Лазерная обработка металлов в машиностроении

Обновлено: 07.05.2024

Лазерные технологии уже давно перешагнули стены лабораторий и вышли на промышленные просторы. Обработка металлов мощными лазерами превратилась в стандартный процесс. И теперь обработка материалов менее мощным лазерным пучком тоже превращается в стандартные технологии. Но есть ниши, где эффекты взаимодействия лазерного излучения с веществом пока находятся на стадии исследований. И хотя существует множество лазерных технологий, авторы остановили свое внимание на тех из них, в которых отечественные разработчики достигли определенных успехов.

ОАО НИАТ и ООО "Рухсервомотор" (Минск) выпускают лазерное технологического оборудования для размерной обработки деталей из плоских листовых заготовок, лазерные комплексы для раскроя плоских деталей из металлических и неметаллических материалов. В моделях КЛР-2D производства ОАО НИАТ и LaserCUT-3015-3 производства ООО "Рухсервомотор" использованы волоконные лазеры ООО НТО "ИРЭ-Полюс" мощностью 2–4 кВт и линейные двигатели. Скорость холостого хода этих систем составляет соответственно 100 и 180 м/мин при погрешности повторного позиционирования 0,05 и 0,01 мм. Оборудование предназначено для раскроя углеродистых сталей толщиной до 25 мм, коррозионно-стойких – до 10 мм, алюминия – до 8 мм, латуни – до 5 мм. Кроме того, на КЛР-2D отработана технология резки органопластиков – до 8 мм; стеклопластиков – до 6 мм; углепластиков – до 4 мм.
Для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов в ОАО НИАТ разработан лазерный технологический комплекс (модель ЛТК-3D). Он имеет наибольшие прямолинейные перемещения, максимальные координаты перемещения, измеренные в миллиметрах: траверсы (координата Х – 5000 мм), каретки (координата У – 2500 мм), ползуна (координата Z – 800 мм). Максимальные скорости прямолинейных перемещений, измеренные в единицах "метр в минуту", по координатам Х, У – 100 м/мин, по координате Z – 30 м/мин; максимальные скорости угловых перемещений по координатам А, С – 120 град/с. Комплекс оснащен волоконным лазером мощностью 3 кВт. Точность воспроизведения контура – 0,05 мм. Комплекс предназначен для лазерной резки деталей различного класса, в том числе ресурсных деталей для авиационной и космической промышленности, деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) (углепластика, органопластика), а также из других материалов (углеродистых, нержавеющих и высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов). На нем можно производить обрезку по внешнему контуру и вырезку отверстий. Максимальная толщина обрабатываемых деталей из углепластика – 4 мм, из органопластика – 8 мм. Габаритные размеры комплекса 8000×5000×2500 мм (рис. 1) [2, 3].
Сравнение параметров комплекса с зарубежными комплексами SG-510MK, Mazak, Япония, Domino 1325, Prima Industrie, Италия, L-3D, Trumpf, Германия, подтверждает его конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Из многообразия используемых на предприятиях зарубежных лазерных комплексов оборудование ЛТК-3D выделяется своими широкими возможностями. Во-первых, эти комплексы не позволяют резать углепластики с необходимым качеством, а ведь их объем составляет почти 70% от общего объема ПКМ, используемых в машиностроении. Во-вторых, ЛТК-3D создан под обработку органо- и стеклопластиков, в 1,5–2 раза большей толщины, чем обрабатываемые на сравниваемых лазерных комплексах. Третье преимущество – на создаваемом оборудовании возможна обработка более крупных деталей с большими скоростями, четвертое – существенно снижаются эксплуатационные расходы за счет высокого КПД лазера и длительного срока службы его компонентов до – 50 000 часов.
Пример использования пятикоординатного лазерного станка для финишной доводки керамических стержней – известная продукция ФГУП "САЛЮТ": рабочие лопатки авиационного двигателя, которые относятся к особо ответственным элементам конструкции. При изготовлении керамических стержней для отливки лопаток на отдельных элементах (по линии разъема пресс-формы) остается облой, который необходимо удалить. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней обеспечивает не только обработку стержней, но и позволяет бесконтактным образом контролировать геометрию и размер элементов стержней, что важно для надежной эксплуатации охлаждаемых рабочих лопаток. Использование вентильных двигателей, цифровых приводов и высокоточной механики позволило добиться точности позиционирования 1 мкм при максимальной скорости перемещения до 50 мм/с. Лазерный станок оснащен современным лазером с выходной мощностью до 150 Вт и изменяемой формой выходного импульса (рис. 2).
