Лазерный ремонт поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес

Своевременный и экономичный ремонт этих изделий может значительно продлить срок их эксплуатации без ущерба для качества, что принесет значительные финансовые преимущества. В этой главе описываются процессы ремонта различных типов повреждений, возникающих в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах, с уделением основного внимания процессам ремонта на основе лазера. Здесь также определяются различные типы повреждений и обсуждаются возможные причины их возникновения. Это поможет пользователям выбрать наиболее подходящий процесс ремонта поврежденных промышленных штампов, пресс-форм и оснастки в зависимости от наличия ресурсов и различных ограничений.

1. Введение

Штампы, пресс-формы и зубчатые колеса являются сложными, ответственными и очень дорогими механическими изделиями, как правило, изготовленными из труднообрабатываемых материалов. В частности, штампы и пресс-формы используются при производстве высококачественных литых под давлением, формованных деталей из пластика, листового металла и кованых изделий. Отделка и конечные характеристики этих изделий зависят от точности и качества поверхности используемых штампов и пресс-форм. Следовательно, их изготовление всегда является сложной задачей и дорогостоящим процессом из-за постоянно возрастающих сложностей в их конструкции и материалах. 

Таким образом, отрасли промышленности вкладывают значительные средства при производстве или закупке высокоточных, прецизионных, износостойких, коррозионностойких, сверхпрочных и долговечных штампов и пресс-форм. Шестерня - это вращающаяся деталь имеющая зубья на своей периферии и входящая в зацепление с другой зубчатой частью для передачи мощности и/или движения или для изменения направления движения. Точность, качество и состояние зубчатого колеса влияют на его характеристики, связанные с движением и передачей мощности, износом, вибрацией и шумом, эксплуатационными характеристиками и сроком службы. 

Жизненный цикл штампов, пресс-форм и зубчатых колес зависит от различных аспектов, таких как: правильный выбор материала, дизайн и качество изготовления, подходящий процесс термообработки, условия эксплуатации и обращение с ними пользователей [1]. В процессе эксплуатации у этих компонентов возникают различные незначительные повреждения, которые не приводят к их прямому отказу, но, если их своевременно не обнаружить и не отремонтировать, они могут привести к преждевременному выходу этих компонентов из строя. Различные типы повреждений штампов, пресс-форм и зубчатых колес включают различные типы трещин, царапин, сломанных краев, вмятин, углублений, термических трещин, пластической деформации, неровностей поверхности, изношенной геометрии, изменений размеров, расплавленный материал [3-5]. 

Повреждения, такие как изношенная геометрия, изменение размеров и повреждение поверхности, иногда могут возникать в течение нескольких циклов эксплуатации, что может привести к их преждевременному выходу из строя, в то время как иногда они могут выйти из строя по истечении срока службы после нескольких тысяч рабочих циклов. Интенсивность и величина повреждений зависят от суровости условий работы и требуемой точности их формы и размера. Повреждения штампов, пресс-форм и зубчатых колес приводят к потере ими точности, размера и формы, что приводит к получению изделий низкой точности и нарушению допусков по размерам и геометрии. В частности, в зубчатых передачах эти факторы приводят к простоям в их эксплуатации. Это напрямую влияет на экономические аспекты промышленного и обрабатывающего сектора. Существует только два варианта избежать этого, а именно: либо запасные компоненты, либо быстрый и экономичный ремонт [6]. Штампы, пресс-формы и зубчатые колеса изготавливаются из очень дорогостоящих и сложных в изготовлении материалов и имеют очень высокую точность.

В этой статье кратко описываются различные типы ремонтных процессов с уделением основного внимания лазерному восстановлению изношенных штампов, зубчатых колес, пресс-форм, а также различным типам повреждений и их причинам. 

Рис.1 Типичные повреждения, возникающие в штампах и пресс-формах [2], 
источник: Elsevier

2. Виды повреждений и их причины

2.1 Существенные повреждения

Основными причинами существенных повреждений штампов, пресс-форм и зубчатых колес являются неправильная конструкция, чрезмерная нагрузка, некачественный материал, неправильное хранение и обращение с материалами. Чтобы избежать несоответствующего дизайна, необходимо проявлять дополнительную осторожность при проектировании форм углов, вырезов и резких изменений в дизайне изделия, которые увеличивают давление на контактирующие поверхности и могут привести к поломке из-за износа поверхности. [2, 11, 12]. Использование программного обеспечения на базе системы автоматизированного проектирования (CAE) может подтвердить точность проектирования и анализа штампов, пресс-форм и зубчатых колес. Моделирование играет решающую роль в прогнозировании механизма повреждения, что помогает избежать ранних дефектов [9, 13]. 

