Использование энергии лазера для термоупрочнения и восстановления деталей
Лазерное термоупрочнение применяется для повышения срока службы деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах, характерных только лазерной обработке.
Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей, а именно износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др. Глубина упрочненной зоны на образцах металла после лазерной термообработки без оплавления поверхности обычно не превышает 0,2 мм, однако этого вполне достаточно, чтобы повысить стойкость изделий более чем в 2,5 раза.
Почему из всех возможных сфер применения лазеров приоритет был отдан именно термоупрочнению деталей? «Это наиболее перспективная и экономически выигрышная ниша», – поясняет генеральный директор компании «Лазтеруп» Григорий Евстюнин. «Годовой объем рынка термоупрочнения в России – десятки миллиардов долларов, так что изначальный выбор направления развития был для нас очевиден».
Упрочнение и восстановление изношенных поверхностей деталей сегодня действительно актуальный технологический вопрос. На любом производстве детали и части механизмов в процессе эксплуатации изнашиваются, вследствие чего, рано или поздно, требуют замены. А упрочнение рабочих поверхностей позволяет повысить полезный срок службы деталей, делая их более прочными и износоустойчивыми. Поэтому те предприятия, где умеют считать деньги, ценить эффективность производства и видеть выгоду в новых технологических решениях, активно прибегают к различным средствам упрочнения. Учитывая, что выгода от упрочнения налицо (затраты на замену деталей и оборудования в любом случае будут выше), спрос на соответствующие технологические процессы стабильно высок.
На данный момент упрочняют и восстанавливают изношенные поверхности самыми разными способами – начиная от электродуговой и плазменной закалки и заканчивая газо-термическим напылением. Лазерное термоупрочнение в этом ряду новичок, но уже уверенно претендует на лидерские позиции. Причины просты – новая технология выигрывает у своих конкурентов буквально по всем значимым позициям.
Сам процесс формально прост: луч лазера движется по кромке детали, на глубине, в среднем, от 0,3 до 1 миллиметра мгновенно накаляя участок детали до сверхвысоких температур и так же мгновенно его охлаждая. Вследствие этого происходит закалка рабочих поверхностей деталей, повышается их твердость и износостойкость.
В чем преимущества именно лазерной технологии? Оперативность, высокая точность и не менее высокая эффективность.
Во-первых, лазер обрабатывает не всю деталь, а только рабочую поверхность, которая подвергается наибольшему износу. За счет этого обеспечивается быстрота выполнения операций, а также рауиональность и экономичность всего процесса. Обработка одной детали может быть совершена за считанные минуты, после чего ее можно смело использовать по назначению.
Во-вторых, рабочая поверхность упрочняемой детали при обработке лазером не деформируется. Например, для производств, где необходима технологическая точность, это крайне важно. После лазерного термоупрочнения не требуется проводить какие-либо доводочные и прочие работы, чтобы подготовить деталь к последующей работе. Геометрия и шероховатость обрабатываемой поверхности не меняется, так что лишние трудовые и временные затраты не понадобятся.
В-третьих, благодаря конструкции лазерного комплекса, есть возможность обрабатывать даже детали с очень сложной геометрией.
Лазерная наплавка - уникальный метод нанесения износостойких поверхностных слоев без поводок и короблений практически на любую поверхность. Лазерное восстановление может широко использоваться в ремонтном производстве для восстановления прецизионных деталей, везде - где требуется повышенная твердость и износостойкость слоя, надежность и долговечность (клапана ДВС, распредвалы, полуоси, штоки, коленчатые валы, крестовины, детали трансмиссий и др.). В отличие от напыления при лазерной наплавке создается монолитный бездефектный слой, который имеет металлургическую связь с основой. Кроме использования энергии лазера для восстановления локальных мест достаточно габаритных деталей возможно использовать специальные наплавочные горелки. Инжекционные горелки с дозатором подачи присадочного материала фирм "Sylver Metco",
"EURO-JET" позволяют качественно восстанавливать локалые места на крупногабаритных излелиях, заваривать трещины в чугуне (головки блоков двигателей) и осуществлять мелкие ремонтные работы.
верхностное упрочнение деталей лучом лазера характеризуется рядом преимуществ, а именно: упрочнением локальных (по глубине и ширине) объемов деталей в местах, их износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме, твердость при этом превышает 15 – 20% твердость посте термообработки существующими способами.
Упрочнением поверхностей труднодоступных полостей, углублений, куда луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств; созданием «пятнистого» поверхностного упрочнения значительных площадей, при котором не образуется сплошного хрупкого слоя, склонного к растрескиванию, деформированию, отслаиванию и т.п.; получением заданных свойств (механических, химических и других) обрабатываемых поверхностей деталей путем их легирования различными элементами с помощью излучения лазера; отсутствием деформаций обрабатываемых деталей, обусловленных локальностью термообработки, что позволяет практически полностью исключить финишную обработку; отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, что вместе с бесконтактностью лазерного нагрева обуславливает простоту автоматизации процесса термообработки по контуру, в том числе деталей сложной формы и др.
Лазерные методы упрочнения целесообразны при обработке поверхностей сложной конфигурации, деформирование которых должно быть сведено к минимуму; при трудности подвода теплоты к обрабатываемой зоне детали обычными способами; при малых размерах поверхности обрабатываемых зон в сравнении с размерами деталей.
Широкое внедрение методов лазерного упрочнения в различные отрасли промышленности обуславливается рядом благоприятных факторов:
- наличием серийного лазерного высокопроизводительного оборудования как импульсного, так и непрерывного действия;
- сравнительной простотой лазерного упрочнения, обуславливающей несложный подбор технологических режимов обработки деталей;
- значительной номенклатурой обрабатываемых деталей, требующих локального упрочнения;
- большой технико-экономической эффективностью, определяемой достоинствами лазерной термообработки и др.
В ряде случаев формы и размеры различных деталей не позволяют использовать существующие способы поверхностного упрочнения для термообработки вследствие появления значительных напряжений в поверхностных слоях, приводящих их к деформированию и т.д. Поэтому прочность деталей, изготовленных, например, из конструкционных сталей в состоянии поставки, как правило, невелика.
Методы лазерной обработки образуют группы, основанные, соответственно, на нагреве, плавлении и ударном нагружении материала в зависимости от плотности излучения лазера и времени его воздействия.
Нагрев определяет такие процессы, как отжиг материалов, а также наиболее распространенный метод лазерного поверхностного упрочнения посредством фазовых превращений в твердом состоянии в поверхностных слоях металлов и сплавов при очень быстрых нагреве и последующем охлаждении.
Лазерное упрочнение, основанное на фазовых превращениях в поверхностном слое, требует минимальной плотности потока излучения лазера при максимальном его воздействии.