ООО "Лазерный Центр", Санкт-Петербург, разработало и запустило в серийное производство модель ЛТУ RX-20, предназначенную для резки тонколистовых материалов (толщиной до 0,5 мм) и глубокой гравировки [4]. Комплекс создан на базе 20-Вт волоконного лазера ИЛМИ-0.5-20 производства ООО НТО "ИРЭ-Полюс". Лазер работает в импульсном режиме с частотой следования импульсов f = 20 – 100кГц, длительность импульса τ ~ 120 нс. Энергия в импульсе до 1 мДж. Время гарантированной наработки лазера составляет не менее 30 000 часов, охлаждение воздушное, потребляемая мощность ~300 Вт, время выхода на рабочий режим не превышает 3 мин. Лазер не требует специального обслуживания и дополнительной системы охлаждения. Использовался двухкоординатный стол X–Y с шаговыми двигателями, размер поля обработки 250×250 мм, точность позиционирования 2,5 мкм. Для расширения технологических возможностей в RX-20 предусмотрена возможность установки вращателя для резки изделий с цилиндрической поверхностью. Программирование осуществляется в форматах AutoCAD и CorelDRAW, возможно также программирование в ручном режиме. Перечень областей, в которых возможно использование RX-20, очень велик: изготовление масок для нанесения паяльной пасты на печатные платы, направляющие для принтеров с игольчатой печатью, прижимы полупроводниковых лазеров, резка медицинских стентов из тонкостенных трубок нержавеющей стали. Еще одним важным направлением может стать применение RX-20 для глубокой маркировки – гравировки. Дело в том, что в настоящее время для маркировки используют сканаторные системы, это "МиниМаркер 2", в обычном исполнении или, с учетом всех требований Европейской безопасности, новое семейство скоростных маркеров "TurboMarker". Они обеспечивают скорость маркировки до нескольких метров в секунду. Однако при этом глубина маркировки относительно невелика и в основном не превышает 50–100 мкм. В то же время существует целый ряд задач, где глубина маркировки требуется существенно выше – до 0,5 мм. Простое увеличение мощности лазера не дает нужного эффекта в силу ряда причин. Вот как раз в этом случае можно использовать RX-20. Скорость маркировки при этом снижается, поскольку маркировка осуществляется за счет относительно медленного перемещения детали с помощью координатного стола, однако глубина маркировки существенно возрастает.
Другое крупное технологическое применение лазерных комплексов – это выращивание монокристаллических волокон (МКВ). Дело в том, что применение композиционных материалов в двигателях, энергетических и транспортных установках обеспечивает им скачок в увеличении производимой мощности, уменьшают массогабаритные характеристики машин и приборов. Монокристаллические волокна применяют при изготовлении композиционных материалов. Известно, что прочность композиционных материалов определяется свойствами армирующих волокон, а матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при высоких нагрузках, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Применение волокон оксидов алюминия позволит выйти на новый уровень физико-механических свойств композиционных материалов. Предел прочности МКВ оксида алюминия не изменяется до температуры 1600˚С. Сапфировое кристалличекое волокно (Al2O3) весьма полезно благодаря однородности своих физических свойств. Особую ценность волокна представляют его высокая температура плавления и практически нерастворимость в воде. Применение МКВ в широком круге оптических приборов обеспечивается его физическими свойствами и волнопроводящей способностью. Волокно способно передавать электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн (300−4000 нм) и обладает высоким сопротивлением к любым химическим воздействиям. Поэтому такие волокна могут быть использованы в лазерах или в качестве датчиков в оборудовании, работающем при высоких температурах или в коррозионной среде, где традиционные сенсорные волокна не работают. В медицинской области они могут быть использованы в качестве проводников для передачи излучения к микрозонам. Специалисты прогнозируют в будущем высокую потребность промышленности в таких материалах.
