоки изучена существенно меньше, и методы применения технологии для аддитивного производства до сих пор полноценно не отработаны в нашей стране.

Технология же наплавки проволоки с боковой подачей существует достаточно давно и в целом хорошо изучена – множество как отечественных, так и зарубежных компаний занимаются производством такого оборудования, а сам технологический процесс и режимы для большинства применений хорошо отлажены.

В этой статье мы рассмотрим основные технологические отличия этих методов: преимущества и недостатки каждого из них, наиболее предпочтительные области применения и физику образования наплавленных валиков.

$C:\Users\gufdo\Downloads\4487.jpg$

Рис. 1 – наплавка с боковой подачей проволоки

Рис. 2 – наплавка с коаксиальной подачей проволоки

Области использования методов

Несмотря на то, что два рассматриваемых метода наплавки разделены на эти подвиды, лазерная наплавка с коаксиальной подачей помимо своих уникальных применений, включает в себя все возможные применения наплавки с боковой подачей, кроме одного, об этом расскажем далее в статье.

Общие области применения:

Наплавка на валы и другие детали вращения (наружные поверхности)
Ремонт изделий простой формы (заплавление дефектов)
Наплавка покрытия на плоские поверхности для модификации
Сварка изделий с присадочной проволокой

Рис. 3 – сварка с присадочной проволокой

Области применения для наплавки с коаксиальной подачей:

- Выращивание металлических изделий сложной формы

Рис. 4 – выращивание изделий из проволоки

- Ремонт изделий произвольной формы (заплавление сложных дефектов)

Области применения для наплавки с боковой подачей:

- Наплавка на внутренних поверхностях изделий (валы, профили)

Рис. 5 – наплавка с боковой подачей проволоки на внутренних контурах

Технологические различия двух процессов

Переходя к исследованию формообразования валика, мною была изучена литература по гидродинамике, численным методам решения физических задач, термодиффузии, а также методология использования уравнения теплопроводности в частных производных.

Было установлено, что для эффективной и качественной наплавки важно соблюдать и поддерживать физику так – называемого «жидкого мостика» - это свойственное наплавке состояние, при котором между подложкой и проволокой присутствует жидкая фаза металла, являющаяся связующей. Ранее было установлено, что данное состояние является необходимым при боковой подаче. Но, проведённые исследования показали, что жидкий мостик образуется иначе при коаксиальной подаче.

Рис. 6 – схематическое изображение мостика при боковой подаче

Была проведена начальная работа по построению математической модели наплавки в среде программирования JupyterLab на языке Python. Первым шагом стала симуляция температурных полей на подложке от движущегося кольцевого источника.

Рис. 7 – распределение тепловых полей на подложке

Сейчас ведётся разработка остальных элементов модели – термодиффузия, уравнение Навье – Стокса, анимация массопереноса и фазовых переходов, гидродинамика (в т. ч. потоки Марангони).

Анализ тепловых полей показал, что они практически идентичны на подложке. Касаемо наплавки с боковой подачей в центральной зоне (под лазером) — интенсивное течение металла (скорость ~1.5 м/с, максимум 4 м/с) от проволоки к ванне расплава, вызванное давлением отдачи. В хвостовой зоне — затухание течения; в передней — отсутствие расплава.
В случае с коаксиальной подачей ситуация выглядит иначе. Интенсивное течение металла происходит по контуру проволоки, далее проплавляется её центр и жидкий металл растекается во все стороны. При таком способе наплавки ванна расплава является более энергоэффективной и устойчивой во всех направлениях – процесс не зависим от угла.

Отличительные особенности для порошковой наплавки

Здесь подача влияет на фокусировку потока порошка, газовую динамику и взаимодействие с лазером. Боковая подача — порошок из одной или нескольких трубок сбоку, коаксиальная — через кольцевую насадку вокруг луча. Различия глубже, чем в проволоке: порошок требует газа-носителя, что добавляет параметров (газовый поток, фокусировка).

Рис. 8 – способы подачи порошка

Технологические отличия

Боковая подача: Порошок подаётся из одной или нескольких трубок сбоку под углом 30–60°. Газ-носитель (аргон/азот) ускоряет частицы, но поток асимметричный — частицы "разлетаются" в полёте, что требует точной настройки угла и скорости газа (5–15 л/мин). Лазер нагревает ванну, а порошок впадает сбоку, создавая градиент.
Коаксиальная подача: Порошок подаётся через кольцевую щель или несколько дискретных каналов (3–4) вокруг луча. Газ формирует конусный поток (5–20 л/мин), фокусируя частицы в центре. Различие: коаксиальная подача минимизирует рассеяние порошка, но требует баланса газовых потоков (центральный + внешний для защиты).

Взаимодействие с лазером:

Боковая подача: Лазер фокусируется на подложке, порошок частично поглощает энергию в полёте (20–40% плавится до ванны). Асимметрия приводит к неравномерному нагреву частиц.
Коаксиальная подача: Лазер и порошок совмещены — частицы нагреваются равномерно в фокусе (до 60–80% плавятся в полёте). Это повышает энергоэффективность, но требует разделения луча.

Контроль фокуса и скорости:

Боковая подача: Фокус порошка шире (диаметр 2–5 мм), скорость депозиции ниже (0.5–2 кг/ч). Подходит для ремонта (гибкость).
Коаксиальная подача: Узкий фокус (1–3 мм), скорость выше (1–5 кг/ч).

