Лазерное армирование

Лазерные технологии, Научная библиотека, Промышленные лазеры Комментариев к записи Лазерное армирование нет

В. М. Журавель, д. т.н., ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» // журнал РИТМ Машиностроение, №5, 2018, с: 36-37

Одним из главных, если не самым главным направлением работ по лазерному упрочнению поверхности является повышение износостойкости и долговечности деталей, работающих в условиях сухого или жидкостного трения. Это достигается получением на поверхности деталей закалочных структур, отличающихся от традиционных методов термообработки повышенной твердостью и рядом других достоинств. При этом, как правило, лазерному облучению (воздействию) подвергается вся или большая часть поверхности детали, входящей в контакт с сопрягаемой деталью. Для создания сплошного покрытия часто применяют лазерное упрочнение с перекрытием дорожек. Такая технология является превалирующей, и она доказала свою эффективность в ряде отраслей промышленности.
Однако этим не исчерпываются возможности термического воздействия лазерного излучения. Одним из направлений работ, предложенных нами, является увеличение прочности и жесткости деталей, особенно тонкостенных, к которым предъявляются повышенные требования по устойчивости формы. Мы назвали эту технологию лазерным армированием. Ее суть заключается в следующем. На поверхность деталей, внутреннюю или наружную, или на обе поверхности лазерным лучом наносятся упрочняющие дорожки различной конфигурации, образующие в теле детали армирующий каркас заданной геометрии и представляющие собой участки того же материала с более высокими значениями твердости.
В чем отличие этой технологии от традиционного лазерного упрочнения? Обычно при лазерной поверхностной термообработке отношение упрочненной зоны к общей площади обработанной поверхности составляет от 50 до 100%. При лазерном армировании это соотношение варьируется от 10 до 40%.
Расчетно-экспериментальные исследования показали, что оптимальными параметрами лазерного армирования являются:
— отношение твердости дорожек армирующего каркаса к твердости основы применительно к углеродистым сталям — 3 …5;
— отношение ширины
дорожек армирующего каркаса к ширине детали — 1/10–1/30;
— отношение глубины упрочненной зоны к толщине детали — 1/3 …1/10.
Возможные схемы нанесения армирующего каркаса на плоские детали типа дисков и пластин показаны на рис. 1.

Рис. 1. Возможные схемы армирования дисков, колец и полотен

Практическая реализация предложенной технологии осуществлялась на ряде деталей. В частности, в содружестве с «ВНИИтрансмаш» отрабатывалась оригинальная технология повышения жесткости и прочности дисков трения бортовых фрикционов гусеничных машин (дет. 432–40–071–1; 35039–12–1108 и др., наружный диаметр зубчатого венца диска 507 мм, внутренний диаметр диска — 430 мм, толщина — 5 мм) путем нанесения концентрированным лазерным лучом специального рисунка на обе поверхности диска. Глубина упрочненного слоя – 0,5–0,8 мм, твердость 52–54 HRC. Схема армирования дисков трения показана на рис. 2.

Достигнутые показатели: повышение устойчивости дисков против коробления — в 2,5–3 раза, против усадки — в 2–2,5 раза. Для обработки этих деталей были разработаны специальное оптическое устройство (внеосевой сканатор) и оснастка. Результаты стендовых испытаний дисков трения на термическую стойкость показали, что коробление и усадка дисков трения, упрочненных лазерным лучом, примерно в два раза ниже, чем для серийных дисков.
Возможные схемы лазерного армирования обечаек, гильз и оболочки показаны на рис. 3. Опытные работы подтвердили эффективность метода. Например, уменьшение усадки наблюдалось при двухстороннем лазерном упрочнении тонкостенных гильз цилиндров из стали 38 ХНМЮА для двигателей внутреннего сгорания (работы выполнялась для НИИД).

В 90‑е годы разработчиками легких броневых сталей была поставлена задача оценить возможности лазерной термообработки для повышения ударной прочности материала. С этой целью на плиты размером 600х600 мм, вырезанные из стали 2 П, наносились упрочняющие дорожки по различным рисункам, причем половина площади плит оставалась в состоянии поставки для сравнительной оценки при испытаниях. Характеристики обработки: глубина упрочненного слоя — до 2,5 мм, твердость 48–52 HRc, производительность 150–200 кв см/мин. По результатам огневых испытаний ударная прочность упрочненных участков повысилась на 30%, что следует считать хорошим показателем. Схемы упрочнения пластин, листов и плит показаны на рис. 4.


Рис. 4. Схемы армирования пластин, листов и плит

Эти работы выполнялись в содружестве со СНИТИ, который принял на себя организационную часть и проведение испытаний. В творческом коллективе принимал участие М. М. Малыш, который в настоящее время является сотрудником Уральского центра лазерной технологии.
Смежным, но, возможно, перспективным направлением для оборонных предприятий является названная нами «штриховка» цилиндрических деталей (создание концентраторов напряжений для управляемого разлета осколков). На рис. 5 показаны схемы обработки. Опытные работы были выполнены нами в 90‑е годы для одного из оборонных предприятий Чехословакии, результаты огневых испытаний были успешными.

Рис. 5 «Штриховка» цилиндрических деталей
К сожалению, эти работы были прекращены по ряду причин: объективных (развал промышленности в 90‑х годах) и субъективных (автор сосредоточил свою деятельность по созданию оборудования и технологий для народного хозяйства в рамках постановления СМ СССР и МНТК «Технологические лазеры»).
С нашей точки зрения, предложенная технология лазерного армирования может быть продолжена в настоящее время на более высоком научном и технологическом уровне с учетом нового лазерного оборудования и средств автоматизации, в т. ч. робототехнических. Если рассматривать перечисленные технологии раздельно, то хорошие перспективы имеет лазерное армирование дисков трения, тонкостенных гильз, обечаек и оболочек. Что касается упрочнения брони и «штриховки», то эти направления нуждаются в дополнительной проработке с заказчиками, особенно в вопросах производительности в первом случае и массового характера производства во втором. Сдерживающим фактором является также недостаток высококвалифицированных специалистов — расчетчиков сложнонапряженных тонкостенных конструкций.

Полное содержание статьи: http://www.ritm-magazine.ru/ru/magazines/2018/zhurnal-ritm-mashinostroeniya-5-2018#page-3738


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top