Учитывая стратегическую важность технологии выращивания МКВ, создание лазерных комплексов для их производства на сегодняшний день является актуальной задачей. Однако пока идут только поиски оптимальных параметров этих процессов. Известна лазерная установка для выращивания сапфировых волокон в Стенфордском Университете [5,6]. В ней первичный генерированный лазерный луч, имеющий обычный гауссовский профиль распределения интенсивности излучения по поперечному сечению, трансформируется в лазерный луч с кольцевым профилем распределения интенсивности. Этот лазерный луч фокусируют на кончике твердого питающего материала, получая расплавленный питающий материал. Затравка подается в этот расплавленный питающий материал и вступает с ним в контакт. Когда затравка соединится с расплавленным питающим материалом, ее удаляют из расплава так, что расплавленный материал вытягивается в виде кристаллического волокна. Производство кристаллических волокон на этой установке осуществляется на воздухе при обычном атмосферном давлении. Для повышения качества сапфировых волокон в США и в разработанном нами оборудовании выращивание МКВ производится в вакуумной камере в среде инертного газа – гелия. В ИМАШ РАН разработан и изготовлен опытный образец оборудования для выращивания монокристаллических волокон (МКВ) оксида алюминия с использованием лазерного нагрева питателя и контроля процесса выращивания. Диаметр питателя отечественной установки может составлять 500–700 мкм, а получаемое сапфировое волокно 100–200 мкм [7]. На рис. 3. представлен процесс получения МКВ оксида алюминия.
Менее распространены лазерные методы наплавки, термоупрочнения и легирования. Однако эти технологии обещают в скором времени бурный рост, веерообразно распространяясь в широком круге промышленных производств. Еще одна перспективная лазерная технология, обещающая стать массовой производственной технологией, – это лазерная наплавка порошковых материалов. Технологию лазерной обработки используют для придания новым деталям фрикционных и защитных свойств и для восстановления изношенных деталей. В наших экспериментах мы наносили на поверхность образцов стали 20Х обмазку на водной основе (в ней смешаны оксиэтилцеллюлозы и порошок ФБХ6-2 с добавлением ультрадисперсного порошка алюминия). Затем оплавляли покрытие с помощью излучения СО2-лазера на установке "Комета-М" (мощность луча 1400 Вт, частота сканирования 225 Гц [8]). Результаты металлографического анализа показали, что ширина наплавленного слоя составила 0,9–1,1 мм. Исследование поверхностной твердости обнаружило, что твердость наплавленного слоя составляет 56–59 HRC, тогда как твердость цементованнного слоя до обработки составляла 55 HRC. В ИМАШ РАН разработана специализированная оснастка для машины трения МТУ-01 и проведены ее испытания на задиростойкость. Обнаружено, что слой, наплавленный лазером, обладает большей задиростойкостью в сравнении с объемно закаленным образцом (рис.4). Эта технология была разработана для восстановления осей подвески редуктора вагона метрополитена, но она может быть применена не только к телам вращения, но и к плоским поверхностям и деталям сложной пространственной формы.
И хотя существует множество лазерных технологий, мы рассмотрели лишь те из них, в которых достигнуты заметные успехи, повышающие конкурентоспособность выпускаемой продукции.
Литература
Овертон Г., Ноджи А., Бельфорте, Д.А., Холтон К. Лазерные рынки развиваются несмотря на "встречные ветры" в глобальной экономике. – Лазер-Информ.– М.: ЛАС.- 2013, №3, с.1-8.
Блинков В.В., Вайнштейн И.В., Малахов Б.Н., Кондратюк Д.И. Лазерный технологический комплекс для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.226–231.
Щербаков С.И. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – федеральные целевые программы, наукоемкое производство. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под ред.К.В. Фролова. – М.: Эксподизайн,2007, с. 85–87.
Горный С.Г., Поляков И.В.. Кузьмичев Д.В., Попков С.Е. Лазерная технологическая установка (ЛТУ) RX-20 для обработки материалов на базе волоконного лазера. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.252–257.
Jundt D.N., Fejer M.M., Byer R.L. Characterization of Crystal fibers for Optical Power Delivery Systems. – Applied Physics Department, University, Stanford, California 94305 (Received 11 Aug. 1989; accepted for publication 18 Sep. 1989).
Jundt D.N. et al. Characterization of single-crystal sapphire fibers for optical power delivery systems. – Appl. Phys. Lett., 1989, 55(21) 20 Nov.
Бирюков В.П. Лазерные системы и технологии в машиностроении. – В кн.: Современная техника и технологии. Лекции Всероссийской молодежной научной школы. – М.: ИМАШ РАН, 2012, с.3–17.
Бирюков В.П., Фишков А.А. Анализ отказов деталей вагонов метрополитена и восстановление их методом лазерной наплавки. – Тяжелое машиностроение, 2012, №10, с.14–17.

