Laserpinnoitus Petri Vuoristo Tampereen teknillinen yliopisto, materiaaliopin laitos ja Teknologiakeskus KETEK Oy, Kokkola Esityksen sisältö Laserpinnoituksen ja pintakäsittelyn periaatteet Pinnoitemateriaalit ja ominaisuudet Teolliset käyttösovellukset 1
Laserien käyttö materiaaliprosessointiin Suurteholaserit ovat laitteita, jotka kykenevät synnyttämään erittäin korkeaenergisen ja kohdennettavan säteen materiaalien erilaiseen prosessointiin, esim. leikkaus, hitsaus, merkkaus, karkaisu ja pinnoitus Suurteholaserityypit: CO 2 Nd:YAG Diodilaserit Size of laser types 2
Laserit ja pintakäsittely Yleistä: Laserkarkaisu ja pinnoitus etuineen tunnettu jo pitkään Laserpinnoituksella ei ollut laajempaa käyttöä teollisuudessa verrattuna laserhitsaukseen ja -leikkaukseen Taloudelliset syyt: Korkeat investointi- ja käyttökustannukset Alhainen tuotto Alhaiset työstönopeudet Sovellukset ei hyvin tunnettuja Toistaiseksi vain vähän toimijoita Menetelmän saatavuus, tunnettavuus ja laitetekniikassa tapahtuvat merkittävät kehitysaskeleet (esim. diodilaserit) lisäävät merkittävästi laserpinnoituksen yleistymistä ja laajempaa hyödyntämistä Laserpintakäsittelymenetelmät Faasimuutoskarkaisu laserilla Pinnan modifiointi/sulautus laserilla Esiasetetun tai esipinnoitetun kerroksen lasersulautus 2-vaiheinen menetelmä esiasetettu kerros jauhetta (ilman tai sideaineen kanssa) termisesti ruiskutettu pinnoite sulautus/seostus Laserpinnoitus jauheella tai langalla 1-vaiheinen menetelmä laser-cladding (laserpinnoitus) koaksiaali/off-axis Hybridimenetelmät pinnan puhdistus (Protal) + terminen ruiskutus laseravusteinen terminen ruiskutus Induktioavusteinen laserpinnoitus Kuumalanka/hybridi-laserpinnoitus 3
Laserpinnoituksen periaate Metalli-, metalliseos-, kovametalli-, keraamijauhe tai niiden seos tai sekoitus syötetään erillisestä jauhesyöttölaitteesta off-axis- tai koaksiaalisesti lasersäteeseen Jauhepartikkelit absorboivat lasersäteestä energiaa => jauhe kuumenee ja sulaa => sula materiaali kiinnittyy metallurgisesti lasersäteen avulla myös pinnasta sulatettuun perusaineeseen => pinnoitekerros Pinnoitteelle tyypillistä: korkea tiiveys erinomainen tarttuvuus pinnoitelisäainetta vastaavan umpiaineen ominaisuudet kuten kovuus, kulumiskesto, korroosionkesto alhainen seostuminen 4
Teollista laserpinnoitusta Kokkola LCC Oy - Kokkola 5
6
Laserilla valmistettujen pinnoitteiden mikrorakenteita Stellite 6 Ni-30%Cu Stellite 21 WC/NiCrBSi 7
Laserpinnoitteilla tavoiteltavia ominaisuuksia Korjaus/täyttö Kulumiskestävyys abraasio, eroosio, hankaus Korroosiokuluminen Märkäkorroosionkestävyys (kloridit, hapot, emäkset, jne.) Kuumakorroosionkestävyys (sulasuolat, hapettuminen) Liukuominaisuudet 8
9
10
Abrasiivinen kuluminen 1800 1600 1400 1200 Huom! 1000 Painohäviö (mg) 800 600 400 200 0 St 6 St 12 St 1 WR 10 Ni-hard 16C - WC (70/30 til.%) WR 6 TiC - St6 (50/50 p.%) 11
HVOF vs. Laser Inconel 625 korroosiotestin jälkeen (3.5% NaCl) Laserpinnoitteen korroosiokesto vs. umpiaine, HVOF-pinnoite ja perusaine 100 0 Potential vs. Ag/AgCl (mv) -100-200 -300-400 -500-600 -700 Steel Fe 37 Wrought IN-625 alloy HVOF IN-625 Laser IN-625-800 0 50 100 150 200 Time /h) 12
Laserpinnoittettuja komponentteja - 1 Pakoventtiili Kartongin ohjaustela Lävistystyökalu Suutin 13
Laserpinnoittettuja komponentteja - 2 Kattilaputki Nokka-akseli Kuviointitela Syöttöruuvi Turbiinisiipi Laserpinnoittettuja komponentteja - 3 14
Laserpinnoittettuja komponentteja - 4 Pienten ja isompien komponenttien laserpinnoitus RST-putken päällepinnoitus (s=2mm) ø-kutistuma ~0.5mm Akselirenkaan Ø 1.5 m laserpinnoitus 15
Merivesipumpun akselin laserpinnoitus ruiskutuspinnoitteen korvaaminen laserpinnoitteella Korjauspinnoituksen vaiheet: vanhan pinnoitteen poisto ja koneistus alimittaan, laserpinnoitus täyttö- ja pintakerrosjauheella, koneistus lopullisiin mittoihin 16
17
Laser Application Laboratory Laser Competence Centre Finland Laser processes:: Laser coating (off-axis, co-axial) Laser hardening Laser welding Laser cutting Laser equipment: Haas HL 4006D - 4 kw CW Nd-YAG Rofin DL 060H2-6 kw HPDL Robots: Fanuc S-700-30 kg 5.3 m linear tray KUKA KR125/2 125 kg Turntable/rotation XY-table, Siemens 840D Other equipment: Laser power meter - Nd-YAG, CO 2,HPDL Laser beam analyser - Nd-YAG, CO 2,HPDL Powder feeder Medicoat Duo New lasers: pulsed fiber laser for micromachining (left), fiber-coupled diode laser for polymer welding & soldering (right) 18
KETEK s laser workstation Coating welding cutting Rofin DY044 laser power source diode pumped Nd:YAG laser 1064 nm, 4,4 kw 12 mm x mrad 2 (max. 4) fibers Control panel Computer control Component handling Laserline DioScan 150 Diode laser 150 W Polymer welding 19