39. Механизм лазерного упрочнения металлов.

При лазерном нагреве ввиду его локальности, а значит большого градиента температур, обеспечиваются скорости охлаждения за счет электронной теплопроводности значительно превышающие и составляют 10⁵ – 10⁶ °С/с, т.е. при таких скоростях охлаждения можно термический закаливать даже малоуглеродистые стали, которые обычно не закаливаются сталь 10, сталь 20 и др.

Мартенситное превращение, протекающее при таких скоростях охлаждения, имеет определенные особенности:

1. ввиду того, что при таких скоростях охлаждения практический полностью подавляется диффузия углерода, образующийся пересыщенный раствор углерода в α-Fe (мартенсит) имеет увеличенную степень тетрагональности решетки, а значит увеличенные внутренние напряжения, а значит и повышенную твердость;

2. мартенситные пластины (иглы) имеют разупорядоченную в пространстве ориентацию. Поскольку пластическая деформация это движение дислокаций, то и дислокации, располагаясь по границам зерен, имеют также сложную пространственную конфигурацию. Ввиду этого движению дислокаций при пластической деформации препятствуют границы зерен, т.е. имеет место упрочнение;

3. в легированных сталях или сплавах легирующие элементы всегда располагаются по границам зерен. Поскольку высокие скорости охлаждения способствуют формированию высокодисперсной и даже ультрадисперсной структуры, то происходит перераспределение легирующих элементов и равномерность их распределения на порядок становится выше (в среднем величина зерна 0,1…0,5 мкм);

4. поскольку сплавы являются многокомпонентными, многофазными, а каждая фаза имеет свои теплофизические свойства, в том числе коэффициент объемного температурного расширения, то при скоростном цикле "нагрев-охлаждение" в результате быстрого расширения и сжатия фазы испытывают наклеп (упрочнение за счет пластичного деформирования).

Все названные процессы, особенности и представляют собой механизм лазерного упрочнения материала.

40. Применение сканирующих систем при лазерной поверхностной обработке. Достоинства, недостатки, конструкции.

Устройства сканаторы

Основным недостатком такой конструкции является:

1. большая инерционности системы, масса зеркала ограничивает частотные возможности;

2. в крайних положениях будет иметь место нулевая скорость движения луча, что вызывает неравномерность распределения интенсивности и температур.

Последнее можно исключить, применяя в качестве отклоняющего зеркала плоское зеркало, вращающееся вокруг оси отличной от оси симметрии на угол α. В этом случае траектория движения луча имеет форму эллипса. Предельные случаи окружность и линия.

Недостаток: непроизводительные затраты энергии излучения на двойной нагрев при движении по эллипсу. Однако в некоторых случаях, например, при наплавке или микролегировании, для снижения термических напряжений и исключения образования трещин такой повторный нагрев целесообразен.

Сканаторы на базе гальванометров

Сканаторы такого типа наиболее эффективны поскольку позволяют реализовать однокоординатное, двухкоординатное и даже трехкоординатное перемещение ЛП практический на любую амплитуду и с достаточно большой частотой (до кГц). Основной недостаток – возможности сканаторов зависят от массы отражающих зеркал.

Сканаторы на базе гальванометров при ПО применяются для формирования пятна фокусирования различной формы и размеров с равномерным распределением интенсивности. Ограничение – сканирование мощных ЛП.

Сканатор типа вращающийся зеркальный лепестковый диск

Сканатор представляет собой вращающийся фланец, в кольцевой выточке которого размещены на радиальных осях n-секторных медных зеркал.

При этом каждое зеркало имеет возможность поворота вокруг радиальной оси на определенный угол Δφ. Угол поворота определяет амплитуду сканирования. В зависимости от положения зеркал относительно плоскости фланца можно получить различные законы сканирования (зеркала повернуты в одну сторону – закон сканирования штрихи; соседние зеркала развернуты в противоположные стороны – закон сканирования пила).

Основное достоинство:

1. отсутствие колебательных движений, остановок;

2. большие частотные возможности, которые определяются частотой вращения диска и количеством секторных зеркал;

3. при относительном движении падающего луча и фланца с зеркалами в момент изменения траектории движения пучок делится на две части, по этому в крайних точках амплитуды плотность мощности не нарастает, а снижается, т.е. исключается характерное оплавление.