Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением

Лекция №7 - 3 часа

 

Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением

 

План лекции

1. Введение

2. Методы лазерной обработки  поверхностей

3. Механизм термоупрочнения железоуглеродистых  сплавов

4. Лазерное упрочнение импульсным  излучением

 

1. Введение

 

Упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующим охлаждением этой поверхности со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода во внутренние слои металла.

В отличие от известных процессов термоупрочнения нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом. При этом время нагрева и охлаждения незначительны, вследствие чего формирование структуры при лазерной термообработке имеет свои специфические особенности.

2. Методы лазерной обработки поверхности

Управление интенсивностью лазерного излучения позволяет реализовать процессы в поверхностном слое обрабатываемого материала: нагрев до температуры не превышающих температуру плавления, но достаточную для структурно-фазовых превращений; нагрев до температур плавления и выше, но недостаточную для испарения; интенсивное испарение поверхности.

Эффекты, которые возникают в поверхностном слое обрабатываемого материала при протекании этих трех основных процессов явились основой для разработки ряда методов лазерного термоупрочнения (рис.1).

Рис.1. Методы лазерного упрочнения

Лазерный отжиг - процесс лазерной обработки тонких листовых материалов, основанный на использовании излучения с низкой плотностью мощности, обеспечивающего скорости нагрева и охлаждения, не превышающих критических значений.

Лазерное термическое упрочнение с оплавлением отличается от упрочнения без фазового перехода большими размерами зоны лазерного воздействия, более выраженной неоднородностью поверхностного слоя.

Существенным недостатком лазерного упрочнения в режиме оплавления является нарушение исходной шероховатости, что требует проведения финишной механической обработки.

Аморфизация поверхности - процесс, при котором с помощью лазерного облучения в режиме интенсивного оплавления в поверхностном слое обрабатываемого материала создается максимально возможный градиент температур. При таких условиях скорости охлаждения могут достигать 106 … 107 ОС/с, которые являются достаточными для "замораживания" разупорядоченной при расплавлении структуры, т.е. перевода металла в аморфное состояние.

Лазерное микролегирование заключается в расплавлении поверхности обрабатываемого материала и введения в образовавшийся расплав легирующих элементов.

Лазерная наплавка представляет процесс, при котором на предварительно подготовленную поверхность одновременно с лазерным излучением подается в виде порошка наплавляемый металл. Происходит расплавление порошка и, частично, основы, что обеспечивает хорошую адгезионную прочность покрытия.

Шоковое упрочнение реализуется при обработке импульсным лазерным излучением. На облучаемую поверхность предварительно наносят тонкий слой легкоплавкого металла, например, свинца. При воздействии лазерного излучения на этот металл происходит его взрывное испарение. Образующаяся газодинамическая струя воздействует на основной металл и генерирует в его поверхности мощную ударную волну, которая вызывает пластическую деформацию и наклеп.

Благодаря высокой универсальности лазерных методов, они могут быть широко использованы во многих отраслях промышленности.

 

3. Механизм термоупрочнения железоуглеродистых  сплавов

 

Лазерное термоупрочнение сталей по аналогии с другими видами закалки заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения.

Высокоскоростной нагрев, характерный для лазерной обработки, и малое время охлаждения создают условия, при которых не успевает произойти процесс укрупнения зерна, как при длительном нагреве. А высокие скорости охлаждения вызывают большую неоднородность структуры, что вызывает её большую дефектность и рост напряжений в кристаллической решетке. Микротвердость сталей после лазерной закалки на 2000 МПа и выше микротвердости сталей, подвергнутым обычным методам закалки.

 

4. Лазерное упрочнение импульсным  излучением

 

При обработке импульсным лазерным излучением упрочняемый профиль образуется совокупностью отдельных зон лазерного облучения, полученных от воздействия единичных импульсов. Поэтому от формы пятна фокусирования, степени заполнения зонами лазерного воздействия упрочняемого профиля, а также от частоты следования импульсов зависит производительность процесса упрочнения, его эффективность.

При линейной обработке поверхностный слой материала с измененными свойствами представляет собой один ряд взаимно перекрывающихся зон лазерного воздействия, смещенных относительно друг друга вдоль оси перемещения на величину шага обработки (рис.2).

 

Рис.2. Линейная (I) и плоскостные (II - V) схемы лазерного упрочнения с импульсным излучением, сфокусированным сферической оптикой.

 

Важнейшей технологической характеристикой процесса является коэффициент перекрытия kn = S/dO..

При известном значении коэффициента перекрытия можно определить скорость линейной обработки V = L/t = (n dO kn)/t, где t - время обработки; n - число импульсов излучения.

Время обработки образца в импульсном режиме определяется частотой следования импульсов f = n/t . Тогда

.

Из выражения следует, что при однокоординатной (линейной) обработке материалов с увеличением шага растет скорость обработки, но при этом также возрастает неравномерность упрочненного слоя по глубине z' (схема I).

При обработке плоскостей заполнение профиля осуществляется за счет смещения зон лазерного воздействия по двум координатам х и у. Эффективность различных схем размещения оценивают коэффициентом заполнения профиля , где - площадь подвергаемая облучение; F - площадь образца.

В процессе обработки зоны лазерного воздействия могут накладыватьcя друг на друга, что вызывает непроизводительные потери энергии лазерных импульсов на повторный нагрев уже обработанного участка. Для учета этих потерь вводиться коэффициент использования импульсов

С помощью показателей k3 и kи проводят оценку возможных схем плоскостного упрочнения. Схема II реализуется при равенстве шагов в обоих направлениях, когда SХ = SY = dO. Эта схема наиболее производительна kи = 1, k3 = 0,8.

При недопустимости необлученных участков используют схему III при условиях SХ = SY = 0,7dO. При этом kи = 0,46, а k3 = 0,96 за счет участков взаимного перекрытия.

При использовании схемы IV kи = 0.74, k3 = 0,95. К недостаткам этой схемы можно отнести неравенство шагов по координатам, что усложняет реализацию схемы.

Схема V реализована при равных шагах обработки SХ = SY = 0,8dO, что позволяет считать её более предпочтительной.

По изложенной методике рассчитывается шаг и при использования цилиндрической оптики (рис.3).

 

Рис.3. Схемы лазерного упрочнения с импульсным излучением, сфокусированным цилиндрической оптикой.

 

SЦ = l1+kП b.

Поскольку l1 = l - b, шаг обработки равен SЦ = (l – b)+kП b = l + b(kП-1), где l - длина зоны лазерного воздействия.

Скорость процесса линейного упрочнения

V = SЦ f = f (kП-1).

Располагая зоны лазерного облучения в определенной закономерности по обрабатываемой поверхности можно реализовать плоскостную обработку.

Возможны другие технологические схемы, предполагающие другие относительные схемы перемещения поверхности и лазерного луча: лазерный луч неподвижен - перемещается деталь; деталь неподвижна - луч перемещается (сканирует) и комбинированная схема.

Во всех случаях скорость перемещения луча и заготовки должна быть соизмерима со скоростью изменения свойств обрабатываемого материала.

При относительном перемещении луча и заготовки время воздействия tВ определяется как время прохождения пятном фокусирования расстояния, равному его диаметру tВ =dO / V.

Глубина ЗТВ (зоны термического влияния) определяется временем воздействия лазерного излучения, за которое достигается температура, равная половине от температуры на поверхности

.

На процесс формирования упрочненного слоя влияют условия фокусирования лазерного излучения: фокусное расстояние фокусирующей линзы F, степень расфокусировки излучения , положение обрабатываемой поверхности относительно вокальной плоскости. С помощью диаметра пятна фокусирования dO можно управлять плотностью мощности лазерного излучения.

Для проведения технологических расчетов необходимо установить функциональную связь между параметрами лазерного излучения Е, do и длительностью импульса с глубиной ЗТВ-Z и микротвердостью . Как правило эти зависимости - эмпирические. В справочной литературе приводятся номограммы для определения указанных параметров.