Поверхностная лазерная обработка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Повышение эффективности  упрочнения может быть достигнуто увеличением поглощательной способности материала при обработке импульсным инфракрасным излучением {X — 1,06 мкм). Для этого используют покрытие, например, коллоидный раствор графита, или предварительную химическую обработку облучаемой поверхности раствором па основе пикриновой кислоты. Глубина упрочнения зависит от вида материала (марки стали) и в меньшей степени от окружающей среды. В закаленных сталях глубина упрочнения при одних и тех же условиях облучения на 30 — 60% больше, чем в отожженных сталях. Степень упрочнения также зависит как от вида материала, так и от его исходного состояния. Для закаленных сталей уровень упрочнения выше, чем для отожженных.

При реализации линейного  упрочнения обработка обычно ведется с перекрытием зон лазерного воздействия. В перекрытых участках происходит отпуск огнеупрочненного материала в результате действия последующего импульса. В результате в поперечном сечении упрочненный слой представляет собой характерную «чешуйчатую» структуру. При двухкоординатном упрочнении дополнительное перекрытие несколько усложняет происходящие в зоне обработки процессы. В частности, это проявляется в узловых точках, где материал четырежды подвергался облучению.

В фактуре поверхности  также обнаруживается характерная «чешуйчатость». Центральную и основную часть каждого пятна занимает слаботравящаяся зона с твердостью до 13000 МПа. Отсутствие в этой зоне карбидов показывает, что температура нагрева здесь существенно превышала критическую точку, в результате чего все карбиды растворились в аустеннте. По окончании лазерного импульса при последующем быстром охлаждении за счет теплоотвода в массив материала в этой зоне произошла полная закалка с образованием мартеиситной структуры, обладающей высокой твердостью.

Значительная часть аустенита при этом сохранилась вследствие большого содержания и нем углерода и хрома, которые перешли в твердый раствор при нагреве до высоких температур. Однако этот остаточный аустенит испытал в процессе закалки фазовый наклеп, усиленный вследствие локального и импульсного характера термического никла, поэтому    обладает высокой    твердостью.

Концентрично с первой расположена вторая зона, занимающая периферийную часть пятим и обладающая более сильной травимостыо и несколько меньшей твердостью (8000—10000 МПа). Невозможна также обработка сканирующим излучением с амплитудой сканирования. Тогда производительность обработки будет зависеть от величины и скорости перемещения заготовки: . Другие закономерности упрочнения сталей непрерывным излучением во многом подобны рассмотренным закономерностям обработки импульсным излучением. Параметры (ширина, площадь упрочненной зоны, глубина упрочнения), имеющие размерность, степень упрочнения, шероховатость обработанной поверхности зависят как от плотности мощности излучения и скорости обработки, так и от вида обрабатываемого материала. Важную роль при этом также играет вид поглощающего покрытия, наносимого на поверхность для повышения эффективности обработки.На сегодняшний день разработано и используется большое многообразие поглощающих покрытий: фосфатные, хромовые, коллоидные растворы, графит, различные краски, оксиды металлов, силикаты и пр. Если для сравнительной оценки покрытий использовать критерий эффективности поглощения излучения kп= hu/ho , где hu ho, — глубина зоны термического влияния соответственно с покрытием и без него, то ряд предпочтительности покрытий будет иметь следующий вид:

Таблица 3

Покрытие	С r	Cd	С	ZnO	Zn3(PO4)2	Si02  Al2O3 С	FeO4
	0,6	2,0	3.0	4.5	5,1	6.5	6.7

Неотъемлемой структурной составляющей этой зоны являются карбидные частицы. В отличие от первой данная зона имеет неоднородное строение, причем степень неоднородности выше там, где вторая зона перекрывает первую, образовавшуюся в соседнем пятне нагрева, тогда как на границе с исходной структурой она меньше. Структура этой зоны — мартенсит, остаточный аустенит и карбиды, не растворившиеся полностью.

