izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2020-24-4-8-17izvestswsu-816Research ArticleМашиностроение и машиноведениеMechanical engineering and machine scienceИсследование процесса аддитивного формирования легкоплавких материалов с использованием твердотельного маломощного лазераStudy of the Process of Additive Formation of Low-Melting Materials by Means of a Low-Power Solid-State LaserКуцВ. В.KutsV. V.

Куц Вадим Васильевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vadim V. Kuts, Dr. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor Machine-Building Technologies and Equipment Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

kuc-vadim@yandex.ruМеркуловВ. С.MerkulovV. S.

Меркулов Вадим Сергеевич, аспирант, кафедра машиностроительных технологий и оборудования

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vadim S. Merkulov, Post-Graduate Student Machine-Building Technologies and Equipment Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

mikul46@yandex.ruГречухинА. Н.GrechukhinA. N.

Гречухин Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра машиностроительных технологий и оборудования

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander N. Grechukhin, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, MachineBuilding Technologies and Equipment Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

agrechuhin@mail.ruЮго-Западный государственный университетSouthwest State University202002022021244817Copyright © Куц В.В., Меркулов В.С., Гречухин А.Н., 20212021Куц В.В., Меркулов В.С., Гречухин А.Н.Kuts V.V., Merkulov V.S., Grechukhin A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/816

Цель исследования. Аппробация способа аддитивного формирования легкоплавких материалов, с применением твердотельного (иттербиевого) лазера низкой мощности (максимальная мощность 50 Вт). Проведены серии экспериментов, в результате которых были получены элементы режима формообразования, обеспечивающие формообразование изделий без полного расплавления материала построения с сохранением формы заготовки. Таким образом, была подтверждена возможность использования данного типа оборудования для формообразования аддитивным способом изделий из легкоплавких материалов, что является основой для дальнейших исследований на других материалах, а также дополнительного применения защитной атмосферы. Методы. Для проведения экспериментов были применены методы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных. Результаты. Подтверждена возможность использования лазера низкой мощности для поставленных задач. Получены диапазоны значений режимов формообразования, которые обеспечивают формирование аддитивным способом изделий из легкоплавких материалов методом частичного оплавления. Заключение. Проведенные экспериментальные исследования показали возможность применения твердотельного лазера низкой мощности для формообразования аддитивным методом изделий из легкоплавких материалов. Использование результатов данного исследования позволит проводить дальнейшие разработки формообразования аддитивным методом других металлов (таких, как медь или алюминий), для которых необходимо модернизировать оборудование в части создания защитной атмосферы в зоне расплава, а также увеличения мощности лазера.

Purpose of research. Testing a method for additive formation of low-melting materials through the use of a low-power solid-state (ytterbium) laser (maximum power 50 W). A series of experiments have been carried. As a result of those experiments, the elements of shaping mode have been obtained. They ensure the shaping of products without complete melting of the construction material while preserving the shape of a rough workpiece. Thus, the possibility of using this type of equipment for shaping products from low-melting materials in an additive way has been confirmed, which is the basis for further research on other materials, as well as the additional use of a shielding atmosphere. Methods. Methods of experiment planning and empirical data processing have been used for conducting experiments. Results. The possibility of using a low-power laser for the set tasks has been confirmed. Values ranges of shaping modes have been obtained, which ensure the formation of products made of low-melting materials by the partial melting technique through an additive method. Conclusion. The experimental studies have shown that a low-power solid-state laser can be applied for shaping products made of low-melting materials using an additive method. Applying the results of this study will allow further development of additive shaping of other metals (such as copper or aluminum), for which it is necessary to upgrade the equipment in terms of creating a shielding atmosphere in the melt zone, as well as increasing the laser power.

