Лазерный мир

М.Волков, А.Кишалов, Н.Орлов, В.Серебряков, В.Смирнов, А.Филатов // ФОТОНИКА, Издательство: Рекламно-издательский центр «ТЕХНОСФЕРА» (Москва) ISSN: 1993-7296 eISSN: 1993-7296, Номер: 3 (45) Год: 2014 Страницы: 34-44

АННОТАЦИЯ:
Износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, герметичность соединений, прочность посадок — во многом эти свойства деталей и соединений определяют надежность и долговечность оборудования и конструкций. Рассмотрены результаты применения лазерных технологий улучшения свойств поверхности металлов и неметаллов — лазерной очистки и лазерного наклепа.

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ:

Laser Cleaning and Laser Shot Peening. Technologies for Surface Properties Improvement // Filatov A., Kishalov A., Orlov N., Serebryakov V., Smirnov V., Volkov M.

Wear resistance, fatigue strength, corrosion resistance, tightness of joints and fit strength — these properties of parts and joints in many respects determine the reliability and longevity of equipment and constructions. The results of application of laser technologies for the improvement of metal and nonmetal surface properties — laser cleaning and laser shot peening are considered.

Часто разрушение деталей механизмов начинается с поверхности. Поэтому, обеспечив заданное проектировщиком качество поверхностного слоя детали, можно уверенно прогнозировать надежность работы всего механизма.

Таким образом, решение проблемы повышения качества механизмов, оборудования, конструкций и приборов лежит в области обеспечения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей. При этом вопрос касается как геометрических параметров, так и физико-химических свойств покрытий и самого поверхностного слоя.

Лазерные технологии, все новые и новые варианты их использования в науке и технике способны повысить эксплуатационное качество поверхностного слоя детали.

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА
Лазеры только появились, и уже тогда технологи мгновенно обратили внимание на возможности использования «чистой лучевой энергии» в качестве средства для очистки. Импульсный высококонцентрированный световой пучок способен моментально нагреть тонкий поверхностный слой материала так, что тот просто испарится без заметного воздействия на материал, расположенный глубже. Заметим, в ряде случаев при этом материал покрытия даже не испытает термического разложения, а загрязнения, сопровождающиеся образованием и выделением токсичных или нежелательных веществ, не успеют появиться.

В результате мы имеем уникальный по своим свойствам метод очистки, лишенный всех тех недостатков, которые присущи классическим механическим и химическим методам очистки. Отметим, что проявление дополнительных эффектов, связанных с генерацией в приповерхностном слое термоупругих напряжений и ударных акустических волн, повышает производительность процесса очистки, дополняя усилия по «отрыву» загрязнений от поверхности.

Развитию технологий лазерной очистки в основном препятствовали экономические проблемы (стоимость инструмента) и низкая производительность процесса. Интересно, что лазерные методы очистки уже давно успешно используют в реставрации для очистки музейных ценностей – области, где стоимость и производительность не играют такой определяющей роли.

Появление надежных, компактных и достаточно недорогих лазерных источников – иттербиевых волоконных лазеров с высоким КПД и большим сроком службы (до 100 000 ч) позволило совершить переход на новый качественный уровень технологиям лазерной очистки. Применение новых источников лазерного излучения в технологиях лазерной очистки обеспечивает выполнение высоких современных требований к экологичности производства. В ряде промышленно развитых стран работают компании, чьи функции связаны исключительно с разработками оборудования и методов лазерной очистки.

Схема процесса лазерной очистки (рис.1) предельно проста – излучение импульсного лазера фокусируют на поверхности детали. Причем размер пятна должен быть таким, чтобы плотность мощности излучения за время импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его разрушения (испарения или сублимации). Ориентировочная величина такой плотности мощности составляет 107–1010 Вт/см2 и более. При фокусировке излучения в пятно диаметром порядка 0,2 мм для достижения такой плотности мощности достаточно использовать импульсный волоконный лазер со средней мощностью всего 10 Вт.

В настоящий момент на базе импульсных волоконных лазеров производства IPG Photonics уже разработаны системы лазерной очистки. Наиболее компактным и доступным для конечного потребителя классом оборудования для лазерной очистки являются ранцевые устройства. Основным зарубежным производителем таких компактных систем лазерной очистки является немецкая фирма Clean-Lasersysteme GmbH. В России подобные системы разработала компания ООО «НПП ВОЛО».

Использование технологии лазерной очистки

Область задач, в решении которых используются технологии лазерной очистки, простирается от операций удаления загрязнений до операций снятия покрытий, нанесенных на изделие в процессе его изготовления.

Чаще всего лазерная очистка используется для:

• удаления лакокрасочных покрытий,
• удаления гальванических покрытий,
• удаления эксплуатационных загрязнений,
• удаления биологических загрязнений,
• предварительной обработке поверхности перед склеиванием или нанесением каких-либо функциональных покрытий для увеличения ее адгезионных свойств,
• удаления СОЖ,
• удаления следов коррозии,
• удаления консервационных покрытий и комбинированных загрязнений.