В узловых точках (участки  прямоугольной формы) там, где четыре зоны лазерного воздействия перекрывают друг друга, материал сильно травится, и его твердость составляет 5000—5500 МПа, что характерно для трооститной структуры. Такие участки появляются вследствие многократного отпуска ранее возникших структур закалки при последовательном воздействии на материал ряда импульсов.

Шероховатость обработанной поверхности при упрочнении в режиме проплавления зависит от схем обработки, коэффициента перекрытия, уровня плотности мощности излучения. Так, минимальная шероховатость имеет место при 0,6>K_u>0,8 Низкая шероховатость поверхности достигается при невысоких плотностях мощности излучения (для стали, например, q = 50-100 кВт/см²). Однако следует учитывать, что при малой плотности мощности обеспечиваются и небольшие размеры зоны упрочнения.

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

 

2.3. Обработка непрерывным излучением

 

Наиболее распространенная схема обработки — однодорожечное 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 переменность П обработки зависит от скорости v относительного перемещения луча и поверхности, а также от ширины зоны В: П = vB-   если же параллельно наносится несколько дорожек упрочнения, то производительность также зависит от их числа и коэффициента перекрытия или шага обработки. Из рис видно, как изменяется микротвердость но длине L обрабатываемой зоны в зависимости от степени перекрытия (шага s) дорожек упрочнения. Как и при импульсной обработке, в перекрытых зонах наблюдается существенное снижение _;твердости в  результате .

Рис. 3 зависимость микротвердости П   от шага обработки s

отпуска ранее закаленного  материала

Однородность и толщина  покрытия являются важными факторами обеспечения качественного упрочнения. Оптимальная толщина покрытия — 20—50 мкм. Слишком тонкое покрытие снижает глубину упрочнения вследствие быстрого испарения, увеличение также толщины выше указанных значений приводит к неоднородности результатов обработки — образованию как оплавленных, так и недостаточно прогретых участков поверхности.

Наибольшее влияние на изменение размерных параметров упрочнения оказывает плотность мощности излучения. С увеличением плотности мощности растет глубина ЗТВ, что связано с ростом подводимой к материалу удельной энергии. Скорость обработки очень сильно влияет на размерные параметры упрочнения. С ростом скорости, относительного перемещения излучения и обрабатываемой поверхности снижаются как глубина, так и ширина упрочненной зоны.

Увеличение скорости обработки также влияет на изменение  микротвердости в упрочненном слое. Так, с увеличением скорости   до 6.0 м/мин изменение микротвердости может достигать 400 МПа.

При упрочнении в режиме проплавления материала шероховатость  обработанной поверхности резко  возрастает с ростом плотности   мощности    излучения,   доходит   до   максимума    при   q =50 кВт/см², а затем начинает постепенно снижаться.   При оптимальных режимах обработки Rz =10-20 мкм.

Большое влияние на шероховатость  поверхности оказывает скорость обработки. При малых значениях скорости шероховатость довольно велика (Rz=20 мкм), однако с увеличением v шероховатость снижается (при v=8 м/мин Rz=5-8 мкм).

При выборе режимов  обработки для ориентировочной  оценки глубины упрочненного слоя можно  использовать теоретические зависимости, полученные на основе решения уравнения теплопроводности для определенных условий облучения. При этом исходят из положения, что в процессе упрочнения температура поверхности To.o.t должна быть больше температуры закалки T_:зак, но не выше температуры плавления Тпл

Максимальные размеры зоны упрочнения по осям Оy и Oz при Т (у, z, t) = Тзак,- определяютея из выражий

 

,

Где — коэффициент температуропроводности, здесь к — коэффициент теплопроводности; с и v — теплоемкость и плотность материала; r — радиус сфокусированного пятна; v — скорость обработки; L_n — удельная теплота плавления; Ро=АР — эффективная мощность лазерного теплового источника, здесь А — поглощательная способность материала; Р — мощность лазерного излучения.

Во многих случаях  для выбора режимов обработки  уста на вливаются экспериментальные зависимости, позволяющие в практических условиях для конкретных материалов оценить параметры процесса. На рис. II показана номограмма для выбора режимов упрочнения инструментальных сталей. Исходными данными Для номограммы являются требуемые микротвердость и глубина упрочненного слоя. В качестве энергетического параметра не пол v. густея плотность энергии излучения где t — время воздействия лазерного излучения. По    зависимостям _и  устанавливаются плотность энергии излучения, соответствующая заданным h и H В зависимости от возможностей технологического оборудования и с учетом обеспечения максимальной производительности выбиваются мощность излучения, диаметр пятна фокусирования и определяется достигаемая плотность мощности излучения. По установленным We и q определяется длительность воздействия излучения.

По диаметру пятна  фокусирования d_u и времени t воздействия излучения определяется скорость v относительного перемещения луча и обрабатываемой поверхности.

С помощью  номограммы (на рис. 4) можно решить и обратную задачу — по заданным энергетическим параметрам излучения и скорости обработки определить глубину и твердость упрочненного слоя.

 

Рис   4. Монограмма для выбора режимов упрочнения непрерывным излучением

 

2.4. Лазерные легирование, наплавка, маркировка, гравировка

 

Лазерное легирование отличается от обычного лазерного упрочнения 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 нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом. Тем не менее в основе этого нового сплава лежит матричный материал.

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

Эти виды поверхностной  лазерной обработки очень перспективны вследствие роста дефицита чистых металлов типа W,   Mo, NiCr, Co. V. Острой необходимости снижения расхода высоколегированных сталей и в связи с этим увеличения надежности и долговечности изделий из менее дефицитных конструкционных материалов.

Процессы локального легирования и наплавки реализуются  с помощью как импульсного, так  и непрерывного излучения по тем  же схемам, что и обычное лазерное упрочнение. Технологические закономерности процесса, помимо ранее рассмотренных, зависят также от способа подачи в зону обработки легирующего состава, вида легирующего элемента (элементов), свойств матричного материала.

Существуют следующие  способы подачи легирующего элемента (среды) в зону лазерного воздействия:

* нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность;

* обмазка поверхности специальным легирующим составом;

* легирование в жидкости (жидкой легирующей среде);

* накатывание фольги из легирующего материала на обрабатываемую поверхность;

*    легирование в газообразной легирующей среде;

* удержание ферромагнитных легирующих элементов на матричной 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 конкретном случае.

Размеры легированной зоны зависят в основном от энергетических параметров излучения и толщины покрытия из легирующего материала. Как правило, легирование импульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны, чем при обработке непрерывным излучением. В частности, если при импульсной обработке глубина зоны достигает 0,3—0,7 мм, то применение непрерывного излучения мощных СO₂-лазеров позволяет увеличить глубины зоны до 3 мм.

На степень упрочнения влияет как вид легирующего элемента, так и состав матричного материала. Например, при легировании, алюминиевого сплава AЛ 25 железом, никелем и марганцем достигается различная

 

 

Микротвердость:

Легирующий элемент П,. МПа

Mn  2180

Xi  2200

Fe    .    .  3500

После термообработки 1000

Без термообработки  850

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

где K₁ — концентрация элемента в покрытии; V₁— объем покры тия; V₂ — объем расплава. Вследствие расплавления материала шероховатость легированной поверхности обычно велика, поэтому после этой операции требуется финишная (абразивная) обработка. Припуск на такую обработку обычно составляет до 0,4 мм.

 

2.5. Эксплуатационные показатели материалов после лазерной поверхностной обработки

 

Лазерная поверхностная  обработка вызывает улучшение многих эксплуатационных характеристик облученных материалов. Специфическая топография обработанной поверхности, которая характеризуется образованием «островков» разупрочнения, служащих своеобразными демпферами для возникающих структурных и термических напряжений, а также «карманами» для удержания смазочного материала, позволяет существенно повысить износостойкость материала вследствие значительного уменьшения коэффициента трения (порой до 2 раз).