Лазерный мир

Самые востребованные промышленностью лазерные методы обработки материалов – это резка, сварка и маркировка. При сварке сталей, которые могут выйти на структуру мартенсита, лучше использовать гибридную технологию сварки. Методы гибридной сварки обеспечивают большие времена термических циклов, по производительности опережают электродуговую сварку и удовлетворяют требованиям поточного производства. В основном их применяют в автомобилестроении. Лазерная сварка наиболее подходит аустенитным сталям. Использование сканирующих устройств, обеспечивающих колебание лазерного пучка, позволяет сваривать детали даже при больших зазорах, при неточной подгонке стыка.
Обработка металла излучением мощных СО2- или волоконных лазеров – наиболее емкая часть современного рынка лазерной обработки материалов, она формирует примерно 70% всего объема продаж лазеров. Лазерные системы для резки листового металла в прошлом году обеспечили 5 млрд. продаж. Среди мощных источников излучения на долю лазерных систем с волоконными лазерами приходится 20%, но доминирующую роль по-прежнему играют газовые лазеры [1]. Однако на отечественном рынке производителей лазерного оборудования для машиностроения становится тесновато. Параметры лазерных комплексов различных производителей сопоставимы друг с другом, соревнование идет в области сервисного обслуживания и скорости поставки запасных частей. Рассмотрим новинки отечественных лазерных технологических комплексов [2,3]. ОАО НИАТ и ООО «Рухсервомотор» (Минск) выпускают лазерное технологического оборудования для размерной обработки деталей из плоских листовых заготовок, лазерные комплексы для раскроя плоских деталей из металлических и неметаллических материалов. В моделях КЛР-2D производства ОАО НИАТ и LaserCUT-3015-3 производства ООО «Рухсервомотор» использованы волоконные лазеры ООО НТО «ИРЭ-Полюс» мощностью 2–4 кВт и линейные двигатели. Скорость холостого хода этих систем составляет соответственно 100 и 180 м/мин при погрешности повторного позиционирования 0,05 и 0,01 мм. Оборудование предназначено для раскроя углеродистых сталей толщиной до 25 мм, коррозионно-стойких – до 10 мм, алюминия – до 8 мм, латуни – до 5 мм. Кроме того, на КЛР-2D отработана технология резки органопластиков – до 8 мм; стеклопластиков – до 6 мм; углепластиков – до 4 мм.
Для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов в ОАО НИАТ разработан лазерный технологический комплекс (модель ЛТК-3D). Он имеет наибольшие прямолинейные перемещения, максимальные координаты перемещения, измеренные в миллиметрах: траверсы (координата Х – 5000 мм), каретки (координата У – 2500 мм), ползуна (координата Z – 800 мм). Максимальные скорости прямолинейных перемещений, измеренные в единицах «метр в минуту», по координатам Х, У – 100 м/мин, по координате Z – 30 м/мин; максимальные скорости угловых перемещений по координатам А, С – 120 град/с. Комплекс оснащен волоконным лазером мощностью 3 кВт. Точность воспроизведения контура – 0,05 мм. Комплекс предназначен для лазерной резки деталей различного класса, в том числе ресурсных деталей для авиационной и космической промышленности, деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) (углепластика, органопластика), а также из других материалов (углеродистых, нержавеющих и высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов). На нем можно производить обрезку по внешнему контуру и вырезку отверстий. Максимальная толщина обрабатываемых деталей из углепластика – 4 мм, из органопластика – 8 мм. Габаритные размеры комплекса 8000×5000×2500 мм (рис. 1) [2, 3].
Сравнение параметров комплекса с зарубежными комплексами SG-510MK, Mazak, Япония, Domino 1325, Prima Industrie, Италия, L-3D, Trumpf, Германия, подтверждает его конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Из многообразия используемых на предприятиях зарубежных лазерных комплексов оборудование ЛТК-3D выделяется своими широкими возможностями. Во-первых, эти комплексы не позволяют резать углепластики с необходимым качеством, а ведь их объем составляет почти 70% от общего объема ПКМ, используемых в машиностроении. Во-вторых, ЛТК-3D создан под обработку органо- и стеклопластиков, в 1,5–2 раза большей толщины, чем обрабатываемые на сравниваемых лазерных комплексах. Третье преимущество – на создаваемом оборудовании возможна обработка более крупных деталей с большими скоростями, четвертое – существенно снижаются эксплуатационные расходы за счет высокого КПД лазера и длительного срока службы его компонентов до – 50 000 часов.

Российский производитель лазерных станков — ООО «Лазерный Центр» разработал и запустил в серийное производство модель ЛТУ RX-20, предназначенную для резки тонколистовых материалов (толщиной до 0,5 мм) и глубокой гравировки [4]. Комплекс создан на базе 20-Вт волоконного лазера ИЛМИ-0.5-20 производства ООО НТО «ИРЭ-Полюс». Лазер работает в импульсном режиме с частотой следования импульсов f = 20 – 100кГц, длительность импульса τ ~ 120 нс. Энергия в импульсе до 1 мДж. Время гарантированной наработки лазера составляет не менее 30 000 часов, охлаждение воздушное, потребляемая мощность ~300 Вт, время выхода на рабочий режим не превышает 3 мин. Лазер не требует специального обслуживания и дополнительной системы охлаждения. Использовался двухкоординатный стол X–Y с шаговыми двигателями, размер поля обработки 250×250 мм, точность позиционирования 2,5 мкм. Для расширения технологических возможностей в RX-20 предусмотрена возможность установки вращателя для резки изделий с цилиндрической поверхностью. Программирование осуществляется в форматах AutoCAD и CorelDRAW, возможно также программирование в ручном режиме. Перечень областей, в которых возможно использование RX-20, очень велик: изготовление масок для нанесения паяльной пасты на печатные платы, направляющие для принтеров с игольчатой печатью, прижимы полупроводниковых лазеров, резка медицинских стентов из тонкостенных трубок нержавеющей стали. Еще одним важным направлением может стать применение RX-20 для глубокой лазерной гравировки. Дело в том, что в настоящее время для маркировки используют сканаторные системы, это «МиниМаркер 2«, в обычном исполнении или, с учетом всех требований Европейской безопасности, новое семейство скоростных маркеров «TurboMarker». Они обеспечивают скорость маркировки до нескольких метров в секунду. Однако при этом глубина маркировки относительно невелика и в основном не превышает 50–100 мкм. В то же время существует целый ряд задач, где глубина гравировки требуется существенно выше – до 0,5 мм. Простое увеличение мощности лазера не дает нужного эффекта в силу ряда причин. Вот как раз в этом случае можно использовать RX-20. Скорость маркировки при этом снижается, поскольку маркировка осуществляется за счет относительно медленного перемещения детали с помощью координатного стола, однако глубина маркировки существенно возрастает.

Водин Дмитрий Владимирович // Актуальные вопросы технических наук : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2015 г.). — Пермь : Зебра, 2015. — С. 95-97.

В настоящее время в машиностроении широко используется лазерная обработка металлорежущего инструмента с целью повышения его износостойкости. В основе лазерной обработки лежит применение лазерного луча, который как технологический инструмент не имеет себе равных по степени гибкости, быстродействия и износоустойчивости. Сегодня лазерная обработка способна конкурировать с фотохимическими и электроэрозионными процессами обработки, способствуя при этом повышению производительности и снижению износа металлорежущего инструмента. В будущем лазерная обработка металлорежущего инструмента найдет более широкое применение в связи с уменьшением размеров лазерных установок.

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемого материала металлорежущего инструмента [1,с.5].

Источником светового излучения является лазер. Работа лазера основана на принципе генерирования светового излучения. Лазерная обработка способствует улучшению многих эксплуатационных свойств облученного материала металлорежущего инструмента. Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять напряженно-деформированное состояние материала металлорежущего инструмента. Изменяя условия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины. Основным результатом такой обработки является тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала металлорежущего инструмента, который нагревается и охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу металла [2,с.15]. В этих условиях поверхность металлорежущего инструмента подвергается «автозакалке».

Этот способ позволяет повысить микротвердость и износостойкость поверхности материала металлорежущего инструмента от 2 до 5 раз без термического деформирования характерного для традиционных методов термообработки.

Основными преимуществами лазерной обработки являются: — проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента; — способностью луча проникать через любую прозрачную среду, не нарушая ее и не снижая свою интенсивность; — высокая степень автоматизации; — высокая производительность; — экологичность.

Основными недостатками лазерной обработки являются: — обработка материала металлорежущего инструмента на ограниченной глубине; — низкий коэффициент полезного действия лазеров; — высокая стоимость лазерных установок и комплексов.

Лазерная обработка в зависимости от мощности и плотности лазерного луча делится на следующие виды: — упрочнение без фазового перехода; — упрочнение с фазовым переходом; — лазерное легирование; — лазерная наплавка; — шоковое упрочнение. Упрочнение без фазового перехода приводит к структурным изменениям в материале металлорежущего инструмента при уровне плотности и мощности лазерного излучения, не приводящего к расплавлению облученной зоны.

При этом виде обработки сохраняется исходная шероховатость обрабатывающей поверхности металлорежущего инструмента. Упрочнение с фазовым переходом приводит к плавлению материала металлорежущего инструмента в облученной зоне. Данный вид упрочнения требует более высокой плотности и мощности лазерного излучения, что позволяет достигнуть значительной глубины упрочненного слоя материала металлорежущего инструмента. При этом упрочнении изменяется исходная шероховатость материала металлорежущего инструмента и необходимо применение шлифования, чтобы добиться нужного показателя шероховатости. При применении рассмотренных видов обработки не требуется специальной среды, и процесс проводится на воздухе. Для применения лазерного легирования как одного из методов лазерной обработки для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твердая). В результате на обрабатываемой поверхности материала металлорежущего инструмента образуется новый сплав, отличный по составу и структуре от исходного материала. Применения лазерной наплавки (напыления) как одного из методов лазерной обработки позволяет нанести па поверхность обрабатываемого материала металлорежущего инструмента слой другого материала, улучшающий эксплуатационные свойства основного. Применение лазерного легирования и лазерной наплавки (напыления) наиболее перспективны, так как происходит рост дефицита чистых металлов типа W, Mo, NiCr.

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

— нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность материала металлорежущего инструмента;
— обмазка поверхности специальным легирующим составом;
— легирование в жидкости (жидкой легирующей среде); — накатывание фольги из легирующего материала на обрабатываемую поверхность материала металлорежущего инструмента;
— легирование в газообразной среде;
— удержание легирующих элементов на обрабатываемой поверхности магнитным полем;
— электроискровое нанесение легирующего состава; — плазменное нанесение покрытия;
— электролитическое осаждение легирующего покрытия;
— подача легирующего состава в зону обработки одновременно 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 параметров излучения и толщины покрытия 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.