Рис.2 Типы повреждений, возникающих в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах, и их возможные причины

Рис.3 Катастрофические повреждения из-за экстремальной нагрузки: а) в штампах [15] (Источник: Looktech Co., Ltd); и б) в зубчатых колесах [16] (источник:  tractorbynet.com)

Повреждения штампов, пресс-форм и зубчатых колес из-за чрезмерных нагрузок приводят к растрескиванию, механической усталости и пластической деформации. Штампы и пресс–формы, используемые в процессах горячего формования, подвержены образованию трещин, термическим деформациям, упруго-пластической деформации и коррозии, поскольку они подвергаются непрерывным циклам нагрева и охлаждения наряду с механической нагрузкой. Принимая во внимание, что штампы и пресс-формы, используемые в процессе холодной штамповки, обычно повреждаются из-за внезапных нагрузок и возникновения трещин в поперечных сечениях, имеющих концентрацию напряжений, как показано на рис.3а [14]. 

Чрезмерная нагрузка на зубчатое колесо приводит к отклонению его макро - и микрогеометрии и ухудшению его качества. На рисунке 3b показаны существенные повреждения, вызванные чрезмерной нагрузкой на шестерни. Выбор бракованного сырья, имеющего необнаруженные внутренние дефекты, такие как пустоты, пористость, изъяны и т.д., также приводит к возникновению существенных повреждений штампов, пресс-форм и зубчатых колес. Неправильное хранение и обращение с сырьем для штампов, пресс-форм и зубчатых колес как до, так и после их изготовления также являются причиной такого рода повреждений.

 
2.2 Производственные повреждения

Основными причинами производственных повреждений являются: использование неподходящего производственного процесса, неправильное использование производственного процесса, несоответствие их конструктивным требованиям, некачественный осмотр и контроль качества, а также неправильное хранение штампов, пресс-форм и зубчатых колес и обращение с ними во время или после их изготовления.

 Несмотря на наличие передового программного обеспечения для проектирования и анализа , а также станков с ЧПУ, изготовление пресс-форм, штампов и зубчатых колес в большинстве случаев по-прежнему является сложной задачей. Использование неправильных процессов изготовления, отделки и термообработки также может привести к повреждениям штампов, пресс-форм и зубчатых колес, что сводит на нет преимущества использования материалов с превосходными свойствами. Здесь неправильный технологический процесс подразумевает процесс, который не способен ни обработать выбранный материал, ни обеспечить требуемую сложную геометрию, размер, габаритные и геометрические допуски.

Иногда слишком строгие требования к штампам, пресс-формам и зубчатым колесам могут сделать их изготовление очень трудным и даже невозможным. Все это приводит к несоответствию разработанных спецификаций штампов, пресс-форм и зубчатых колес.
Неправильное использование производственного процесса также приводит к некоторым повреждениям штампов, пресс-форм и зубчатых колес, т.е. использование неправильного или бракованного смазочного масла при шлифовании поверхности может вызвать незначительные трещины на поверхностях штампов, пресс-форм и зубчатых колес [17]; неправильно выполненный процесс термообработки, может привести к снижению усталостной прочности, вызванной остаточными напряжениями при растяжении, термическим растрескиванием и низкой ударной вязкостью. 

Даже после правильного выбора конструкции, материала и производственного процесса для штампов, пресс-форм и зубчатых колес их повреждения и несоответствие разработанным спецификациям могут остаться незамеченными из-за некачественных методов осмотра и контроля качества. Поэтому тщательно спланированный и точно осуществляемый контроль (который может проводиться как онлайн, так и оффлайн), четко определенная политика обеспечения качества и выбор наиболее подходящих инструментов для контроля качества очень важны для штампов, пресс-форм и зубчатых колес для выявления дефектов и отклонений от технических характеристик, возникающих в процессе их изготовления. Это обеспечивает их соответствие разработанным техническим требованиям. 

Неправильная транспортировка, хранение и обращение во время или после изготовления штампов, пресс-форм и зубчатых колес также могут привести к их повреждению, что сводит на нет все усилия, приложенные для достижения наилучшего дизайна, материалов, изготовления, инспекции и контроля качества. Например, неправильная установка при использовании штампов и пресс-форм или при работе с зубчатыми передачами усиливает индуцированное напряжение, приводящее к их повреждению [18]. На рисунке 4 показаны некоторые фотографии повреждений, нанесенных типичному штампу (рис.4а) и зубчатому колесу (рис.4б) из-за неправильного хранения во время их изготовления.