Преимущества и недостатки боковой подачи порошка

Преимущества:

Простота конструкции: Насадки дешёвые и лёгкие, легко обслуживать. Подходит для интеграции с существующими системами.
Гибкость для порошков: Работает с широким диапазоном размеров частиц (до 200 мкм), меньше засоров. Хорош для экспериментов или ремонта с ограниченным доступом.
Низкий порог входа: Меньше газового расхода, проще калибровка для низкой мощности лазера (500–2000 Вт).

Недостатки:

Низкая эффективность захвата: 20–50% порошка "теряется" (рассеивается), особенно при высоких скоростях. Зависимость от направления сканирования — разная ванна при поворотах.
Асимметрия и дефекты: Неравномерная ванна (вытянутая), выше разбавление, больше пористости и напряжений. Ограничения скорости: Ниже скорость наплавки, риск нестабильности при высоких скоростях.

Преимущества и недостатки коаксиальной подачи порошка

Преимущества:

Высокая эффективность: Захват порошка 80–90%, меньше отходов. Симметрия позволяет осевое сканирование — идеально для 3D-форм и сложных траекторий.
Лучшая контроль ванны: Глубже и уже ванна, низкое разбавление (5–15%), ровная поверхность. Подходит для высокоскоростной наплавки.
Масштабируемость: Легко комбинировать с многолучевой оптикой для большего покрытия, выше скорость (до 5 кг/ч).

Недостатки:

Сложность и стоимость: Сложные конструкции головки, требуют точной оптики и нескольких газовых каналов. Засоры чаще из-за узких щелей.
Ограничения по порошку: Требует мелких частиц (20–100 мкм) для фокуса, хуже для грубых порошков. Высокий расход газа (до 20 л/мин).
Чувствительность к настройке: Фокус оказывает намного больше влияния на качество наплавки.

Для порошка коаксиальная подача выигрывает в эффективности и скорости, но боковая — в простоте и стоимости (для ремонта или тестов).

Заключение

Обзор двух технологий не даст однозначного ответа какая из них лучше – каждая технология имеет как минимум одно уникальное применение, а также существенные различия в стоимости оборудования и сложности технологии в целом.
Несмотря на различия в физике образования валиков — от "жидкого мостика" при боковой подаче до равномерного растекания металла при коаксиальной — оба метода демонстрируют потенциал для оптимизации через математическое моделирование, включая анализ тепловых полей, гидродинамику и фазовые переходы. Выбор между ними зависит от конкретных задач: для простых ремонтов и покрытий подойдёт боковая подача, в то время как коаксиальная открывает перспективы для инноваций в создании сложных изделий. Дальнейшие исследования, включая развитие численных моделей и экспериментальную отработку режимов, позволят расширить области применения этих технологий, способствуя прогрессу в отечественном лазерном оборудовании и аддитивном производстве в целом.

Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»

Литература

Официальный сайт компании «Лазер Булат» [Электронный ресурс]. – URL: https://www.laser-bulat.ru/mobile/ (дата обращения: 16.05.2024). – Текст : электронный.
Tocci, F. Assessment of a hybrid VOF two-fluid CFD solver for simulation of gas-liquid flows in vertical pipelines in OpenFOAM [Электронный ресурс] : master's thesis / F. Tocci ; supervisor L. Galfetti ; Politecnico di Milano, Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione. – Milan, 2016. – 100 p. : ill. – DOI 10.13140/RG.2.2.20229.29929 (дата обращения: 15.12.2025). – Текст: электронный.
Hu R. Thermal fluid dynamics of liquid bridge transfer in laser wire deposition 3D printing / R. Hu, M. Luo, T. Liu, L. Liang, A. Huang, D. Trushnikov, K. P. Karunakaran, S. Pang // Science and Technology of Welding and Joining. – 2019. – Vol. 24, № 5. – P. 401–411. – DOI 10.1080/13621718.2019.1591039.
Detection and analysis of spectrum distribution of laser molten pool in nickel silicon boron alloy powder laser cladding [Электронный ресурс] / Chunxu Yang, Baojun Pang, Yan Ma, Chengzhi Zhao // ResearchGate. – 2016. – URL: https://www.researchgate.net/publication/289174796_Detection_and_analysis_of_spectrum_distribution_of_laser_molten_pool_in_nickel_silicon_boron_alloy_powder_laser_cladding

Вам также могут быть интересны эти темы

Лазерная микрообработка: технология микрорезки

Лазерная микрообработка представляет собой совокупность технологий субтрактивной обработки материалов с помощью сфокусированного лазерного излучения, при которой формируются структуры с характерными размерами от единиц до сотен микрометров. Среди основных операций лазерной микрообработки выделяют микросверление, микрорезку, микрофрезерование, маркировку и микроструктурирование поверхности. Настоящая обзорная статья посвящена преимущественно технологии лазерной микрорезки — одному из наиболее востребованных направлений прецизионной лазерной обработки.

Технология лазерной полировки сапфиров

Сапфировые стёкла на сегодня – это важнейший элемент как микроэлектроники, так и лазерного приборостроения, и даже часовой, аэрокосмической, оборонной промышленности. Это основа для выращивания GaN-слоёв в синих и белых LED, лазерных диодах, мощных транзисторах. Поверхность должна быть атомарно гладкой, иначе эпитаксия не получится качественной. Защитные окна датчиков, смотровые иллюминаторы, медицинские импланты и инструменты. Здесь важны и оптическая чистота, и отсутствие микродефектов, которые могут стать концентраторами напряжений. Даже сенсоры смартфонов зачастую изготавливаются с применением полированного сапфирового стекла.