Шоковое упрочнение применяется при воздействии на материал металлорежущего инструмента мощного импульса лазерного излучения наносекундной длительности. До воздействия лазерного излучения на материал металлорежущего инструмента наносится тонкий слой легкоплавкого металла. Воздействие мощного импульса лазерного излучения вызывает быстрое испарение легкоплавкого металла, что приводит к возникновению импульса отдачи, что приводит к возникновению мощной ударной волны в материале. В результате происходит пластическое деформирование материала, а при нагреве поверхностного слоя происходят изменения в его структуре.

Далее рассмотрим основные элементы лазерной установки необходимой для проведения лазерной обработки.

Основными элементами лазерной установки являются:

— активная среда (активный элемент);
— устройство для накачки активной среды;
— зеркала оптического резонатора;
— элемент вывода энергии из резонатора; — фокусирующая оптическая система;
— система управления.

Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием.

Разнообразие лазеров объясняется применением в них разных видов активных сред:

— диэлектрические кристаллы;
— полупроводники;
— газовые смеси;

Лазер обеспечивает энергетические и временные параметры воздействия, оптическая система формирует характеристики светового пучка как инструмента обработки. Точность, производительность и удобство обработки определяются характеристиками системы управления и координатным столом при перемещении обрабатываемого металлорежущего инструмента или лазерного луча. Для проведения лазерной обработки необходимо применение лазерной установки, которая состоит из лазера с блоком питания, оптической системы, системы управления и контроля обработки.

Применяемые лазеры при лазерной обработке могут быть:

— Твердотельные лазеры с применением в качестве активной среды диэлектрических кристаллов. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном и непрерывном режиме;
— Электроразрядные СО2 лазеры используют элэктроразрядные возбуждения и прокачку газовой смеси СО2,N2. Они используются для непрерывной обработки.

Таким образом, лазерная обработка приводит к повышению теплостойкости (термостойкости) материала металлорежущего инструмента [3,с.25]. Она позволяет снизить в 3-4 раза износ металлорежущего инструмента путем повышения его поверхностной твердости при сохранении общей высокой динамической прочности, повышения теплостойкости, снижения коэффициента трения пары металлорежущий инструмент — заготовка. Лазерная обработка представляет собой воздействие лазерного луча испускаемого лазером на металлическую поверхность и является эффективным и перспективным методом повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

1. Вакс Е. Д., Миленький М. Н., Сапрыкин Л. Г. Технологические процессы лазерной обработки. — М. изд. Техносфера 2013. — 696 с.
2. Вейко В. П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. Изд. 2–е, испр. и дополн.— СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. — 52 с.
3. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с.

Приведены особенности образования структуры при лазерной обработке, а также результаты металлографических исследований, проведенных сотрудниками кафедры «Лазерные технологии в машиностроении». Выявлены закономерности формирования структуры и изменения свойств сталей и никелевых сплавов под воздействием излучения лазера в процессе поверхностной лазерной термической обработки и наплавки, а также лазерной сварки и сварки комбинированными источниками.

На кафедре «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана систематически проводятся металлографические исследования изменения структуры и свойств материала под воздействием излучения лазера. При разработке технологий лазерной термической обработки, легирования и наплавки, а также лазерной сварки и сварки с помощью комбинированных источников важную роль играют закономерности формирования микроструктур в зонах лазерного воздействия сталей и сплавов, которые зависят от режимов обработки, химического и фазового составов, предварительной термической обработки. Работы по лазерной термической обработке металлов и сплавов актуальны и в настоящее время.

Лазерное упрочнение — один из основных методов получения требуемых физико-механических свойств поверхности деталей машин. Процессы, связанные с высокими скоростями нагрева и охлаждения, приводят к возникновению мелкодисперсных приповерхностных структур и повышению физико-механических свойств поверхностей деталей. Появление новых лазерных источников излучения — волоконных лазеров — привлекло внимание к вопросу выбора эффективного источника для лазерной закалки. Основной недостаток закалки СО2- и твердотельными лазерами — низкая энергетическая эффективность. Для СО2-лазера энергетический КПД не превышает 10 %, коэффициент поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм металлами низкий. Для его увеличения используют технологии нанесения поглощающих покрытий, что усложняет процесс обработки. Для твердотельных лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм коэффициент поглощения возрастает, но полный КПД лазера обычно составляет не более 2…3 %. Для волоконных лазеров с длиной волны 1,07 мкм коэффициент поглощения также повышается, КПД волоконных лазеров равен 25 %, что в 2,5—3 раза выше КПД СО2-лазеров. В связи с этим интерес представ-

ляют не только исследования влияния технологических факторов лазерного термоупрочнения на формирование однородных и относительно мелкозернистых структур поверхностного слоя, но и сравнение эффективности использования СО2-, твердотельных и волоконных лазеров.