2.3 Эксплуатационные повреждения

Эксплуатационные повреждения штампов, пресс-форм и зубчатых колес могут быть вызваны неблагоприятными условиями работы, такими как химические реактивы, сильные щелочи, кислоты, высокая влажность, очень высокая температура и высокая ударная нагрузка, которые не были предусмотрены при их проектировании. 

Рис.4 Повреждения штампов a) [19] (предоставлено Empire die casting Co.); и зубчатых колес b) [20] (предоставлено Novex Inc.) из-за неправильного хранения при их изготовлении

Рис.5 Эксплуатационные повреждения штампов a [19] (любезно предоставлено Empire die casting Co.); и зубчатых колес b [20] (любезно предоставлено Novexa Inc.) из-за их неправильного использования.

Такая рабочая среда вызывает окисление, коррозию и износ их поверхностей. Неправильное обращение может еще больше ускорить их растрескивание и износ, что, в конечном итоге, может привести к преждевременному выходу из строя. Часто плохо обученные пользователи или операторы устанавливают неправильные параметры во время использования штампов, пресс-форм и зубчатых колес, что приводит к их неправильной загрузке и, следовательно, к повреждениям, как показано на рис.5. После использования штампов и пресс-форм при горячей и холодной обработке некоторые частицы расплавленного материала остаются прилипшими, что ухудшает качество поверхности штампов и пресс-форм и делает необходимым их восстановление. Предварительная оценка эксплуатационных повреждений может быть произведена с использованием конечно-элементного моделирования и аналитических подходов. Такие оценки оказались полезными при выборе оптимальных параметров процесса, надлежащего сырья, формы и геометрии, а также рабочей скорости [21]. 

3. Последовательность процесса ремонта

На рисунке 6 показана последовательность различных действий по устранению повреждений в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах. Все начинается с осмотра возникших повреждений и определения их типа, чтобы определить их причины, как описано выше. Процесс очистки выбирается в зависимости от типа и степени возникших повреждений. Если повреждения вызваны неправильным хранением, ненадлежащим обращением во время производства и неподходящими условиями труда, то используется химический процесс очистки, при котором поврежденная поверхность или объем очищаются с помощью кислоты, растворителя, солевой ванны, обезжиривания паром или окисления. 

Если повреждение вызвано чрезмерной нагрузкой, бракованным материалом, использованием неправильного производственного процесса и установкой неправильных технологических параметров, то используется механический способ очистки, при котором поврежденная поверхность или объем очищаются с помощью полировки, абразивной обработки или механической обработки наждачной бумагой. Очищенная полость заполняется осаждаемым материалом в виде проволоки, порошка или гибридного материала с использованием процесса осаждения. 

Выбор процесса осаждения, материала зависит от размера, формы, и расположения поврежденной поверхности, ее доступности, способности материала заполнять ее, общей стоимости ремонта и расходных материалов. Окончательная зачистка и шлифовка наплавки выполняется для восстановления поврежденной матрицы, пресс-формы или зубчатого колеса до их первоначальной формы и размера, что обеспечивается осмотром и проверкой качества отремонтированного компонента.

 

Рис.6 Последовательность процесса ремонта повреждений в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах.

4. Процессы ремонта

Потребность в точном, быстром и экономичном процессе ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес вынудила промышленность разрабатывать новые, более совершенные процессы. На рисунке 7 представлены различные процессы ремонта, а в следующих параграфах они кратко описаны. Как правило, процесс ремонта включает нанесение материала, поэтому необходимо тщательно изучить металлургические соотношения между подложкой и материалом для нанесения, поскольку они зависят от объемной скорости и геометрии нанесения.

Рис.7 Различные процессы, которые можно использовать для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес.

Рис.8a Поверхностная трещина, устраненная методом GTAD [2] и b материал, нанесенный с использованием процесса micro-GTAD (источник: Elsevier).

4.1 Процессы ремонта на основе дугового разряда

Наиболее часто используемыми процессами ремонта поврежденных штампов и пресс-форм на основе дуги являются газодуговое напыление металла (GMAD) и газодуговое напыление вольфрама (GTAD). Эти процессы просты в эксплуатации, портативны, обеспечивают более высокую скорость осаждения, требуют меньших первоначальных вложений и обеспечивают более высокую стабильность дуги. Это приводит к точному и контролируемому осаждению металла и исключает вероятность включения вольфрама из-за отсутствия контакта между вольфрамовым электродом и обрабатываемой деталью в процессе GTAD. 

Технологическое оборудование, как правило, управляется вручную, что требует высокой квалификации операторов. Штампы и пресс-формы изготавливаются из термочувствительных материалов, поэтому для предотвращения растрескивания и остаточных напряжений при растяжении необходим нагрев перед нанесением и соответствующая термообработка после нанесения. На рисунке 8а изображена поверхностная трещина, устраненная методом GTAD. Микро-версия процесса GTAD также была разработана и использована для многослойного осаждения сплава титана.

