Промышленное применение лазеров

нительной оценки покрытий использовать критерий эффективности поглощения излучения г|п = hn / h6, где hn и Ьб - глубина зоны терми­ ческого влияния соответственно с покрытием и без него, то ряд предпочтительности покрытий будет иметь следующий вид:

Поверхность без покрытия имеет г|п= 1.

Однородность и толщина покрытия являются важными факто­ рами обеспечения качественного упрочнения. Оптимальная толщина покрытия - 20-^50 мкм. Слишком тонкое покрытие снижает глубину упрочнения вследствие быстрого испарения, увеличение же толщины выше указанных значений приводит к неоднородности результатов обработки - образованию как оплавленных, так и недостаточно про­ гретых участков поверхности.

Лазерное легирование отличается от обычного лазерного уп­ рочнения тем, что повышение твердости и других эксплуатационных показателей достигается не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания но­ вого сплава с отличным от матричного материала химическим соста­ вом (рис. 4.8). Тем не менее в основе этого нового сплава лежит мат­ ричный материал.

При лазерном легировании для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твердая). Технологические закономерности процесса ла­ зерного легирования зависят от способа подачи в зону обработки ле­ гирующего состава, вида легирующего элемента (элементов), свойств матричного материала. Существуют следующие способы подачи леги­ рующего элемента (среды) в зону лазерного воздействия:

- нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабаты­ ваемую поверхность;

Ра сп л а вл ен н ы й

мет а л л

Леги р ую щ а я

обм азка

Рис. 4.8. Схема процесса лазерного легирования

-обмазка поверхности специальным легирующим составом;

-легирование в жидкости (жидкой легирующей среде);

-накатывание фольги из легирующего материала на обрабаты­ ваемую поверхность;

-легирование в газообразной легирующей среде;

-удержание ферромагнитных легирующих элементов на мат­ ричной поверхности магнитным полем;

-электроискровое нанесение легирующего состава;

-плазменное нанесение покрытия;

-детонационное нанесение легирующего состава;

-электролитическое осаждение легирующего покрытия;

- подача легирующего состава в зону обработки синхронно с лазерным излучением.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют целесообразность его использования в конкрет­ ном случае.

Российские (В.С. Коваленко, Ю.М. Лахтин, Д.Я. Коган) и зару­ бежные ученые, работающие в области лазерного легирования, указы­ вают на перспективность легирования композициями, обеспечиваю­ щими комплексное насыщение карбидообразующими элементами со­ вместно с углеродом, а также бором в свободном или связанном

состоянии, что позволяет получить слои, обладающие высокой износо- и теплостойкостью.

В результате лазерного легирования на обрабатываемой по­ верхности образуется новый сплав, отличный по составу и структуре от матричного материала.

Максимальная концентрация К2 элемента в облученной зоне может быть определена из соотношения

vl + v2

где К\ - концентрация элемента в покрытии; V\ - объем покрытия; V2- объем расплава.

Вследствие расплавления материала шероховатость легирован­ ной поверхности обычно велика, поэтому после этой операции тре­ буется финишная (абразивная) обработка. Припуск на такую обра­ ботку обычно составляет до 0,4 мм.

Одним из наиболее ценных преимуществ лазерного легирова­ ния является возможность получения покрытий целевого или много­ целевого назначения, которые невозможно или экономически неце­ лесообразно получать другими способами.

Лазерная наплавка (напыление) позволяет нанести на поверх­ ность обрабатываемого материала слой другого материала, улуч­ шающий эксплуатационные характеристики основного.

В отличие от легирования при лазерной наплавке матричный материал может находиться лишь в небольшом слое между матрицей и наплавленным слоем, который служит связующей средой. Наплав­ ленный же слой существенно отличается от матричного материала.

Типичная толщиня наплавляемого слоя при лазерной обработке составляет от 0,1 до 3 мм при средней мощности лазерных установок до 5 кВт. Для получения более толстых наплавляемых слоев приме­ няются методы послойной наплавки.

Процессы локального легирования и наплавки реализуются с помощью как импульсного, так и непрерывного излучения по тем же схемам, что и обычное лазерное упрочнение.

Одна из разновидностей лазерного упрочнения - аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного облучения (очень корот­ ким импульсом или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование металлических стекол (метгласса) или аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая твердость, коррозионная стойкость, улучшен­ ные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной амортизации можно осуществить при обработке сплавов специальных составов (в том числе и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых спе­ циальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным материалом склонны к аморфизации.