Многообразие применений лазерной очистки порождает многообразие лазерных устройств, предназначенных для решения этих задач. Для глубокого проникновения на рынок и широкого распространения подобные лазерные устройства должны обладать рядом достоинств. Во-первых, лазерное оборудование очистки должно иметь низкую стоимость. Во-вторых, обеспечивать низкую стоимость при эксплуатации. В-третьих, проявить высокую надежность в работе. В-четвертых, обладать компактностью, простотой устройства и удобством в работе.

Компании «НПП «ВОЛО» удалось в своих изделиях – ранцевом оборудовании для лазерной очистки (рис.2) выполнить эти условия. Во-первых, цена ранцевого оборудования для лазерной очистки примерно равна стоимости годовой эксплуатации пескоструйного оборудования. Во-вторых, оборудование для лазерной очистки практически не требует никаких эксплуатационных расходов. В-третьих, средний ресурс оборудования, который определяется ресурсом работы лазера, составляет более 50000 часов. Наши устройства не имеют изнашивающихся механических частей. В-четвертых, полный вес такого устройства, включая вес манипулятора (ручной инструмент), не превышает 15 кг.

ЛАЗЕРНЫЙ НАКЛЕП
Еще одна технология, позволяющая существенно усилить эксплуатационные характеристики не только поверхности, но и основного материала деталей на глубину до 1 мм, была освоена в компании ООО «НПП ВОЛО». Это – технология ударного лазерного упрочнения, или технология лазерного наклепа. Сам метод лазерного наклепа известен как один из методов повышения сопротивления усталости, длительной прочности, коррозионному растрескиванию деталей машин и конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенных температур и циклических нагрузок. Если детали, узлы машин и механизмов подвержены циклическим знакопеременным нагрузкам, равно как и значительным тепловым нагрузкам, то существует высокая вероятность образования микротрещин, рост которых может привести к разрушению детали. Метод упрочнения поверхности позволяет снизить вероятность образования микротрещин.

Принцип лазерного ударного упрочнения

Лазерное упрочнение поверхности обеспечивается ударной волной большой амплитуды, которая генерируется в лазерной плазме при помощи лазерных импульсов высокой энергии. Эффект упрочнения достигается за счет механической деформации в холодном состоянии, производимой ударной волной, а не термическим нагреванием поверхности излучением лазера, как в случае лазерной закалки. В самом общем случае поверхность обрабатываемой детали (рис.8) покрывают слоем-поглотителем (слой краски или пленки, которая хорошо поглощает лазерное излучение), непрозрачным для лазерного излучения. Затем добавляют слой прозрачного для лазерного излучения материала, это может быть вода или другая жидкость (которая может течь по поверхности детали, течение должно быть ламинарным, не иметь пузырьков и видимых завихрений). Сфокусированное лазерное излучение направляется на поверхность, оно проходит через прозрачный слой и взаимодействует со слоем-поглотителем. При взаимодействии лазерная энергия адсорбируется внутри слоя-поглотителя, происходит его испарение и формируется плазменный факел. Давление в изолированной плазме быстро возрастает, вызывая ударную волну, которая идет в материал детали через остаток непрозрачного слоя-поглотителя и наружу через слой прозрачного материала.

Заключение
Технология ударного упрочнения поверхности родилась еще в прошлом веке, а с появлением твердотельных лазеров она начала интенсивно развиваться и преобразовалась в технологию лазерного ударного упрочнения (лазерный наклеп). Заказчику остается только сделать правильный выбор разработчика конечной системы. Компания ООО «НПП ВОЛО» разрабатывает и производит лазерное оборудование под разные промышленные задачи очистки материалов. В своей работе, опираясь как на мировой опыт, накопленный в этой области, так и на свои разработки, ООО «НПП ВОЛО» создает лазерное оборудование, реализующее методы улучшения качества поверхности. У промышленных предприятий появляется возможность модернизировать свое производство, интегрировав лазерное оборудование компании ООО «НПП ВОЛО» в свои технологические линии.

Break up of mechanism parts often starts from the surface. Therefore, if the quality of the part surface layer specified by designer is provided it will be possible to forecast reliability of the whole mechanism operation with confidence. Thus, solution of the problem of quality enhancement of mechanisms, equipment, constructions and devices lies within the range of provision of performance characteristics of the part surface layer. And this issue is related to the geometrics as well as physical and chemical properties of coatings and surface layer. Laser technologies and new options of their application
in science and engineering are capable to improve the functional quality of part surface layer.

LASER CLEANING
When lasers have just appeared, instantly technologies paid attention to the capabilities connected with the use of «pure beam energy» as the cleansing agent. Pulse highly-concentrated light beam is able to heat thin surface layer of the material instantly in such manner that it can evaporate without noticeable action on the material which

…

Conclusions
Technology of laser impact surface hardening (laser shot peening) occurred in the last century but it has started developing actively when the solidstate lasers were designed. Customer just needs to make right choice of the developer of end system.
NPP VOLO company develops laser equipment for different industrial tasks of cleaning of the treated materials. VOLO designs laser equipment which implements the methods of improvement of surface layer in its work relying upon the world experience which was accumulated in this area as well as its own projects. Industrial enterprises have opportunity to upgrade their production integrating the laser equipment produced by VOLO into their production lines.

Полное содержание статьи на русском и английском: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4176_421.pdf