5.4. Высокопроизводительная прецизионная лазерная резка

Лазерное разделение материалов основано на следующих процессах, возникающих вследствие теплового воздействия излучения: испарение материала, плавление и удаление расплава из зоны реза, некоторые химические реакции (горение) и управляемое термораскалывание [23].

При лазерной резке металлов в режиме испарения используются высокие плотности мощности (10⁷-10⁸ Вт/см²), обеспечивающие интенсивное испарение металла в зоне действия луча и последующее удаление продуктов реза в виде пара или конденсата. Такой процесс резки обеспечивается импульсно-периодическими лазерами.

При резке многих неметаллических материалов органического происхождения (пластмассы, полимерные массы, ткани и др.) режим испарения достигается при значительно меньших плотностях мощности (10⁴ Вт/см²), что позволяет эффективно применять для их резки непрерывное излучение.

Лазерная резка обеспечивает эффективные результаты, экономически оправданные при резке металлов толщиной до 10 мм и неметаллических материалов толщиной до 30-40 мм. Наиболее перспективно использование этого процесса при получении деталей сложной конфигурации небольших партий.

5.5. Лазерная сварка

Лазерный луч обладает наибольшей концентрацией энергии по сравнению с известными традиционными тепловыми источниками нагрева, используемыми при сварке. Вследствие этого объем сварной ванны при лазерной сварке весьма мал, что позволяет получать узкие сварочные швы с глубоким проплавлением. По сравнению с электронно-лучевой сваркой, также обеспечивающей высокую концентрацию энергии, лазерная сварка осуществляется в воздушной атмосфере либо в среде защитных газов, и при этом не требуются вакуумные камеры, т.е. лазерная сварка может быть использована для сварки любых крупногабаритных конструкций без ограничения из размеров [23].

Высокая концентрация энергии лазерного излучения обеспечивает малые размеры зоны нагрева при сварке и соответственно значительное уменьшение ширины зоны пластических деформаций по сравнению с таким распространенным способом сварки, как дуговая. Это приводит к снижению остаточных деформаций.

Лазерная сварка применяется:

- при получении прецизионной конструкции, форма и размеры которой практически не должны изменяться в результате сварки;

- для значительного упрощения технологии изготовления сварных конструкций, когда сварка выполняется в виде заключительного процесса без последующих операций правки либо механической обработки для достижения требуемой точности;

- для существенного увеличения производительности процесса сварки;

- при сварке крупногабаритных конструкций малой жесткости с труднодоступными швами;

- для соединения трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных.

5.6. Контроль качества сварных соединений

Контроль качества сварных соединений включает [24]:

- контроль металлургических и физико-механических свойств основного и присадочного металла при различных видах сварки в соответствии с требованиями ГОСТов;

- контроль за выполнением технологического процесса (подготовки соединений к сварке, требований режима, последовательности наложения швов, применения подогрева и т.д.);

- визуальный осмотр;

- выборочный контроль механических свойств типовых деталей;

- физические методы контроля качества сварных соединений без разрушения.

Физические методы контроля имеют исключительно актуальное значение в реакторостроении, котлостроении, химической аппаратуре, газопроводах, в транспортной, судовой и авиационной технике, в ответственных машиностроительных и строительных конструкциях, в частности, в мостах, стыках рельсов железнодорожного транспорта и в других объектах народного хозяйства.

Наиболее широко применяются методы контроля без разрушений.

Из числа радиационных наиболее распространены в производстве радиографические методы контроля при помощи рентгеновского и гамма-излучения. Рентгенография применяется преимущественно в цеховых условиях при весьма жестких требованиях по контролю. Гаммаграфия распространена при контроле качества соединений больших толщин, а также в монтажных условиях.

Радиоскопический метод ионизирующим излучением позволяет обнаруживать внутреннюю структуру соединений просвечиванием непосредственно на экран. Он менее чувствителен, чем радиографический. Радиометрия также позволяет получать информацию о внутреннем строении металла при просвечивании ионизирующим излучением.

Применение радиографического метода является обязательным для ряда объектов: реакторов, котлов, газопроводов северного исполнения. Чувствительность радиографического контроля – до 2 %. О качестве металла и соединения выдается документ.

Магнитные методы контроля основаны на регистрации взаимодействия магнитных полей с контролируемыми объектами. При магнитографическом методе контроля детали намагничиваются постоянным током. В зонах изменения геометрии, появления дефектов происходит искажение положений магнитных линий. При магнитопорошковой дефектоскопии поверхности намагниченного объекта покрываются ферромагнитным порошком. Под действием магнитных сил порошок располагается по направлению магнитных силовых линий и скапливается над дефектом. Магнитопорошковый метод отличается наглядностью и простотой. Этим методом обнаруживаются трещины, расслоения, выходящие на поверхность или расположенные близко от нее.

Ультразвуковой контроль является одним из надежных и тонких методов выявления дефектов в материале, соединениях. Ультразвуковые методы контроля основаны на возбуждении и вводе различных типов акустических волн в изделия и анализе сигналов, получаемых от дефектов.

Результаты диагностики должны быть тесно связаны с дефектологией, устанавливающей степень опасности дефектов для несущей способности.

6. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ

СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

6.1. Влияние состояния поверхностного слоя

на качественные характеристики изделий

Неоднократно отечественными и зарубежными учеными и практиками доказана справедливость утверждения, что качество изделия заложено в поверхностном слое детали [25]. Действительно, долговечность работы изделия существенно зависит от того, как быстро или медленно изнашиваются различные трущиеся поверхности, как быстро или медленно возникают и развиваются трещины, особенно при знакопеременных нагрузках, т.е. долговечность зависит от качества поверхностного слоя детали.

Уже издавна для получения высокого сопротивления износу в машиностроении применялась химико-термическая обработка поверхностей низкоуглеродистых сталей при диффузионном насыщении на глубину менее 1 мм.

С возрастающим применением высокопрочных материалов все большую актуальность приобретают вопросы трещиностойкости (сопротивление усталости). Установлено, что на трещиностойкость высокопрочных сталей влияние оказывает ряд факторов, связанных с состоянием поверхностного слоя детали. К их числу относят:

- локальную коррозию;

- дефекты микроструктуры;

- границы зерен;

- остаточные напряжения;

- участки концентрации напряжений;

- пластическую деформацию;

- изменения, вызванные механической доводкой поверхности материала.

Для улучшения трещиностойкости обработка поверхности проводиться так, чтобы устранить нарушения сплошности, царапины, коррозионные пятна, снять неблагоприятные напряжения и создать напряженный поверхностный слой, характеризующийся действием сжимающих напряжений. Обеспечить указанные условия позволяет широко применяемый в машиностроении механический метод поверхностного пластического деформирования, который реализуется в виде обдувки дробью и стальными шариками, обкатывания шариками и роликами, выглаживания, чеканки и др.

Эффективными методами, которые значительно позволяют расширить возможности технологов воздействовать на характеристики поверхностного слоя материала, являются разработанные электронно-лучевые и ионно-плазменные методы: ионная имплантация и обработка лазерным лучом, плазменное напыление поверхностного слоя, ионная химико-термическая обработка. Эти методы включают в себя большие возможности по улучшению сопротивления зарождению трещин у высокопрочных сплавов, по повышению износостойкости и коррозионной стойкости.