Лазерный мир

П.А. Огин, Д.Л. Мерсон, С.И. Яресько // Вектор науки ТГУ. 2016. № 2 (36), с:46-51, УДК 621.373.826:621.78, DOI: 10.18323/2073-5073-2016-2-46-51

АННОТАЦИЯ:

Повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей машин, технологической оснастки и металлорежущего инструмента актуально для современной промышленности. Одним из наиболее интенсивно развивающихся методов повышения износостойкости поверхностей трения является лазерная закалка. Лазерная закалка обрабатываемой поверхности возможна из жидкого или твердого состояния. При лазерной закалке из жидкого состояния достигаются наибольшие значения глубины и ширины упрочненного слоя. Для большой номенклатуры корпусных деталей возможно применение лазерной закалки с оплавлением поверхности. В связи с этим изучение структуры зоны упрочнения и выбор режимов, при которых достигаются максимальные характеристики упрочненного слоя, актуально для реализации технологии лазерного закалки в производственных условиях. В работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния мощности излучения квазинепрерывного оптоволоконного иттербиевого лазера и скорости движения луча лазера на геометрию зоны оплавления стали 40Х без учета изменения геометрии зоны термического влияния. На поверхности образцов с размерами 30х10х5 мм с помощью лазерного излучателя ЛК-150/1500-QCW-AC формировали одиночный термический след с отчетливо заметной зоной оплавления, поперечное сечение которого в дальнейшем изучали при помощи микроскопа ЛабоМет-1. В результате изучения геометрических характеристик поперечного сечения зоны оплавления установлены режимы обработки, при которых изменяется внешний вид сечения зоны оплавления, определены ее ширина и глубина в зависимости от мощности лазерного излучения. Установлены режимы лазерной обработки, при которых достигается наибольшая разница между глубиной зоны оплавления и глубиной кратера, образующегося на поверхности стали.

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ: THE INFLUENCE OF LASER EMISSION AND BEAM VELOCITY ON THE GEOMETRY OF FLASHING ZONE DURING LASER HARDENING OF 40H STEEL, Ogin Pavel Aleksandrovich1, Merson Dmitriy Lvovich1, Yaresko Sergei Igorevich2

The improvement of operating characteristics of the working surfaces of machine parts, tooling and metal cutting tools is important for the modern industry. Laser hardening is one of the most intensively developing methods of improvement of friction surfaces wear resistance. Laser hardening of treated surface is possible from liquid or solid state. The largest values of depth and width of a hardened layer are achieved when laser hardening from the liquid state. The application of laser hardening with surface flashing is possible for a large range of body parts. In this regard, the study of hardened zones structure and the selection of modes that cause the maximum hardened layer characteristics are important for the implementation of laser hardening technology under factory conditions. The paper presents the results of experimental study of the influence of the emission power of the quasi-continuous fiber optic ytterbium laser and laser beam velocity on the geometry of 40H steel flashing zone, not including changes in heat-affectd zone geometry. Using the LK-150/1500-QCW-AC laser emitter, the authors formed on the surface of 30x10x5 mm samples the isolated thermal wake with distinctively noticeable fluxed zone and then studied the cross-section of this wake using the LaboMet-1 microscope. In the result of the study of fluxed zone cross-section geometric characteristics, the authors determined the treatment modes at which the fluxed zone cross-section appearance changed and defined its width and depth depending on the laser emission power. Laser treatment modes are defined when the largest difference between the fluxed zone depth and the depth of the crater formed on steel surface is achieved.

ВВЕДЕНИЕ
Создание в приповерхностном слое сталей и сплавов структур, обладающих повышенными физико-механическими свойствами, актуально для современной промышленности при изготовлении деталей и инструмента различного назначения.
В ряде случаев целевая задача повышения ресурса конкретного типа изделия не предусматривает качественной модификации структуры используемого материала во всем его объеме, а решается путем применения методов поверхностного упрочнения. Согласно современным представлениям о природе технического ресурса, повышение уровня износостойкости деталей машин, механизмов и инструмента связано не столько с увеличением твердости контактирующих поверхностей, сколько с возможностью управления их физикохимическими свойствами в зависимости от интенсивности механического износа при изменении характера нагружения. Одним из методов, позволяющих реализовать такой подход, является лазерная упрочняющая обработка. Улучшение физико-механических свойств рабочих поверхностей, наиболее подверженных износу, обеспечивает существенный рост эксплуатационных характеристик деталей в течение всего периода работы [1].
По мере развития источников лазерного излучения (в том числе с появлением оптоволоконных лазеров) и совершенствования систем доставки излучения в зону обработки возрастают возможности лазерных технологий, используемых для улучшения физико-механических свойств изнашиваемых поверхностей. К методам лазерной модификации относятся лазерная закалка, лазерное легирование, лазерная наплавка, лазерная аморфизация
и др. [2–14]. Из них технологически более просто реализуется лазерная закалка, существенным преимуществом
которой является отсутствие необходимости введения в зону обработки дополнительных легирующих элементов и присадочных материалов.
Сущность процесса лазерной закалки заключается в локальном нагреве участка поверхности материала под воздействием излучения и последующем его охлаждении со сверхкритической скоростью в результате отвода теплоты во внутренние слои металла. Процесс закалки поверхности сталей и сплавов при воздействии лазерного излучения может происходить как в твердом, так и в жидком состоянии при частичном оплавлении поверхности материала в зоне обработки. Оба эти метода могут использоваться в промышленности. Их применение, в основном, регламентируется условиями эксплуатации изделия и трудоемкостью реализации процесса закалки.
При лазерной закалке из твердого состояния (без оплавления поверхности) образуется слой с повышенными
физико-механическими свойствами. В этом случае глубина зоны упрочнения при закалке импульсным и непрерывным излучением составляет 0,07–0,15 и 0,8–0,9 мм соответственно [15; 16]. Увеличение глубины упрочненного слоя возможно при обработке с оплавлением поверхности. В частности, в источнике [17] показано, что при закалке сталей и чугунов излучением иттербиевого лазера при плотности мощности более 9103 Вт/см2 и скорости движения лазерного луча менее 10 мм/с создаются условия для появления ванны расплава.

Источник: http://elibrary.ru/item.asp?id=26223123