Сравнение эффективности двух типов лазеров показало, что эффективность поглощения излучения волоконного лазера чрезвычайно высока. Так, при мощности излучения волоконного лазера 1 кВт и скорости обработки 0,01 м/с глубина зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) стали 45 составляет 1,27 мм, а стали У8 — 1,14 мм. При этих же значениях скорости и мощности излучения СО2-лазера глубина ЗЛВ указанных сталей равна 0,6 мм даже при использовании поглощающих покрытий.

Одна из самых актуальных задач в широком спектре процессов закалки стали — закалка без оплавления поверхности, например, для закалки штамповой оснастки. Поскольку в этом случае недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах.

На рис. 1, а, приведена микроструктура ЗЛВ углеродистой стали 45, обработанной излучением волоконного лазера. Структура закаленного слоя довольно однородна (микроструктура имеет вид мелкодисперсного мартенсита) и полностью отсутствует переходная зона. На рис. 1, б, для

Рис. 1. Микроструктура стали 45 после нормализации и лазерной термической обработки излучением волоконного лазера (а) и С02-лазера (б) (х200)

сравнения дана микроструктура ЗЛВ этой же стали, полученная при обработке излучением СО2-лазера. В этом случае есть переходная зона, и наблюдается слоистость структуры. В результате нагрева до температуры ниже температуры плавления нормализованной стали 45 отсутствует зона закалки из жидкого состояния. Зона закалки из твердой фазы состоит из двух областей: вверху — область с однородной структурой и внизу — область с неоднородной структурой. В области с однородной структурой формируется мелкодисперсный мартенсит с микротвердостью 720…850 НУ. На месте перлитных зерен образуется мартенсит (микротвердость 557.644 НУ) с небольшим количеством остаточного

аустенита. В области с неоднородной структурой по мере увеличения глубины наблюдается усиление неоднородности структуры: сначала образуется мартенситотроостит, затем мартенсит и трооститная сетка, которая переходит в трооститоферритную, а на границе с исходной структурой — в ферритную структуру. Это обусловлено тем, что в процессе лазерного нагрева имеют место различные стадии аустенизации [1]. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) 0,55… 0,60 мм, микротвердость ферритных зерен 280.350 НУ (200.230 НУ) при исходной твердости феррита 110 НУ. Повышение микротвердости связано с фазовым наклепом.

При закалке сталей, предварительно прошедших закалку и отпуск, после лазерного упрочнения на границе с исходной структурой выявляется зона отпуска. Вся зона закалки из твердой фазы представляет собой область однородного мартенсита с микротвердостью 700.850 НУ, которая выше твердости мартенсита, полученного печной закалкой. На границе с исходной структурой наблюдается переходная зона. В таком случае эта зона отпуска с трооститной структурой, имеющая микротвердость 300.400 НУ.

Изменение режимов лазерной обработки влияет в первую очередь на микротвердость. Полученные результаты показывают, что глубина ЗЛВ уменьшается при увеличении скорости обработки и возрастает при усилении мощности излучения. С увеличением скорости обработки при лазерной обработке нормализованной стали без оплавления с повышенными скоростями область однородного мартенсита отсутствует и трооститоферритная сетка вокруг мартенсита может доходить до самой поверхности образца. Это снижает общую твердость ЗЛВ, поэтому упрочнять такие стали при высокой скорости обработки нецелесообразно.

В диапазоне значений скорости обработки 0,01.0,03 м/с микротвердость ЗЛВ увеличивается (540.750 НУ). При дальнейшем возрастании скорости обработки микротвердость ЗЛВ снижается. Тогда в поверхностном слое образуется мартенсит с мартенситотроостит-ной сеткой.

При малой скорости обработки под зоной оплавления в верхней части ЗТВ образуется узкий слой однородного мартенсита. В этом слое, нагретом до высокой температуры, происходит полное превращение избыточного феррита в аустенит и полное насыщение таких участков углеродом. На большей части ЗТВ формируется относительно однородная мартенситная структура.

На основании результатов исследования лазерной термической обработки углеродистых сталей можно сделать следующий вывод. Лазерная термическая обработка низкоуглеродистых сталей не целесообразна вследствие малой твердости низкоуглеродистого мартенсита (400.500 НУ) и наличия небольших колоний измельченного феррита (150.200 НУ). При увеличении содержания углерода в стали до 0,3 % и выше твердость мартенсита после закалки резко возрастает. Средне-

углеродистые стали с содержанием углерода 0,3.0,6 % наиболее подходят для закалки непрерывным лазерным излучением.