аддитивные технологииэксперименттвердотельный лазерплавлениелазерная наплавкаadditive technologiesexperimentsolid-state lasermeltinglaser surface coatingReferencesГригорьянц А. Г., Шиганов И.Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / под. ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. С. 641.Grigoryants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. Tekhnologicheskie protsessy lazernoi obrabotki [Technological processes of laser processing]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana Publ. Moscow, 2006. 641 p. (In Russ.).Югов В.И., Афанасьева Л.Е., Новоселова М.В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СО2 - лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. №11 (143). С. 19-22.Yugov V. I., Afanasyeva L. E., Novoselova M. V. Osobennosti formirovaniya struktury i mikrogeometrii poverkhnosti lazernykh naplavok s ispol'zovaniem mnogokanal'nogo CO2 - lazera [Features of formation of structure and microgeometry of the surface of laser surfacing using a multichannel CO2 laser]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings, 2016, no. 11 (143), pp. 19-22 (In Russ.).Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение, 1990. С. 316.Krylov K. I., Prokopenko V. T., Tarlykov V. A. Osnovy lazernoi tekhniki [Fundamentals of laser technology]. Leningrad, Mashinostroenie Publ.,1990. 316 p. (In Russ.).Лазерная наплавка как перспективный метод упрочнения штамповой оснастки / Ф. Бертранд, И. Мовчан, М.Н. Самодурова, Н.С. Джигун // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т.14. №2. С. 44-52.Bertrand F., Movchan I., Samodurova M. N., Dzhigun N. S. Lazernaya naplavka kak perspektivnyi metod uprochneniya shtampovoi osnastki [Laser cladding as a promising hardening method of stamping equipment]. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova = Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2016, vol. 14, no. 2, pp. 44-52 (In Russ.).Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных и исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. С.664.Lazernye tekhnologii obrabotki materialov: sovremennye problemy fundamental'nykh i issledovanii i prikladnykh razrabotok [Laser technologies of material processing: modern problems of fundamental and applied research and developments]. Edited by V. Ya. Panchenko. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 664 p. (In Russ.).Промышленная лазерная наплавка: современное состояние и тенденции / Е.М. Биргер, Г.В. Москвитин, А.Н. Поляков, В.Е. Архипов // Сварочное производство. 2009. № 9. С. 32-42.Birger E. M., Moskvitin G. V., Polyakov A. N., Arkhipov V. E. Promyshlennaya lazernaya naplavka: sovremennoe sostoyanie i tendentsii [Industrial laser surfacing: current state and trends]. Svarochnoe proizvodstvo = Welding Production, 2009, no. 9, pp. 32-42 (In Russ.).Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Чжан Цин. Формирование наплавленных слоев с использованием лазерного импульсно-периодического излучения // Сварочное производство. 2007. № 8. С. 18-21.Grigoryants A. G., Misyurov A. I., Zhang Qing. Formirovanie naplavlennykh sloev s ispol'zovaniem lazernogo impul'sno-periodicheskogo izlucheniya [Formation of deposited layers using laser pulse-periodic radiation]. Svarochnoe proizvodstvo = Welding Production, 2007, no. 8, pp. 18-21 (In Russ.).Технологические особенности формирования структуры лазерных наплавок с использованием излучения мощных волоконных лазеров / Р.Н. Корешков, В.Н. Петровский, П.С. Джумаев, В.И. Польский // Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. № 5. С. 30-34Koreshkov R.N., Petrovsky V. N., Dzhumaev P. S., Polsky V. I. Tekhnologicheskie osobennosti formirovaniya struktury lazernykh naplavok s ispol'zovaniem izlucheniya moshchnykh volokonnykh lazerov [Technological features of forming the structure of laser surfacing using high-power fiber laser radiation, metal Science and heat treatment of metals]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metal Science and Heat Treatment, 2014, no. 5, pp. 30-34 (In Russ.).Афанасьева Л.Е., Барабонова И.А. Лазерная и криогенная обработка быстрорежущей стали. Тверь, 2014. 96 с.Afanasieva L. E., Barabanov I. A. Lazernaya i kriogennaya obrabotka bystrorezhushchei stali [Laser and cryogenic treatment of high speed steel]. Tver, 2014. 96 p. (In Russ.).Структурные фазовые превращения в быстрорежущей стали при лазерной закалке с оплавлением поверхности многоканальным СО2-лазером / Л.Е. Афанасьева, И.А. Барабонова, Е.В. Ботянов [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 8 (104). С. 10-13.Afanasyeva L. E., Barabonova I. A., Botyanov E. V. et al. Strukturnye fazovye prevrashcheniya v bystrorezhushchei stali pri lazernoi zakalke s oplavleniem poverkhnosti mnogokanal'nym CO2-lazerom [Structural phase transformations in high-speed steel during laser quenching with surface reflow with a multi-channel CO2 laser]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings, 2013, no. 8 (104), pp. 10-13 (In Russ.).Югов В.И. Лазерное термоупрочнение – высокоэффективная технология ресурсосбережения // Лазер-Информ. 2008. № 23. С. 1-8.Yugov V. I. Lazernoe termouprochnenie - vysokoeffektivnaya tekhnologiya resursosberezheniya [Laser thermal strengthening - a highly efficient resource-saving technology]. Laser-inform = Laser-inform, 2008, no. 23, pp. 1-8 (In Russ.).Ion J.C. Laser processing of engineering materials: Principles, procedure and industrial application. Burlington: Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005. 576 p.Ion J. C. Laser processing of engineering materials: Principles, procedure and industrial application. Burlington, Elsevier Butterworth–Heinemann, 2005. 576 p.Thivillon L., Pervushin D., Bertrand Ph., Smurov I. Industrial technology of laser assisted direct metal deposition // International Thermal Spraying Conference (ITSC-2008), Maastricht, June 2-4, 2008.Thivillon L., Pervushin D., Bertrand Ph., Smurov I. Industrial technology of laser assisted direct metal deposition. International Thermal Spraying Conference (ITSC-2008), Maastricht, June 2-4, 2008.Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. Laser cladding. Boca Raton: CRS Pres, 2005. 280 p.Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. Laser cladding. Boca Raton: CRS Pres, 2005. 280 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.