26. Методика расчета режимов лазерной обработки для получения максимальной глубины упрочненного слоя.

Значительно реже, но все же возникает задача определения режимов лазерной обработки обеспечивающих максимальную глубину упрочненного слоя.

Изменение температуры на поверхности при z = 0 можно записать в следующем виде:

τ – приведенное время охлаждения

На термокинетической диаграмме (приводятся в соответствующих справочниках) обозначим точку касания критической скорости охлаждения с С-образной кривой Т_i, которая определяет температуру распада аустенита. Из этой диаграммы определяется время охлаждения Δt_i от температуры закалки Т_З до Т_i.

Из кривой охлаждения, представляющей собой зависимость нормированной (отнесенной к Т_ПЛ) температуры от времени, определяется приведенное время охлаждения Δτ_i. Зная эти времена можно определить время закалки как отношение

Таким образом, минимальное время t_З, обеспечивающее переохлаждение аустенита до начала мартенситного превращения, является максимальным временем действия лазерного излучения, при котором возможна автозакалка материалов.

Далее по известным зависимостям определяется , затемr₀, V, т.е. все необходимые режимы обработки.

Кроме обработки расфокусированным пучком широко применяется обработка сканирующим пучком.

27. Методика расчета режимов лазерной обработки сканирующим лучом.

Одним из основных требований ПО является получение равномерного по глубине упрочненного слоя и отсутствие дефектов на поверхности. Чтобы достичь таких результатов, необходимо применять однородный поверхностный источник тепла. Реальный лазерный луч как одномодовый, так и многомодовый не может обеспечить такой равномерный нагрев. С помощью специальных устройств сканаторов можно обеспечить однородно-распределенную интенсивность теплового источника по поверхности нагрева.

Расчет режимов при этом несколько усложняется. При этом необходимо от классической трехмерной задачи нагрева неограниченным движущимся источником тепла, перейти к одномерной тепловой задаче, дополнив ее комплексом параметров характеризующих сканирующий режим. Расчетная схема.

Глядя на эту схему пусть ЛП мощностью Р₀ и площадью поперечного сечения σ = πr₀² сканируют с частотой ƒ_СК по площади величиной S. При этом облучаемая деталь перемещается относительно лазерного луча со скоростью V. При сканировании луча на каждый участок облученной поверхности действует свой импульсно-периодический тепловой источник с интенсивностью I(t). Для упрощения расчета температур можно вместо нагрева зоны сканирующим лучом принять нагрев зоны S импульсно-периодическим лазерным пучком однородной интенсивности в пятне фокусирования σ. Общий вид теплового источника можно представить как последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых определяется отношением нагреваемой зоны S к площади пятна фокусирования σ:

G = S / σ

Такой тепловой источник можно представить в виде ряда

Будем считать, что поглощательная способность А, коэффициент температуропроводности и теплопроводности константы, значения которых принемаются усредненными для всего рассматриваемого температурного интервала. Тогда в силу линейности уравнения теплопроводности распределение температур можно записать:

что представляет собой температурную волну. Постоянная составляющая температурной волны определяется по известной зависимости:

где γ – поправочный коэффициент, зависящий от обобщенной скорости ξ и формы пятна фокусирования.

Для гармонического теплового источника, установившееся распределение температур для времени t > 1/f, принимает вид температурной волны:

Ввиду высокой скорости движения сканирующего луча коэффициент ξ достаточно велик поэтому γ = 1.

Общий вид температурных волн на различной глубине закаливаемой поверхности представлен на графиках.

Для получения стабильной глубины закалки вдоль упрочненной дорожки необходимо чтобы f_СК была не ниже некоторой критической частоты сканирования f_КР, при которой температурная волна практический полностью затухает на границе зоны закалки, т.е. при z = z_З.

В качестве критерия затухания тепловой волны целесообразно принять условие, что отношение амплитуды первой гармоники ряда к величине температуры, создаваемой постоянной составляющей теплового источника меньше какого-то условно-заданного значения ε:

Для характерных режимов закалки серого чугуна и углеродистой стали, зависимости критической частоты сканирования в зависимости от глубины закалки имеют следующий вид:

Температура нагрева при действии сканирующего теплового источника в среднем растет пропорционально и модулируется зависимостьюT_k(t) (тепловая волна). Максимальное значение температуры можно определить из зависимости:

Режим закалки со сканированием должен обеспечить необходимую глубину упрочненного слоя z_З при отсутствии на поверхности оплавленных участков, т.е. должно выполнятся условие

Т_max = Т_ПЛ

Т_З = Т₀

Чтобы можно было использовать зависимость для определения температуры от действия постоянной составляющей, частоту сканирования для заданной глубины закалки необходимо выбирать в соответствии с критерием ε или рисунком f_КР(z_З). При определении температуры закалки необходимо учитывать высокие скорости нагрева, которые существенно влияют на полноту аустенизации, значение диффузии углерода в решетке. С учетом скорости нагрева значение Т_З можно определить:

V_h – средняя скорость нагрева

k – коэффициент для стали k = 110 °С

D – коэффициент диффузии углерода в аустените

а₀ – половина среднестатистического расстояния между зернами цементита в перлите

Учитывая все приведенные выше соображения время действия теплового источника можно определить как:

Интенсивность теплового источника можно определить:

Из приведенных зависимостей видно, что при увеличении f до ∞ и уменьшении амплитуды сканирования (G → 1) все эти формулы принимают значения для постоянного движущегося теплового источника.

Конкретные параметры режима обработки со сканированием r₀, V и амплитуду сканирования d можно определить из следующих зависимостей:

V = 2r₀ / t_З

d = r₀(G – 1)

Оптимальность режима упрочнения со сканированием характеризуется производительностью обработки: