Лазерного упрочнения

Установлено» что металл в зоне лазерного воздействия характеризуется структурно-механической в химической (по углероду в мартенсите) неоднородностью вследствие возникновения градиента температур по глубине слоя, который обусловливает формирование областей полной и неполной заколки.

Показано, что после лазерной обработки содержание углерода в мартенсите, плотность дислокаций и микротвердость в зоне лазерного воздействия взаимосвязаны и определяются исходным состоянием стали, в также технологическими характеристиками процесса лазерной обработки.

Традиционно, решения линейных задач нагрева полуограниченного тела или пластины непрерывным излучением или импульсным периодическим тепловым потоком используются для качественных оценок зон лазерного воздействия, предельных плотностей тепловых потоков и скоростей нагрева-охлаждения на различных глубинах при термической обработке поверхностей. В литературе имеются аналитические решения нагрева непрерывным излучением и одиночным прямоугольным импульсом [1], в том числе и в пространственном расширении [2, 3], а также для гармонического теплового потока [3] я непрерывной последовательности 6-имнульсов (импульсы с очень большой скважностью) [3].

ческой лазерной обработки с частотой следования импульсов порядка 1 MHz при смещении пятна фокусировки от импульса к импульсу на 10—100 мкм. Для этих технологических режимов экранировка излучения очередных импульсов оптическим пробоем на фронте УВ от предыдущего лазерного воздействия на поверхность представляется наиболее существенной вероятной причиной срыва режимов обработки.

Создание технологии лазерной обработки основывается на последовательном анализе множества факторов. Исходным фактором является марка инструментальных сталей и сплавов. Затем оценивают влияние лазерного воздействия на изменение структуры, элементного и фазового состава модифицируемого материала. На следующем этапе устанавливается влияние лазерного облучения на изменение механических и триботехнических свойств. При разработке технологического процесса лазерной обработки, кроме того, учитывают изменение шероховатости обрабатываемой поверхности и теплостойкость инструментальных материалов.

Диапазон плотностей мощности лазерного воздействия определяется верхним и нижним пределами, которые связаны соответственно с началом плавления и отпуска материала. При обработке на оптимальном режиме достигается наибольший упрочняющий эффект и глубина модифицированного слоя. Следует отметить, что из-за различающихся химических составов модифицируемых сталей и сплавов, несоблюдения режимов предварительной термической обработки рекомендуется использовать образцы-свидетели для каждой партии облучаемых изделий. Образцы-свидетели необходимы для конкретизации режимов лазерного термоупрочнения и исключения разупрочняю-щих эффектов. Подбор режимов лазерного воздействия проводят, исходя из размеров обрабатываемого образца или изделия. При выборе схемы обработки и соответствующего технологического оборудования [145] (табл. 8.4) учитывают геометрию изделия и возможности локального термоупрочнения.

В зависимости от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения различают следующие стадии взаимодействия излучения с материалом при лазерной обработке: подвод лазерного излучения к материалу, поглощение светового потока и передача его энергии твердому телу, нагрев материала без видимого разрушения, расплавление материала, испарение и вымывание продуктов разрушения, остывание материала после окончания лазерного воздействия.

Для определения закономерности изменения температуры в зоне лазерного воздействия можно воспользоваться дифференциальным уравнением, описывающим распространение тепла в полубесконечном теле [42 J:

С целью выявления характера распределения легирующих элементов (в основном, карбидообразующих — W, V, Сг, Мо на рис. 9, а и С на рис. 9, б) в зоне воздействия лазерного излучения проводился электронно-зондовый микроанализ на установке фирмы «Сатеса». В результате анализа было установлено, что основные легирующие элементы стали Р6М5 распределены в зоне лазерного воздействия очень равномерно как по первому, так и по второму слою белой зоны.

Рис. 10. Микрофотографии зон лазерного воздействия на сталь Р6М5 в аргоне (а) и на воздух* (б).

В отличие от результатов, полученных в процессе легирования поверхности железа, при проведении экспериментов на образцах из стали ШХ15 в области воздействия лазерного излучения наблюдается образование трех явно выраженных зон. Одна из этих зон (наибольшая по объему) является твердым раствором легирующего элемента на основе железа. Затем расположены две ЗТВ: закалки и отпуска. Глубина зоны легирования также достигает 300—400 мкм. На характеристики обработанной поверхности большое влияние оказывает выбор легирующего элемента. Так, при легировании молибденом и титаном наблюдается значительно большее увеличение микротвердости в зоне лазерного воздействия, чем при легировании ниобием.

