УДК 621.326

ЛАЗЕРНЕ ФОРМОУТВОРЕННЯ ПРОСТОРОВИХ МЕТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ.

1. Аналіз переваг та недоліків ЛФ порівняно з класичними методами (обробка тиском)

2. Аналіз факторів, що впливають на процес ЛФ

3. Механізм ЛФ

4. Схеми ЛФ (однопроменева, двопроменева, з примусовою деформацією)

5. Теплова модель процесу ЛФ

6. Експериментальне дослідження процесу ЛФ. Явище постдеформації у вуглецевих сталях.

1. Аналіз переваг та недоліків лф порівняно з класичними методами (обробка тиском)

Традиційно для надання листовим матеріалам просторової конфігурації використовується обробка тиском. Це, зокрема, обробка в згинальних та витяжних штампах. Зазначені технології цілком успішно справляються з формуванням деталей з невеликою кількістю згинів. Однак ці види обробки стикаються з цілим рядом проблем коли необхідно сформувати вироби складнішої конфігурації, або ж вироби виготовлені з пружних, крихких матеріалів. Також при обробці листів значної товщини необхідно використовувати надпотужне крупно габаритне обладнання, застосування якого пов’язане з суттєвими енергетичними та економічними затратами. Окрім того, існує явище зворотного ефекту, що погіршує точність обробки, можливе потоншення матеріалу в зоні обробки та не достатня стійкість до розгинання.

Задля уникнення згаданих проблем почали розвиватися способи тепло-деформаційного формоутворення (ТДФ) за допомогою локального лінійного нагрівання. В цих методах використовують різні джерела теплової енергії, зокрема – високочастотне індуктивне нагрівання, обробка зварювальною дугою, обробка факелом газового пальника та обробка лазерним променем. Ці способи формоутворення мають ряд переваг над класичними, з поміж іншого, їх використання призводить до локального потовщення в місці згинання (в класичних відбувається потоншення), що посилює конструкцію і дозволяє конструкторам використовувати листи меншої товщини. Окрім того слід також відзначити легку автоматизованість процесу. Однак, способи ТДФ також мають певні недоліки, пов’язані з визначенням величини теплової енергії та місцем її прикладання для отримання потрібної форми, а також певні проблеми з повторюваністю результатів.

Використання штампового інструменту для надання просторової форми листовим матеріалам використовується тривалий час і є класичним. Однак, його застосування пов’язане з цілим рядом проблем:

• Наявність зворотного пружного ефекту після зняття робочого навантаження, що призводить до зниження точності формування та ускладнює монтаж виробів.

• Викликає стоншення матеріалу в зоні обробки, що послаблює міцність виробу та зумовлює необхідність вибору конструктором листового матеріалу більшої товщини. Що, в свою чергу призводить збільшення енергетичних затрат на деформування, збільшення вартості матеріалу, підвищення загальної ваги конструкції.

• Не достатня стійкість сформованої деталі на зворотне розгинання, що негативно позначається на експлуатаційних характеристиках виробів.

• Обмеженість можливості формування малих поличок (<6мм), що обмежує номенклатуру виробів.

• Складність формування жорстких, пружних матеріалів. Вимагає додаткової термічної обробки.

• Складність формування листів значної товщини. Вимагає високо потужного високовартісного крупно габаритного обладнання

2. Аналіз факторів, що впливають на процес лазерного формоутворення

Кінцева просторова конфігурація виробу, при лазерному формоутворенні, обумовлена величиною, знаком та характером розподілу залишкових деформацій. Такі деформації виникають в результаті локальної зміни об’єму матеріалу.

В матеріалах, в яких не відбуваються структурно-фазові перетворення

Рис.1 Фактори, що впливають на кінцеву конфігурацію виробу при лазерному формоутворенні.

протягом циклу нагрівання-охолодження, наприклад в нержавіючих сталях аустенітного класу, зміна об’єму відбувається під дією тільки термічного впливу. Тобто, з початку, при лазерному опроміненні відбувається збільшення локального об’єму нагрітого металу і наступне його ущільнення, оскільки розігрітий метал стає пластичним і знаходиться в оточенні холодних шарів матеріалу основи. На етапі охолодження відбувається зменшення об’єму ущільненого металу, в наслідок чого в цій зоні утворюються залишкові напруження розтягу. Якщо вони по величині перевищують межу пружності матеріалу, то спостерігається його деформація назустріч лазерному променю.

В матеріалах, де такі перетворення при певних умовах мають місце , наприклад у вуглецевих сталях, зміна об’єму може відбуватися не тільки за рахунок термічного впливу, але ще і в наслідок структурно-фазових, зокрема мартенситних, перетворень. Збільшення об’єму матеріалу опроміненої зони, обумовлене мартенситними перетвореннями, супроводжується формуванням залишкових напружень стиснення. Таким чином, в цих матеріалах напружено-деформований стан опромінених ділянок є результатом двох конкуруючих процесів. Можна передбачити, що вплив на кінцевий напружений стан виробу напружень, обумовлених структурно-фазовими перетвореннями значно менший ніж напружень, обумовлених термічним впливом. Це означає, що наявність структурних залишкових напружень буде викликати тільки зменшення величини деформації, обумовленої термічними напруженнями. Для зміни напрямку деформації, що було б дуже корисним для розширення можливостей керування процесом формоутворення, треба збільшити питому вагу дії залишкових напружень стискання. Така можливість існує, як що застосувати додаткове механічне пластичне деформування матеріалу на етапі охолодження після лазерного нагрівання.

Процеси, що відбуваються в матеріалі, обумовлені величиною температури та швидкістю охолодження в зоні обробки. Фактори, що впливають на величину цих параметрів можна розділити на три групи. Перша група факторів характеризує матеріал, друга - описує характеристики лазерного випромінювання, третя – фактори, які віддзеркалюють умови взаємодії лазерного випромінювання з матеріалом, рис.1.

Встановлення зв’язків між наведеними факторами і параметрами, їх формалізація дозволять керувати процесом лазерного формоутворення складних листових виробів.