Область применения и методы термической лазерной обработки материалов

Наибольшее применение лазерная технология получила при термоупрочнении сталей и чугунов. При этом лазерную закалку чаще осуществляют локальными участками, т.е. там, где это необходимо. В случае, если необходима обработка большой поверхности применяют сканаторы, которые обеспечивают осцилляцию луча по поверхности с достаточно большой скоростью. С целью повышения производительности обработки часто осуществляют закалку полосами. Производительность лазерной обработки достигает 3,5 м² /ч.

Параметры технологического процесса обычно подбираются экспериментально. При этом плотность энергии и мощности излучения не должны превышать значений, при которых возникает плавление и, тем более, испарение материала. Иногда допускается незначительное оплавление материала.

Для повышения эффективности лазерной обработки (т.е. снижения W_s) применяют различные поглощающие покрытия для уменьшения отражения лазерного излучения.

Твердость поверхности после лазерной обработки возрастает в 1,2-2 раза в зависимости от марки стали и чугуна. При этом она оказывается выше, чем в случае применения других методов термообработки.

 

Распределение твердости по глубине материала после лазерной закалки имеет вид,

показанный на рисунке:

Материал - сталь 40

R _с - твердость по Роквеллу

r_c°= 40 - твердости основного материала, (начальная твердость)

h - глубина

h₃ -толщина закаленного слоя

При неизменной плотности мощности лазерного излучения твердость закаленного слоя изменяется несущественно при изменении скорости закалки в широких пределах. Но при этом существенно изменяется толщина закаленного слоя. Качественная связь между S+ и h₃ показана графически на рис.:

Благодаря повышению твердости материала после лазерной обработки существенно повышается износостойкость поверхности: в 2 - 4 раза, по данным фирмы General Motors, износостойкость может быть увеличена в 10 раз.

Термическую лазерную обработку можно применять не только для сталей, но также для алюминиевых и других цветных сплавов. Например, при обработке поршневого алюминиевого сплава импульсным лазерным излучением при tи = 10 ^Зс, W_s = 360 - 380 Дж/см² твердость материала выросла в 1,8-2 раза, глубина закаленного слоя составила h₃⁼ 0,2 - 0,3 мм.

Химико-техническая лазерная обработка.

При химико-технической лазерной обработке на обрабатываемую поверхность наносят различные материалы в виде порошков, паст, содержащих легирующие элементы, или создается легирующая газовая среда. При лазерном облучении обрабатываемой поверхности происходит плавление, взаимное перемешивание материалов, диффузия легирующих элементов, химические реакции. В результате этих процессов происходит изменение структуры на поверхности материала: повышается твердость, износостойкость, термостойкость, улучшаются антикоррозийные свойства. В качестве легирующих элементов используют вольфрам, хром, бор, азот, медь и др.

Вставка 1. Легирование неметаллическими компонентами.

1 Цементирование: путем нанесения на поверхность р-ра сажи или графита в ацетоне, спирте, и др. растворителях, при обработке происходит насыщение С; в результате повышается твердость стали; может применяться лазерная цементация.

2 Азотирование: выполняется с использ..., карбамид и путем подачи газа N₂ для сталей титана,
циркония, гафния и сплавов; в результате обработки увеличивается твердость и
износостойкость.

3 Силицирование сталей: выполняется с использованием обмазок, содержащих кремния. В
результате повышается износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость.

Борирование: выполняется для сталей с помощью порошков бора, карбида бора, борного ангидрида, буры, ферробора со связующими, или в виде суспензий, в результате обеспечивается высокая стойкость...Высокая твердость сохраняется при нагреве до 600°С.

Легирование металлическими компонентами.

1 Металлы Сталь, Чугун, Al, Ti

2 Компоненты Cr, Fe (для AI и Ti), Ni, карбиды тугоплавких металлов (Т,С, WC и др.)
Результат такой же.

Вставка 2.

Лазерная наплавка. Различаюттри вида наплавки:

1 Лазерное оплавление... покрытий;

2 Лазерное оплавление покрытий, полученных высокотемпературным напыление;

3 Газопорошковая лазерная наплавка (UGKY)

Вставка.