Шоковое упрочнение имеет место при воздействии на материал мощного импульса излучения наносекундной длительности. Предва­ рительно на материал наносится тонкий слой легкоплавкого металла. Воздействие мощного импульса вызывает взрывообразное испарение легкоплавкого металла, что приводит к возникновению импульса от­ дачи, в свою очередь генерирующего мощную ударную волну в материале. В результате происходит пластическое деформирование материала, а при нагреве поверхностного слоя - и соответствующие изменения в структуре.

Первые четыре вида поверхностной лазерной обработки к на­ стоящему времени получили наибольшее распространение. Для прак­ тической реализации аморфизации и шокового упрочнения требуются дополнительные исследования. Все виды обработки можно осущест­ вить с помощью как импульсного, так и непрерывного излучения, причем упрочнение без фазового перехода более пригодно для преци­ зионной обработки поверхностей сравнительно небольших размеров, производительность процесса ограничивается сравнительно невысо­

кой частотой следования импульсов выпускаемого оборудования. Не­ прерывное излучение позволяет производить обработку с высокой производительностью поверхностей больших размеров.

Особенности поверхностной лазерной обработки при импульсном и непрерывном лазерном облучении

К технологическим характеристикам упрочнения импульсным излучением относятся размерные параметры (диаметр единичной зоны упрочнения, ширина линейного упрочнения, глубина упроч­ ненной зоны), степень упрочнения (микротвердость), шероховатость обработанной поверхности и др. На эти характеристики влияют вид обрабатываемого материала, схема обработки, энергетические пара­ метры облучения, эффективность поглощения излучения, среда и т.п.

При фокусировании излучения сферической оптикой облучен­ ная зона в плане имеет вид круга диаметром D. Тогда в случае одно­ координатной (линейной) обработки скорость упрочнения определя­ ется из выражения

пРКа 0*„v,

т

где / - длина участка упрочнения; т - время обработки; п - число им­ пульсов; Кп - коэффициент перекрытия; v - частота следования им­ пульсов.

При двухкоординатной обработке основными параметрами яв­ ляются шаг s относительного перемещения по оси х и шаг s' переме­ щения по оси у От соотношения этих шагов и диаметра зоны облу­ чения зависят степень заполнения (упаковки) профиля, эффектив­ ность процесса. Обработка может быть реализована по одной из четырех схем (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Схемы поверхностной обработки импульсным излучением

Эффективность обработки по схеме характеризуется коэффи­ циентом использования импульсов Кн, который определяется из со­ отношения

К.. - 4F' rmD2

где F' - площадь облученной поверхности.

Производительность процесса двухкоординатной обработки П = nD K v

Шероховатость обработанной поверхности при упрочнении в режиме проплавления зависит от схем обработки, коэффициента перекрытия, уровня плотности мощности излучения. Так, минималь­ ная шероховатость имеет место при 0,6 > К„ > 0,8. Низкая шерохова­ тость поверхности достигается при невысоких плотностях мощности излучения (для стали, например, q = 50-ь100 кВт/CM2). Однако следует учитывать, что при малой плотности мощности обеспечиваются и не­ большие размеры зоны упрочнения.

Для выбора режимов упрочнения импульсным излучением можно пользоваться номограммами, построенными на основании экспериментальных исследований.

Закономерности упрочнения сталей непрерывным излучением во многом подобны рассмотренным закономерностям обработки им­ пульсным излучением. Параметры (ширина дорожки, площадь уп­ рочненной зоны, глубина упрочнения) степень упрочнения, шерохо­ ватость обработанной поверхности зависят как от плотности мощно­ сти излучения и скорости обработки, так и от вида обрабатываемого материала.

Наиболее распространенная схема обработки - однодорожеч­ ное упрочнение. В зависимости от траектории перемещения луча или закона перемещения заготовки конфигурация упрочненного участка поверхности может иметь различный вид. Производительность П обработки зависит от скорости V относительного перемещения луча и поверхности, а также от ширины зоны В: П = VB. Если же парал­ лельно наносится несколько дорожек упрочнения, то производитель­ ность также зависит от их числа и коэффициента перекрытия или шага обработки. Возможна также обработка сканирующим излуче­ нием с амплитудой А сканирования. Тогда производительность об­ работки будет зависеть от величины А и скорости перемещения заго­ товки V: П = AF.

Наибольшее влияние на изменение размерных параметров уп­ рочнения оказывает плотность мощности излучения. С увеличением плотности мощности растет глубина ЗТВ, что связано с ростом под­ водимой к материалу удельной энергии. Скорость обработки очень сильно влияет на размерные параметры упрочнения. С ростом скоро­ сти относительного перемещения излучения и обрабатываемой по­ верхности снижаются как глубина, так и ширина упрочненной зоны. При выборе режимов обработки для ориентировочной оценки глуби­ ны упрочненного слоя можно использовать теоретические зависимо­ сти, полученные на основе решения уравнения теплопроводности для определенных условий облучения.

