Лазерный мир

Гуреев Г.Д., Гуреев Д.М. // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Физико-математические науки, 2005

Аннотация

Экспериментально исследовано влияние толщины металлической пластины на глубину зоны закалки ее поверхности непрерывным лазерным излучением. Из сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими зависимостями, основанными на моделях полубесконечной среды, тонкой пластины и промежуточной модели, получено эмпирическое аналитическое соотношение, связывающее глубину зоны закалки с параметрами лазерного воздействия, теплофизическими характеристиками материала пластины и ее толщиной. Показано, что предварительное ультразвуковое деформирование поверхности пластины ведет к дополнительному возрастанию глубины зоны ее последующей лазерной закалки.

Описание:

Экспериментально исследовано влияние толщины металлической пластины на глубину зоны закалки ее поверхности непрерывным лазерным излучением. Из сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими зависимостями, основанными на моделях полубесконечной среды, тонкой пластины и промежуточной модели, получено эмпирическое аналитическое соотношение, связывающее глубину зоны закалки с параметрами лазерного воздействия, теплофизическими характеристиками материала пластины и ее толщиной. Показано, что предварительное ультразвуковое деформирование поверхности пластины ведет к дополнительному возрастанию глубины зоны ее последующей лазерной закалки.

Введение.

К настоящему времени проведены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования процессов, протекающих в поверхностных слоях металлов при кратковременном воздействии на них лазерного излучения, и получены результаты, имеющие важное фундаментальное и прикладное значение [1-4]. Вместе с тем использование этих результатов в применении к лазерной термообработке поверхности металлических пластин в инженерной практике не всегда оказывается успешным. Одной из основных причин этого является отсутствие простого аналитического соотношения, связывающего геометрические размеры зон лазерной термообработки с параметрами лазерного воздействия, теплофизическими характеристиками материала пластин и их толщиной в явном виде.

В соответствии с этим цель данной работы состояла в выводе такого аналитического соотношения на основе собственных экспериментальных исследований и в дополнительном изучении возможностей совмещенного лазерно-ультразвукового воздействия в процессах локального термомеханического упрочнения поверхности металлических пластин.

Методика эксперимента. В качестве образцов нами использовались пластины из стали 40Х в исходном отожженном состоянии. Толщина пластин варьировалась от 1 до 7 мм. Для уменьшения коэффициента отражения лазерного излучения поверхность пластин покрывалась ~ 40 мкм слоем черной типографской краски.

Лазерная обработка поверхности пластин осуществлялась непрерывным излучением твердотельного УАО:К^лазера ЛТН-103 (длина волны излучения 1.06 мкм). Излучение мощностью 135 и 145 Вт с помощью оптической системы СОК-1 фокусировалось в пятно диаметром 1 мм. Скорость перемещения луча по поверхности пластин составляла 4 мм/с.

При совмещенной лазерно-ультразвуковой обработке поверхности пластин предварительное пластическое деформирование поверхности осуществлялось путем ввода в нее ультразвуковых колебаний через конусообразный концентратор полуволновой длины, который крепился к торцу подключенного к выходу ультразвукового генератора УЗГ1-1 магнитострикционного преобразователя ПМС1-1 и поджимался к поверхности вблизи пятна фокусировки лазерного излучения с усилием 50 Н. Частота ультразвуковых колебаний составляла 22 кГц, амплитуда -до 45 мкм, мощность — до 1 кВт.

Схемы лазерной и лазерно-ультразвуковой обработок поверхности пластин приведены на рис. 1.

Геометрические параметры, микромеханические характеристики и структурно-фазовый состав формирующихся при лазерной и лазерно-ультразвуковой обработках зон исследовались с применением методов металлографии, микродюриметрии и рентгеновского фазового анализа.

Для травления поперечных шлифов образцов использовался 4 % раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Металлографический анализ структур осуществлялся на оптическом микроскопе №орЬо1-30. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.98 Н. Запись дифрактограмм обработанных поверхностей производилась на дифрактометре Дрон-3 с использованием ^-излучения кобальта. При этом содержание остаточного аустенита определялось методом гомологических пар линий (110)а и (111)г.

Экспериментальные результаты и их анализ. На рис. 2-4 приведены распределения микротвердости Н0.98 по глубине 7 в пластинах толщиной 2 и 4 мм, поверхности которых подвергнуты лазерной обработке, и зависимости содержания остаточного аустенита Аост в поверхностных слоях зон лазерной закалки и глубины 2з самих этих зон от толщины к пластин соответственно. Анализ представленных результатов показывает, что на процесс лазерной закалки оказывают влияние не только параметры лазерного воздействия (плотность поглощенной мощности излучения и время воздействия) и теплофизические характеристики материала (теплопроводность и температуропроводность), но и геометрические размеры пластин (в частности толщина).

Заключение. Таким образом, в результате теоретического анализа экспериментальных зависимостей получено эмпирическое аналитическое выражение, отражающее хорошо согласующееся с экспериментом влияние на глубину зоны закалки поверхности пластины как параметров лазерного воздействия и теплофизических характеристик ее материала, так и толщины пластины. Это позволяет надеяться на эффективное использование данного выражения в инженерной практике.

Показано, что совмещение предварительного ультразвукового деформирования поверхности пластины с ее последующей лазерной закалкой является эффективным способом увеличения толщины упрочненного слоя, в основе которого лежит снижение температуры начала фазового «-^-превращения в пластически деформированной стали.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГригорьянцА.Г., СафоновА.Н. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. М.: Высш. шк., 1988. 159 с.

2. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: СамГУ, 2001. 392 с.

3. Прохоров А.М., Конов В.И., Урсу И., Михэилеску И.Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. М.: Наука, 1988. 537 с.

4. Жаткин С.С. Особенности динамики нагрева, структурных изменений и релаксационных процессов в металлах при импульсном лазерном воздействии / Автореферат дисс… канд. физ.-мат. наук. Самара: СамГТУ, 1996. 17 с.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernoe-i-lazerno-ultrazvukovoe-uprochnenie-poverhnosti-metallicheskih-plastin/pdf