Такая обработка называется также гидролучевой обработкой и осуществляется в углеродосодержащих р-рах (Тексан, Толуол, четыреххлористый углерод, минеральное масло); При лазерном воздействии в жидкости - 4 образуется парогазовый канал - 2. Через который излучение — 1 попадает на поверхность изделия -5; над изделием в жидкости образуется куполообразная тазовая полость - 3, насыщенная парами углерода, который диффундирует в обрабатываемый металл.

Глубина легированного слоя составляет 0,05 -5 мм. При лазерном легировании применяют плотности мощности 4-4,8 * 10⁴ Вт/ен², мощности лазера варьируют от 0,5 до 10 кВт. Скорости перемещения луча составляет 7,6 - 770 м/ч. Эффективность процесса лазерного легирования значительно повышается при внешнем давлении выше атмосферного, т.к. уменьшается испарение легирующих элементов и усиливается их проникновение вглубь материала.

Кроме легирования, лазерное излучение может использоваться для получения порошков и наплавки.

В первом случае производится расплавление и испарение прутка материала лучом с одновременным обдувом его инертным газом. Поры испаряемого металла конденсируются в дисперсные сферические частицы.

В этом случае на обрабатываемую поверхность наносят порошок направляемого материала. При воздействии лазерного излучения порошок плавится, одновременно частично оплавляется поверхность материала. После остывания образуется сплошное покрытие из нанесенного материала с хорошим сцеплением (без пор и трещин). Прочность сцепления равна прочности одного из материалов. Это очень... направление, т.к. позволяет применять лазерную технологию для восстановления изношенных...

Основы выбора и проектирования ЛТУ.

Методика выбора и проектирования ЛТУ в настоящее время еще окончательно не сформировалась. Можно сформулировать ее принципиальные основы.

Процесс выбора и проектирования ЛТУ содержит следующие основные этапы:

1. Составление технического здания на ЛТУ.

2. Определение оптимальных параметров технологического процесса, выполняемого с
помощью ЛТУ.

3. Выбор оптимальных параметров ЛТУ и режимов ее работы на основании технико-
экономического расчета.

4. Выбор ЛТУ из числа выпускаемых или проектирование (разработка) новой установки.

На этапе 1.

Указываются характеристики и параметры обрабатываемого материала, вид обработки (технологической операции), требования к ЛТУ (контр, технолог...., тип лазера, условия окисления, производительность и др.)

На этапе 2.

Определяются оптимальные параметры технологического процесса, как правило, экспериментальным путем. Технологический процесс характеризуется большим набором параметров... Однако, практически в любом случае, такой широкий набор параметров можно свести к двум основным: W_a (Дж/см²) и Р_а (Вт/см²), в случае импульсных лазеров еще.... В качестве критерия оптимизации применяются показатели эффективности использования лазерного излучения: W_e (резка, сварка), W_s (поверхностная термообработка), L_p (резка, сварка, получение отверстий),а также показатели качества обработки (характер..., ширина разреза, прочность материала, диаметр отверстий и др.)

Например:

Варьируют W_a и Р_а получают зависимость На этапе 3.

С использованием полученных значений W_а^0ПТ и Р_а^опт типовых технических характеристик ЛТУ

(например, n (Р*)) выполняются Т - Э расчеты. Для различных Рином и Р* в качестве критерия оптимизации применяются значения приведенных затрат

3 = Ен*К + U +У руб/год

К- стоимость установки;

U- себестоимость (издержки) продукции включает более двадцати составляющих (стоимость материала, амортизированные отчисления, заработная плата, стоимость энергии и др.);

Y- ущерб от недоотпуска продукции из-за простоя.

Удобнее пользоваться величиной удельных приведенныхзатрат, например:

Зе= руб/ год ×м – на единицу длины разреза сварного шва; Зs= руб/ год×м² - на единицу обработанной поверхности; Зn= руб/ год×изд.- на одно изделие. В результате расчета определяют и .

Зе

 

На этапе 4.

По полученным значениям и подбирают с учетом требований ТЗ, именно: проектирование элементов установки: излучатель, источник питания, система охлаждения, оптическая система.