Большое влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает скорость обработки. При малых значениях скорости шеро­

ховатость довольно велика (Rz «20 мкм), однако с увеличением V шероховатость снижается (при V= 8 м/мин Rz «5-^-8 мкм).

Во многих случаях для выбора режимов обработки устанавлива­ ются экспериментальные зависимости, позволяющие в практических условиях для конкретных материалов оценить параметры процесса, которые могут быть представлены в виде номограмм. Исходными данными для номограммы являются требуемые микротвердость и глубина упрочненного слоя. В качестве энергетического параметра используется плотность энергии излучения.

По диаметру пятна фокусирования du и времени / воздействия излучения определяется скорость V относительного перемещения луча и обрабатываемой поверхности. С помощью номограммы мож­ но решить и обратную задачу: по заданным энергетическим парамет­ рам излучения и скорости обработки определить глубину и твердость упрочненного слоя.

Типовые операции лазерной поверхностной обработки

Наиболее широкая область применения лазерной поверхност­ ной обработки - инструментальное производство, например изготов­ ление и эксплуатация режущего инструмента, элементов штамповой оснастки.

Лазерное упрочнение позволяет снизить в З-Ч- раза износ инст­ румента путем повышения его поверхностной твердости при сохра­ нении общей высокой динамической прочности, повышения тепло­ стойкости, снижения коэффициента трения пары режущий инстру­ мент-заготовка. Упрочнение может проводиться по передней или задней поверхности, а также одновременно по двум поверхностям.

Внедрение технологии лазерного упрочнения инструмента из сталей с пониженным содержанием вольфрама позволяет помимо повышения его стойкости значительно сократить расход дефицитной быстрорежущей стали.

Лазерное упрочнение приводит к повышению износостойкости штампов в 2 раза и более. Упрочнение пуансонов обычно проводится

по боковым поверхностям. При этом возможна многократная переточ­ ка пуансонов. При упрочнении по передней поверхности после оче­ редной переточки кромки требуется повторная лазерная обработка.

Эффективно применение лазерного излучения для машин горно­ добывающей промышленности с целью повышения работоспособности породоразрушающего инструмента. Здесь применение лазерной обра­ ботки приводит к росту износостойкости резцов комбайнов в 2^-3 раза.

Лазерная поверхностная обработка широко применяется с це­ лью повышения долговечности, надежности деталей различных ма­ шин и приборов во многих отраслях промышленности: химическом машиностроении, автомобильной промышленности, судостроении, авиастроении и т.д.

В авто- и тракторостроении лазерное упрочнение применяется для повышения износостойкости распредвалов, коленвалов, шесте­ рен заднего моста, рабочих поверхностей клапанов, клапанных се­ дел, поршневых канавок, компрессионных колец, рычагов и других деталей. В нефтепромысловом оборудовании лазерное упрочнение применяют для повышения усталостной прочности резьбовой части замковых соединений.

Высоко эффективна лазерная поверхностная обработка для по­ вышения износостойкости внутренних рабочих участков длинномер­ ной направляющей балки линий производства полимерной пленки (рис. 4.9). Возможность локального упрочнения лазерным излучени­ ем позволила отказаться от объемной термообработки, вызывающей значительные деформации и поэтому требующей дополнительной механической обработки (с назначением соответствующих припус­ ков) для их устранения.

Рис. 4.9. Схема лазерного упрочнения внутренних рабочих участков А, В длинномерной направляющей балки: 1 - балка; 2 - линза; 3 - излучение; 4 -зеркало; А, Б -зоны лазерного воздействия

Эксплуат ационны е показат ели м ат ериалов

после лазерной поверхност ной обработ ки

Лазерная поверхностная обработка вызывает улучшение мно­ гих эксплуатационных характеристик облученных материалов. Спе­ цифическая топография обработанной поверхности, которая харак­ теризуется образованием «островков» разупрочнения, служащих своеобразными демпферами для возникающих структурных и терми­ ческих напряжений, а также «карманами» для удержания смазочного материала, позволяет существенно повысить износостойкость мате­ риала вследствие значительного уменьшения коэффициента трения (порой до 2 раз).

У большей части конструкционных сталей и сплавов наблюда­ лось увеличение износостойкости после лазерной обработки в 3^-5 раз.

Такие механические свойства, как предел прочности а в, удар­ ная вязкость КС, после лазерного облучения несколько снижаются,