При лазерной обработке с оплавлением эвтектоидных и заэвтек-тоидных углеродистых сталей в зоне оплавления кроме мелкодисперсного мартенсита образуется остаточный аустенит, например, в стали У8 — до 39 %, в стали У10 — до 45 %. Нерастворившегося цементита в зоне оплавления нет, следовательно, мартенсит и аустенит достаточно насыщены углеродом. С увеличением содержания углерода микротвердость мартенсита значительно возрастает: в сталях с содержанием углерода 1,0… 1,2 % она достигает 1 200.1 300 НУ. Поэтому стали У8 и У10 после лазерного упрочнения имеют большую микротвердость, чем сталь 45. Следует отметить, что увеличение содержания остаточного аустенита в зоне оплавления некоторых сталей может уменьшить микротвердость, например, микротвердость стали У10 ниже микротвердости стали У8. С этим связано снижение микротвердости в зоне оплавления стали У10 по сравнению с ее микротвердостью в зоне закалки из твердой фазы. При выборе режимов лазерного термоупрочнения необходимо учитывать, что увеличение содержания углерода в металле термообрабатываемых объемов свыше 0,6 % резко уменьшает темп прироста твердости. Оптимальным является создание в зоне нагрева условий, когда карбиды растворяются не полностью, а только в такой степени, чтобы обеспечить получение высокоуглеродистого мартенсита (0,6 % углерода), но избежать образования повышенного количества остаточного аустенита.

При обработке излучением волоконного лазера без оплавления поверхности инструмента из стали У8 зона оплавления отсутствует. На месте перлитных зерен образуется мелкодисперсный мартенсит. В зоне закалки из твердой фазы можно выделить две области: вверху — область растворенных карбидов, внизу — область нерастворенных карбидов.

В области растворенных карбидов твердый раствор насыщен углеродом, что приводит к образованию повышенного количества остаточного аустенита. В области нерастворенных карбидов остаточного аусте-нита значительно меньше, поэтому эта часть ЗТВ отличается максимальной твердостью. Поэтому заэвтектоидные стали рекомендуется упрочнять на режимах, обеспечивающих получение структур с нерас-творенными карбидами, т. е. проводить лазерную термическую обработку с наибольшими скоростями охлаждения. В нижней части ЗТВ цементит растворен не полностью. Переходная зона отсутствует, также как и в ЗЛВ стали 45 при обработке излучением волоконного лазера.

Микротвердость с усилением мощности до 1 кВт повышается, а при дальнейшем ее увеличении до 1,5 кВт уменьшается. Поскольку с растворением карбидов возрастает содержание остаточного аустени-та, в связи с чем микротвердость снижается.

В машиностроении широко применяют легированные стали, термическая обработка которых существенно повышает их эксплуатаци-

онные свойства. Установлена целесообразность проведения термической обработки низкоуглеродистых сталей мартенситного класса (20Х13), среднеуглеродистых легированных и высоколегированных сталей (40Х, 38ХМЮА, 65Г, 40Х13).

Диффузионная подвижность углерода в высоколегированных сталях уменьшается настолько, что трудно осуществить лазерную закалку при оптимальной степени аустенизации, т. е. с достаточным насыщением твердого раствора и минимальным растворением карбидной фазы. При малой мощности излучения может не достигаться насыщения аустенита, и при закалке образуются низкоуглеродистый мартенсит и остаточный аустенит. При большой энергии излучения возможно пересыщение аустенита за счет растворения карбидов и после охлаждения образование большого количества остаточного аустенита. Для высоколегированных сталей существует узкий интервал режимов, при которых мартенсит включает в себя достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. Интервал режимов лазерной закалки определен для каждой стали и применять его можно как при обработке без оплавления, так и с минимальным оплавлением поверхности. В наибольшей степени это относится к высокохромистым (Х12, Х12М) и быстрорежущим сталям. Для получения микротвердости в указанных сталях 900.1050 НУ необходимо, чтобы после лазерной закалки в ЗЛВ имелись следующие фазы: мартенсит; карбиды; небольшое количество остаточного аустенита. Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что применение лазерной термической обработки (особенно излучением волоконного лазера) для сталей имеет большие перспективы, в основном для изделий, работающих в условиях интенсивного износа.

Наряду с лазерной термической обработкой сталей сотрудниками кафедры проводятся исследования особенностей формирования структуры и изменения свойств материала в шве и ЗТВ в процессе лазерной сварки и сварки комбинированными источниками (лазер + дуга, лазер + свет, лазер + лазер и т. д.).

Среднелегированные стали достаточно широко применяются в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Повышенное содержание углерода значительно затрудняет сварку этих сталей вследствие низкой стойкости шва к образованию кристаллизационных трещин, возникновения при сварке малопластичных закалочных структур, а также необходимости обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом и т. п. По структуре среднелегированные стали подразделяются на ферритно-перлитные, мартенситные или бей-нитно-мартенситные. В зависимости от структурного состояния стали обладают различной склонностью к хрупкому разрушению.

Читайте также: