• Главная
• Юридпсихология
• Этика эстетика
• Электротехника
• Эктеория
• Физика
• Управление персоналом
• Уголовный процесс
• Уголовное право
• Схемотехника
• Стратегический менеджмент
• САПР
• Ресторанно-гостиничный бизнес бытовое обслуживан
• Реклама и PR
• Режущий инструмент
• Неопределено
• Метрология
• Матметоды в эк-ке
• Исторические личности
• Искусство и культура
• Информатика
• Иностранные языки
• Гражданское процессуальное право
• Гражданское право
• Государственное регулирование и налогообложение
• Сонник
• Карта сайта

Поверхностная лазерная обработка
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>Ku>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; Ln — 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 du 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).

У большей части конструкционных сталей и сплавов наблюда­лось увеличение износостойкости после лазерной обработки б 3—5 раз.

Такие механические свойства, как предел прочности σ, удар­ная вязкость КС, после лазерного облучения несколько снижают­ся, в то время как предел текучести σ0,2 практически остается без изменения. Однако с помощью дополнительного отпуска для сня­тия напряжений и σB, и σ0.2 могут быть увеличены в 1,3 раза по сравнению со стандартной термообработкой.

Лазерное упрочнение приводит к повышению теплостойкости (термостойкости) материала, например инструментальной стали Р6М5 па 70—80е С, что влияет на износостойкость режущих ин­струментов, изготовленных из этой стали. Насыщение матричного материала — алюминиевого сплава АЛ25 — железом, никелем, марганцем, медью приводит к увеличению его жаропрочности в 1,5—4 раза. Такое значительное улучшение жаропрочности пред­ставляет большой интерес для двигателестроения, где алюминие­вые сплавы работают в условиях высоких температур.

Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять напряженно-деформированное состояние материала. Изменяя ус­ловия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины.

При маркировке лазерным излучением достигается миниатюр­ность наносимого знака. Ширина образующей знака может не пре­вышать 10 мкм при размерах самого знака до нескольких десят­ков микрометров. Бесконтактность метода и отсутствие механичес­кого воздействия позволяют маркировать тонкостенные, хрупкие детали, узлы и изделия в сборе. Высокая точность и качестве зна­ков гарантируют надежность и стабильность их считывания фото­электронными устройствами. К достоинствам лазерной маркиров­ки относятся высокая производительность и возможность полной автоматизации процесса.

Одна из наиболее распространенных схем маркировки Реали­зует точечно-матричный метод нанесения знаков, при котором каждая матрица представляет собой прямоугольное поле с 63 воз­можными положениями зон лазерного воздействия (матрица «9X7»). При построчном сканировании излучения энергия подво­дится по программе к тем точкам матрицы, совокупность которых обеспечивает получение требуемого буквенно-цифрового знака. Зо­на элементарного воздействия в этом случае представляет собой. микроотверстие (лунку) диаметром 70—80 мкм. При частоте по­дачи импульсов 4 кГц с помощью матрицы «9X7» можно обеспе­чить производительность маркировки до 30 знаков в секунду.

Страницы: 1, 2, 3, 4