Лазерная термообработка позволяет повысить твердость материала на 20—30 % по сравнению с традиционными методами упрочнения и в несколько раз износостойкость. Рассматриваемый пример лазерного упрочнения межкамерных промежутков головки блока цилиндров двигателя автомобиля ЗИЛ-130, внедренного на Московском автомобильном заводе им. Лихачева, позволил повысить ресурс работы в2 раза. Материал головки блока алюминиевый сплав (рис. 18.5).

Рис. 8.14. Схемы лазерного упрочнения поверхности (сферическая

Повышение износостойкости деталей достигается: применением новых износостойких и коррозионно-стойких материалов (например, применение износостойкого сплава ИСЦ-1 увеличивает срок службы деталей в 20 раз по сравнению с традиционными материалами); защитой от абразивного воздействия (уплотнения); применением специальных смазок и присадок к смазочным материалам, позволяющим создать сервовитную пленку* на всех трущихся деталях («эффект безызносности»); применением плазменных износостойких и антикоррозионных покрытий; покрытий из алмазной пленки; газотермического напыления порошков из твердых сплавов; лазерного упрочнения**, вибрационного обкатывания (см. §2.5).

ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

В твердотельных лазерах в качестве активной среды используются твердые тела: рубин, специальное стекло, алюмоиттриевый гранат, вольфрамат кальция и др. Всего к настоящему времени разработано и испытано несколько десятков различных твердых сред, пригодных для создания твердотельных лазеров. Однако для целей упрочнения могут использоваться лишь те из них, которые обеспечивают генерацию лазерного излучения с определенными энергетическими и пространственно-временными характеристиками. В зависимости от вида используемой активной среды твердотельные лазеры могут работать в импульсном или в непрерывном режиме генерации излучения. При работе в импульсном режиме для реализации процессов упрочнения важны следующие параметры лазерного излучения: энергия в импульсе, длительность импульса, расходимость излучения, диаметр луча, частота следования импульсов. При реализации процесса шокового лазерного упрочнения важной характеристикой также является импульсная мощность излучения.

Для упрочнения может быть также использована установка «Квант-12». Она создана на базе лазера на алюмоиттриевом гранате. Установка работает в импульсном режиме с достаточно высокой частотой следования импульсов и большим диапазоном изменения длительности лазерного импульса. Скорость линейного лазерного упрочнения может достигать 200 мм/мин при коэффициенте перекрытия зон лазерного воздействия 0,7. Установка снабжена устройством

Секция лазерного упрочнения

ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Достоинство лазерного упрочнения заключается не только в возможности улучшения свойств поверхности детали при сохранении неизменными свойств основного ее материала, но и в высокой локальности его, т. е. в возможности обрабатывать только те участки по-веркности детали, которые нуждаются в упрочнении или изменении других свойств, и размеры которых строго ограничены эксплуатационными, эстетическими и прочими требованиями. Форма этих участков или упрочняемый профиль может быть довольно сложным. Поэтому возникает проблема разработки методов получения сложного профиля на упрочняемой поверхности.

Фокусирование с помощью сферической оптики. При таком способе фокусирования излучения зона лазерного воздействия в плане ограничивается окружностью диаметра Dn. После лазерного упрочнения детали обработанная поверхность представляет собой совокупность таких зон лазерного воздействия. При относительном перемещении обрабатываемой поверхности и луча ОКГ в системе координат XY обеспечивается получение различных технологических схем обработки, в частности, линейной и плоскостной.

При двухкоординатной контур но-лучевой обработке одним из основных параметров является шаг S относительного перемещения по оси X и шаг S' перемещения по оси Y. От соотношения этих шагов и размеров зоны лазерного воздействия зависит степень заполнения профиля. При этом возможны четыре схемы реализации процесса контурно-лучевого лазерного упрочнения материалов (рис.38) [21]. Основное отличие схем, приведенных на рис. 38, а, б, от схем, показанных на рис. 38, б, г, заключается в том, что при реализации последних обеспечивается смещение по горизонтали центров зон ла-