4.2 Процессы восстановления на основе плазмы

В процессах плазменно-дугового осаждения (PTAD) используется плазменная дуга для осаждения металла в виде тонких слоев, что приводит к уменьшению зоны термического воздействия (HAZ) и большей глубине проникновения дуги. Контрольная дуга образуется между неплавящимся вольфрамовым катодом и сужающим соплом путем применения подходящей разности потенциалов между ними, тогда как в процессе GTAD дуга образуется между вольфрамовым электродом и обрабатываемой деталью. Следовательно, процессы PTAD обеспечивают лучшее качество осаждения, меньшую ЗТВ, минимизируют включение вольфрама в осаждение и повышают эффективность теплопередачи по сравнению с процессами осаждения на основе дуги. На рисунке 9 представлено типичное нанесение материала с использованием процесса PTAD.

Как в процессах GTAD, так и в процессах PTAD используется высокое значение тока в диапазоне 100-300 А, что приводит к более высокому разбавлению, тепловым искажениям и неблагоприятной микроструктуре. Эти проблемы могут быть преодолены с помощью микро-версии процесса PTA, известного как процесс напыления с использованием микроплазменной дуги (µ-PTA),
который использует ток в диапазоне 20-30 А. Блок питания, имеющий цифровой
контроллер и обладающий очень малым увеличением значений тока (до 0,1 А или даже меньше) позволяет получить дугу меньшего размера, более мягкую, колоколообразную и точно контролируемую. Процесс Micro-PTA дает множество дополнительных преимуществ, таких как улучшенное устойчивое направление дуги, повышенная стабильность дуги, меньшая чувствительность к
изменениям длины дуги, более высокая энергоэффективность и лучшая материалоемкость. Такое оборудование может быть автоматизировано с помощью станка с ЧПУ или роботизированной руки в качестве манипулятора. 

4.3 Процесс ремонта с использованием лазера

Рис.9 Поверхность, восстановленная с использованием процесса дугового напыления с переносом плазмы, с разрешения Elsevier

Это приводит к сильно локализованному нагреву этой области. Следовательно, процесс лазерного напыления предпочтительнее процессов дугового и плазменного напыления из-за их некоторых уникальных преимуществ, таких как очень малая площадь концентрации лазерного луча
и, следовательно, очень малый объем сварного шва, ЗТВ и более высокая глубина проплавления, лучшее качество наплавки и незначительный подрез. Хотя скорость осаждения меньше, а оборудование очень дорогостоящее, они успешно используются для мелкомасштабного ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес с использованием присадочного материала в виде порошка или проволоки [9], а также для очень мелкого
и точного осаждения металлического материала с помощью наименьших изменений в составе материала подложки. Адаптивность к автоматизации, простота установки лазера на станке с ЧПУ или роботизированной руке, более простое управление, меньшие требования к последующей обработке и меньшее время ремонта - вот некоторые дополнительные преимущества использования лазерного напыления металла.

4.3.1 Лазерный ремонт штампов и пресс-форм

Леунда и др. использовали процесс лазерной наплавки для ремонта штампа, используемого при холодной и горячей штамповке автомобильных компонентов и изготовленного из инструментальной стали с карбидом ванадия. В процессе горячей штамповки матрица подвергалась термической обработке, что привело к повреждению морфологии ее поверхности, как показано на рис.10. Эта проблема была решена путем нанесения на матрицу покрытия из ванадиевой стали специального назначения, изготовленной методом тигельной порошковой металлургии (CPM). Этот материал обладал лучшими тепловыми свойствами по сравнению с исходным материалом матрицы, что значительно уменьшало образование тепловых пробок в матрице.

Рис.10 Возникновение тепловых проверок в матрице, используемой для холодной и горячей штамповки автомобильных компонентов (предоставлено Badger Metal Tech. Inc.)

4.3.2 Лазерный ремонт зубчатых колес

Мадж и Уолд использовали процесс лазерной наплавки для ремонта сцепного устройства, как показано на рис.11а. Эта шестерня была соединена с валом распылителя, вращение которого создавало силу тяги, создаваемую на боковой поверхности зубьев шестерни, вызывающую их износ. Мартенситная нержавеющая сталь марки 420 (содержащая минимум 12% хрома) была нанесена на изношенные боковые поверхности зубьев сцепного устройства методом лазерной наплавки для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости. Было замечено, что изношенная шестерня была успешно отремонтирована, как показано на рис.11б, с повышенной износостойкостью по сравнению с исходной шестерней.

