Лазерная термическая обработка

Лазерная технология обеспечивает повышение производительности тру^ да, точности и качества обработки, представляет практически безотходную технологию, удовлетворяющую требованиям по защите окружающей среды.

Лазеры — оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие по­лучать электромагнитные излучения чрезвычайно высокой концентрации энергии. Длина волн, генерируемых ОКГ, находится в световом диапазоне от ультрафиолетовой области спектра до инфракрасной (а = 0,1 - 70 мкм).

Применение лазеров для термической обработки основано на транс­формации световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке ОКГ позволяет нагреть поверхность до температурного диапазона термообработки за очень короткое время.

Лазерная термическая обработка (ЛТО) проводится при удельной мощ­ности 10³—5-10⁴ Вт/см² при времени воздействия на поверхность 10~² с. При увеличении плотности мощности до 10⁶—10⁷ Вт/см² и времени воздействия 10 ³—10"' с осуществляются процессы сварки, плавления, лазерная химико-термическая обработка (ЛХТО).

Процессы ЛТО определяются взаимодействием лазерного облучения с материалом, которое зависит от оптических и теплофизических свойств об­рабатываемых материалов: коэффициента отражения поверхности, тепло­проводности, температур плавления и испарения и т. д.

Снижение отражающей способности поверхности и, следовательно, повы­шение эффективности ЛТО обеспечиваются увеличением шероховатости по­верхности, нанесением светопоглощающих покрытий. Увеличение поглощения излучения достигается шлифовкой поверхности, нанесением неметаллических пленок (сульфидных (Fe^), оксидных, фосфатных Mg3(P0₄>2, Zn₃(P0₄)2).

Для лазерной обработки используют технологические лазеры импульс­ного и непрерывного действия. Особенностью лазерного упрочнения являет­ся его локальность. При импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном — в полосе шириной до 3 мм. В связи с этим для обработки поверхности необходимо сканировать луч с взаимным перекрыти­ем или без перекрытия зон упрочнения. Основными геометрическими харак­теристиками упрочнения являются: D„ — диаметр зоны лазерного воздейст­вия, L — длина упрочненного участка, S — шаг обработки (шаг следования импульсов), 8 — глубина упрочненного слоя, К_п — коэффициент перекры­тия, представляющий отношение шага расположения последовательных зон лазерного воздействия к диаметру единичной зоны при фокусировании с помощью сферической оптики: К_п = S/D_n (рис. 5.10).

Геометрические характеристики зоны термического воздействия зависят от энергетических параметров лазерного излучения. При об­работке импульсными лазера­ми с повышением плотности мощности увеличиваются диаметр и глубина зоны уп­рочнения. Лазеры непрерыв­ного излучения обеспечивают более высокую производи- р_ис. 5.10. Схема расположения зоны термиче-тельность обработки, высокую ского воздействия (ЗТВ) в плане (а) и в про-равномерность упрочнения и дольном сечении (б) при линейном упрочнении

позволяют обрабатывать любой профиль поверхности со скоростью от 100 до 10000 мм/мин. При обработке непрерывными лазерами при постоянной скорости обработки глубина и ширина ЗТВ зависят от плотности мощности излучения, с ростом которой глубина ЗТВ растет, а ширина — уменьшается. При постоянной плотности мощности с увеличением скорости перемещения деталей уменьшаются как ширина, так и глубина ЗТВ, что связано со снижением удельной энергии излучения в зоне лазерного воздействия.

Глубина упрочненного слоя при нагреве на С0₂-лазере (5 кВт) колеб­лется от 0,3 до 1,0 мм, а на импульсном лазере — 0,1—0,15 мм.

Механизм ЛТО заключается в фазовом превращении материала по­сле его скоростного нагрева до температур выше температур фазовой перекристаллизации (вплоть до температур плавления) с последующим быстрым охлаждением обработанной зоны путем, отвода теплоты за счет теплопроводности материала изделия. Скорость охлаждения при темпе­ратуре нагрева ниже температуры плавления составляет (5—10)-10³ °С/с, при кристаллизации из жидкого слоя — 10* °С/с (что в 10³ раз больше скорости обычной закалки).

В зависимости от температуры нагрева упрочненная зона может в об­щем случае состоять из трех или двух слоев. Первый слой с температурой нагрева выше температуры плавления имеет явно выраженную дендритную структуру. Оси дендритов при этом растут перпендикулярно границе раздела в направлении отвода теплоты в тело детали. Между оплавленным слоем и следующей за ним зоной термического влияния существует четкая граница. Зона термического влияния обычно состоит из белого и переходного слоев. Белый слой представляет собой светлую нетравящуюся полосу. Предполага­ют, что этот слой имеет высокую концентрацию азота за счет высокотемпе­ратурного насыщения азотом воздуха. Вследствие высокой скорости охлаж­дения эта зона имеет закаленную структуру, строение которой зависит от концентрации углерода. В закаленном слое технически чистого железа про­исходит измельчение зерна феррита (от 50 до 10—15 мкм), а в отдельных зернах образуется пакетный мартенсит с развитой блочной структурой, имеющей невысокую твердость. В малоуглеродистой стали эта зона состоит из пакетного мартенсита, а в среднеуглеродистых сталях — из пакетного и пластинчатого мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита, в эвтектоидной стали эта зона представляет пластинчатый высокодисперс­ный мартенсит с 20% остаточного аустенита. С увеличением концентрации углерода в стали содержание остаточного аустенита возрастает, что вызыва­ет снижение твердости этой зоны. Второй слой зоны термического влияния является переходным к исходной структуре. У доэвтектоидной стали оцхо-стоит из феррита и мартенсита.

Электронно-микроскопическим анализом установлено повышение плот­ности дислокаций в зоне термического влияния. При плотности мощности

1,6-10⁴ Вт/см² плотность дислокации достигает 10⁹ см"², при плотности мощ­ности 2,7-10⁴ Вт/см² плотность дислокаций возрастает до 10¹⁰ см"².

ЛТО позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых ма­териалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих эле­ментов в стали (при постоянном режиме обработки). Методом ЛТО хорошо упрочняют средне- и высоколегированные углеродистые и инструменталь­ные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколе­гированные стали при лазерной термической обработке упрочняются плохо. ЛТО практически не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.