 
4.4 Процесс ремонта на основе электронного пучка

Процесс осаждения на основе электронного пучка используется для ремонта поврежденных газовых форсунок, используемых в газовых турбинах, треснувших камер сгорания и сломанных уплотнений вала. Попадание электронного луча вызывает быстрый нагрев и плавление материала подложки. Его основными преимуществами являются меньшая теплоемкость и меньшая зона термического воздействия (ЗТВ). Достижения в технологии электронного пучка позволили генерировать электронный пучок с пиковой плотностью тока порядка 104 А/см2 используя сравнительно низкую энергию в диапазоне 10-35 кэВ при короткой длительности импульса 1 мкс. Основными недостатками этого процесса ремонта являются: необходимость поддержания очень высокого вакуума для его работы и применимость для ремонта простых геометрий с использованием заранее определенных траекторий осаждения. Таким образом, этот процесс, возможно, может быть использован для устранения незначительных внешних повреждений (например, трещин, вмятин, выемок) в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах.

Рис.11 а) Ремонт изношенного зубчатого колеса сцепки методом лазерной наплавки; б) отремонтированное сцепное устройство (любезно предоставлено RPM Innovations Inc.)

4.5 Сравнительное исследование

 В таблице 1 представлено сравнение различных процессов, которые могут быть использованы для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес с точки зрения скорости осаждения, ЗТВ, металлургических свойств, возможности восстановления сложной геометрии, требований к обработке после осаждения, гибкости в использовании оборудования и стоимости ремонта.

5  Подробности процесса ремонта с использованием лазера

 
5.1 Типы лазеров, используемых в процессе ремонта

Тип лазера, который будет использоваться для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес, зависит от принципа работы, тепловой эффективности, гибкости и простоты управления. Наиболее распространенными и успешно используемыми лазерами для этой цели являются углекислотный (CO2) лазер; Nd:YAG (неодим: иттриево-алюминиевый гранат) и Yb:YAG (иттербий: иттриево-алюминиевый гранат) лазеры из-за их более низкой теплоемкости, относительно очень малой результирующей ЗТВ, простоты эксплуатации и контроля, а также низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Следовательно, эти лазеры можно использовать для очень мелкого и точного осаждения металлических материалов с минимальными изменениями материала подложки и ее состава. Первоначально CO2-лазер был единственным коммерчески доступным лазером на газовой основе, но его нельзя было использовать в коммерческих целях в ремонтной промышленности, главным образом из-за очень высоких инвестиций, затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также требований к высококвалифицированным операторам. 


Таблица 1 Сравнение различных процессов ремонта, которые могут быть использованы для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес

Разработка мощных твердотельных лазеров, таких как Nd:YAG и Yb: YAG-лазеры привели к снижению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание систем лазерного напыления, что расширило их использование для ремонта критически важных и дорогостоящих компонентов, специально изготовленных из тех материалов, которые трудно отремонтировать другими способами напыления.

5.2 Принцип процесса и тематические исследования

5.2.1 Лазер на углекислом газе

CO2-лазер - один из первых разработанных газовых лазеров, который был исследован для целей осаждения металлов. Это один из самых мощных лазеров непрерывного действия, доступных в настоящее время. На рисунке 12 изображена схема системы производства CO2-лазера. Выброс газообразного CO2 действует как активная лазерная среда, охлаждаемая воздухом/водой. Выпускная трубка состоит из газовой смеси, содержащей 40-50% CO2; 20-30% N2; 5-10% H2 и остальное в виде гелия по объему. Колебательное движение азота происходит по мере того, как атомы гелия ударяются о стенки разрядной трубки.

Создание лазера достигается за счет воздействия электронов, которые возбуждают колебательное движение азота, который является метастабильным и сохраняется в течение более длительного времени. Передача энергии при столкновении между молекулами азота и диоксида углерода вызывает колебательное возбуждение диоксида углерода с эффективностью, достаточной для работы лазера.
На рисунке 13 показана схема системы на основе CO2-лазера для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм,

Рис.12 Схема системы получения CO2-лазера

Рис.13 Схема системы ремонта на основе CO2-лазера (источник:  Elsevier)

Его также можно использовать для механической очистки поверхностей от повреждений, вызванных коррозией, термической проверкой и т.д.

Тематическое исследование

Грум и Слайб [3] изучили повреждения, нанесенные штампу из мартенситно-стального материала, используемого для изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Повреждения были устранены путем нанесения сплава Ni–Co–Mo на термически растрескавшуюся поверхность с помощью CO2-лазера. После осаждения матрица подверглась термообработке и был проведен анализ ее микроструктуры, микротвердости и остаточных напряжений, который выявил значительное снижение ее термического растрескивания. Шривастава и соавт. исследовали возникновение трещин термической усталости (как показано на рис.14) в штампе, изготовленном из инструментальной стали и используемом для литья под давлением и горячей ковки. 

Матрица подверглась термической усталости, вызванной внезапным охлаждением. Это инициировало усталостные трещины, которые распространялись с увеличением усталостной нагрузки. Это сделало матрицу непригодной для использования. Они рекомендовали, чтобы эти трещины можно было устранить с помощью процесса лазерного напыления металла, который может уменьшить склонность к термическому растрескиванию, тем самым увеличивая срок службы штампа.

Рис.14 Трещины термической усталости в штампе из инструментальной стали из-за резкого охлаждения (источник: Elsevier).

5.2.2 Nd: YAG-лазер

Nd: YAG - твердотельный лазер, разработанный Дж.Э. Гейзиком, Х.М. Маркосом и Л.Г. Ван Витертом в 1964 году. Нанесение металла с помощью Nd-YAG лазера - это усовершенствованный процесс ремонта, который является очень гибким и имеет преимущества по сравнению с напылением на основе GTA и PTA. На рисунке 15 показана схема системы производства Nd:YAG-лазера, в которой энергия генерируется на четырех уровнях. Перекачка ионов Nd из основного состояния в верхнее, т.е. на 4-й уровень, осуществляется криптоновой дуговой лампой (также известной как лампа-вспышка). Используя свет с длиной волны 7200-8000 Å. Начиная с 4-го уровня, ионы становятся неизлучающими, что снижает их энергию до 3-го уровня. Следовательно, лазерное излучение
происходит на 3-м уровне, который является верхним уровнем лазерного излучения, и на 2-м уровне, который является нижним уровнем лазерного излучения. Этот лазер обладает лучшей тепловой эффективностью, чем CO2-лазер, следовательно, его можно использовать.

Рис.15 Схема системы получения Nd:YAG-лазера

Рис.16 а) Схема восстановительной системы на основе Nd:YAG лазера; и б) осаждение, полученное с помощью этой системы, источник: Elsevier.

Тематическое исследование

Боррего и др. использовали Nd:YAG–лазер для устранения повреждений, таких как износ и усталостные трещины (показаны на рис.17а), вызванных высокими термомеханическими нагрузками в формах, изготовленных из стали P20 и AISI H13. Потрескавшийся объем был очищен механически, и полость была заполнена аналогичным материалом для осаждения в виде проволоки с использованием системы осаждения на основе Nd: YAG лазера. 
На рис.17б показана поверхность после нанесения, а на рис.17в показана поверхность отремонтированной формы после удаления излишков материала для нанесения с помощью процесса финишной обработки. Усталостная прочность отремонтированной формы была проанализирована, чтобы проверить улучшение ее усталостных характеристик, что подтвердило повышение в ней за счет уменьшения образования трещин.

 

Рис.17 Ремонт поврежденной формы с использованием Nd:YAG лазера: а) усталостные трещины на поверхности формы; б) поверхность формы после осаждения материала; в) поверхность формы после удаления излишков осажденного материала, источник: Elsevier.

 

Рис.18 Схема системы получения Yb:YAG-лазера


5.2.3 Yb:YAG Лазер

Кристалл Yb: YAG является одним из наиболее перспективных активных материалов для лазеров по сравнению с кристаллом Nd:YAG. Он обладает гораздо большей полосой поглощения, что снижает требования к системе управления энергопотреблением за счет накопления энергии верхнего уровня для увеличения срока службы. На рисунке 18 изображена схема системы получения Yb:YAG-лазера, в которой энергия генерируется на четырех уровнях, аналогичных таковым в системе получения Nd:YAG-лазера. Перекачка ионов Yb в верхнее состояние (т.е. на 4-й уровень) из основного состояния осуществляется лазерным диодом с волоконной связью. 

Начиная с 4-го уровня, когда ионы проходят через фокусирующую линзу, они становятся безызлучательными, что снижает их энергию до 3-го уровня. Следовательно, лазерное излучение будет происходить на 3-м уровне, который является верхним уровнем лазерного излучения, и на 2-м уровне, который является нижним уровнем лазерного излучения. Этот лазер обладает более высокой тепловой эффективностью и высокой концентрацией луча по сравнению с Nd: YAG лазером. На рисунке 19 изображена схема системы осаждения на основе Yb:YAG лазера.

 

Рис.19 Схема системы осаждения на основе Yb:YAG-лазера, источник: Elsevier.

Рис.20 Влияние формы канавки на отремонтированные штампы методом а) Yb: YAG-лазерное напыление V-образной канавки; b) U-groove, источник: Elsevier.

Его можно использовать для нанесения металлического материала в виде проволоки и порошка, особенно для суперсплавов. Этот лазер в основном предпочтителен для устранения глубоких повреждений, вызванных случайными условиями, глубокими трещинами, неправильной конструкцией, восстановлением и установкой неподходящих технологических параметров.

Тематическое исследование

Граф и др. использовали Yb: YAG-лазер для устранения трещин, образовавшихся в штампах из нержавеющей стали и титана, и экспериментально изучили влияние формы канавки на усталостную прочность отремонтированного штампа. Трещины были увеличены путем подготовки V-образных (рис.20а) и U-образных (рис.20б) канавок в материале матрицы в процессе фрезерования. Эти канавки были заполнены материалом для осаждения, таким же, как у штампов и пресс-форм. Их исследование показало, что U-образная канавка обеспечивает достаточный доступ к Yb:YAG лазеру для нанесения и обеспечивает хорошее оплавление боковых стенок, как показано на рис.20б.

Удары и большая нагрузка приводят к износу боковых поверхностей зубьев шестерни. Ши и Бай [10] использовали процесс лазерной наплавки для ремонта этих изношенных боковых поверхностей зубчатого колеса, изготовленного из MS 45, путем нанесения порошка Ni45 в качестве наплавочного материала. Морфология отремонтированного зуба шестерни была проанализирована для различной толщины наплавки и при различных технологических параметрах. Это показало, что износостойкость зубчатого колеса значительно улучшилась.

Осаждаемый материал может быть использован как в виде проволоки, так и в виде порошка для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес. Форма проволоки выбирается, когда осаждение осуществляется непрерывно, поскольку материал для осаждения в виде проволоки подается непосредственно в ванну расплава материала подложки. Для непрерывного и симметричного напыления рассчитывается соотношение между диаметром дуги и диаметром проволоки. Это гарантирует плавное нанесение и прочное сцепление нанесенного материала с материалом подложки. Любое нарушение скорости подачи проволоки и ее позиционирования нарушает работу ванны расплава, что приводит к неточностям в форме и размере наплавляемого материала. 

Основными преимуществами использования материала для осаждения в виде проволоки являются: (i) очень высокая эффективность осаждения, что приводит к лучшему использованию материала и меньшему расходу материала для осаждения; (ii) меньшая опасность из-за меньшего расхода материала для осаждения. Принимая во внимание, что основными ограничениями являются: (i) более низкая скорость осаждения; (ii) плохой контроль геометрии осаждения; и (iii) плохое металлургическое сцепление с материалом подложки, поддержание точного положения и подачи проволоки очень сложны в процессах электронно-лучевого и лазерного напыления.

Порошкообразная форма наплавляемого материала используется, когда (i) предполагается использовать процесс наплавки электронным лучом или лазером; и/или (ii) для тех наплавляемых материалов, которые невозможно вытянуть в виде проволоки. К таким материалам относятся твердые сплавы (например, на основе кобальта, Ti, Ni), огнеупорные материалы (например, Ta, W, Mo), армирующие элементы для композитных материалов (например, TIC, crc), керамика (например, нитрид кремния, нитрид бора) и функционально классифицированные материалы.

 Его основными преимуществами являются: (i) более высокая скорость осаждения; (ii) лучший контроль геометрии осаждения; и (iii) лучшее металлургическое сцепление с материалом подложки. Его основными ограничениями являются: (i) более низкая эффективность осаждения, что приводит к худшему использованию материала и большему расходу материала для осаждения; (ii) более опасно из-за больших потерь материала для осаждения. Существует три различных способа подачи материала для нанесения в порошкообразной форме, как показано на рис.21.

Рис.21 Различные способы подачи материала для осаждения в активированном виде в процессах осаждения на основе лазера: a) лазерный луч и подача порошка не коаксиальны; b) лазерный луч, коаксиальный с непрерывной подачей порошка; и c) лазерный луч, коаксиальный с прерывистой подачей порошка [2], источник: Elsevier.

6 Заключение

Важными причинами повреждений штампов, пресс-форм и зубчатых колес являются: неправильная конструкция, дефекты их материалов, неправильное обращение, механическая деформация, пластическая деформация, локальные удары, циклическая нагрузка, высокие термические напряжения, коррозия под напряжением, износ, усталость и значительные нагрузки, вызванные различными причинами. Традиционными процессами ремонта являются процессы напыления на основе дуги и плазмы. В последнее время привлекательными вариантами стали процессы ремонта с использованием лазеров, электронного пучка и микроплазменной дуги, поскольку эти процессы способны обеспечить технико-экономические решения для ремонта поврежденных штампов, пресс-форм и зубчатых колес. Лазеры можно использовать для ремонта, поскольку они обеспечивают более точное нанесение материала при очень тонком слое осаждения. 

Выбор конкретного лазера из доступных различных типов лазеров для целей ремонта зависит от принципа технологического процесса, эффективности отдельного лазера, гибкости и простоты управления. Лазерное осаждение металлов на основе CO2, Nd: YAG и Yb: YAG наиболее широко используется для устранения повреждений в штампах, пресс-формах и зубчатых колесах из-за их низкой зоны термического воздействия, хороших металлургических свойств и сцепления между подложкой и нанесенным слоем, способности восстанавливать сложную геометрию штампов, форм и зубчатых колес шестеренки.

Благодаря технологическим достижениям в области автоматического управления процессом и электроснабжения процесс ремонта повреждений штампов, пресс-форм и зубчатых колес стал более конкурентоспособным и экологичным. Различные типы присадочных материалов, удобные для пользователя технологические процессы, различные комбинированные технологические параметры и доступность термообработки после осаждения побудили промышленность разрабатывать различные материалы для осаждения. Эта глава поможет пользователям выбрать наиболее подходящий процесс ремонта поврежденных промышленных штампов, пресс-форм и зубчатых колес в зависимости от наличия ресурсов и различных ограничений.

1. He B (2011) Research on the Damage and material selection of Plastic mold. Proc Eng 23:46–52
2. Jhavar S, Paul CP, Jain NK (2013) Causes of damage and repairing options for dies and molds: a review. Eng Fail An. 34:519–535
   
3. Cosenza C, Fratini L, Pasta A, Micari F (2004) Damage and fracture study of cold extrusion dies. Eng Fract Mech 71:1021–1033
   
4. The tool and die industry: contribution to us manufacturing and federal policy considerations. CRS Report for Congress. Congressional Research Service 7–570
5. Timothy A (2003) With foreign rivals making the cut, toolmakers dwindle, Indian edn. The Wall Steel J.
6. Pantazopoulos G, Zormalia S (2011) Analysis of the failure mechanism of a gripping tool steel component operated in an industrial tube draw bench. Eng Fail An. 18:1595–1604
   
7. Grum J, Slabe JM (2003) A comparison of tool-repair methods using CO2 laser surfacing and arc surfacing. Appl Surf Sci 208–209:424–431
   
8. Pleterski M, Tuek J, Kosek L, Muhi M, Muhi T (2010) Laser repair welding of molds with various pulse shapes. METABK 49(1):41–44
   
9. Rao I (2012, May–June) Casting dies for a sustainable future. Eff Manuf (EM) Mag
   
10. Shi J, Bai SQ (2013) Research on gear repairing technology by laser cladding. Key Eng Mater 546:40–44
    
11. Garat V, Bernhart G, Hervy L (2004) Influence of design and process parameters on service life of nut hot forging die. J Mater ProcessTechnol 147:359–369
12. Moura GCR, Aguilar MTP, Pertence AEM, Cetlin PR (2007) The materials and the design of the die in a critical manufacturing step of an automotive shock absorber cap. Mater Des 28:962–968
13. Sun Y, Hanaki S, Uchida H, Sunada H, Tsujii N (2003) Repair effect of hot work tool steel by laser-melting process. J Mater Sci Technol 19:91–93
    
14. Pereira MP, Yan W, Rolfe BF (2012) Wear at the die radius in sheet metal stamping. Wear 274–275:355–367
15. Stavridis N, Rigos D, Papageorgiou D, Chicinas I, Medrea C (2011) Damage analysis of cutting die used for the production of car racks. Eng Fail An. 18:783–788
    
16. Alaneme KK, Adewuyi BO, Ofoegbu FA (2009) Damage analysis of mould dies of an industrial punching machine. Eng Fail An. 16:2043–2046
17. Ebara R, Takeda K, Ishibashi Y, Ogura A, Kondo Y, Hamaya S (2009) Microfractography in Damage analysis of cold forging dies. Eng Fail An. 16:1968–1976
    
18. Choi C, Groseclose A, Altan T (2012) Estimation of plastic deformation and abrasive wear in warm forging dies. J Mater Process Technol 212:1742–1752
19. Thompson S (1999) Handbook of mold, tool and die repair welding. William Andrew Publishing
20. Preciado WT, Bohorquez CEN (2006) Repair welding of polymer injection molds manufactured in AISI P20 and VP50IM steels. J Mater Process Technol 179:244–250
21. Branza T, Duchosal A, Fras G, Beaume FD, Lours P (2004) Experimental and numerical investigation of the weld repair of superplastic forming dies. J Mater Process Technol 155–156:1673–1680