Лазерный мир

В. П. Бирюков // Фртоника, 2022, 2

В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 40Х с лазерной закалкой из жидкого и твердого состояния. На основании проведенного регрессионного анализа получены закономерности изменения глубины и ширины зон термического воздействия при изменяемых частотах поперечных колебаний луча, скорости обработки и его дефокусировке. Расширены возможности применения сканирующих устройств резонансного типа для лазерной термической обработки и легирования сталей. Анализ результатов триботехнических испытаний показал значительное уменьшение коэффициентов трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности контакта по сравнению с исходной сталью.

Лазерная поверхностная закалка сталей обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной пламенной и индукционной поверхностной закалкой, включая отсутствие закалочной среды, и низкие остаточные деформации, высокую твердость, локальность обработки и экологическую чистоту процесса [1]. Нагрев тонкого поверхностного слоя происходит в течение малого времени лазерного воздействия на обрабатываемую деталь и быстрого охлаждения по механизму теплопроводности в глубь материала [2]. Толщина упрочненного слоя зависит от температуры поверхности и скорости лазерного сканирования [3, 4]. Основными препятствиями для широкого внедрения лазерной закалки, вместо устоявшихся технологий, являются зоны отпуска, возникающие при наложении лазерных дорожек, при обработке больших площадей. Сокращение количества зон отпуска возможно при лазерной закалке с помощью прямоугольного лазерного пятна, которое позволяет упрочнять за один проход зону в несколько раз шире, чем расфокусированное круглое лазерное пятно [5], или путем поперечных колебаний луча по ширине обрабатываемой зоны [6]. Напряженное состояние является результатом температурных градиентов и микроструктурных изменений во время нагрева и охлаждения [7], причем степень этих эффектов сильно зависит от геометрии обрабатываемой детали и положения обрабатываемой области. Для оценки температуры представлен ряд аналитических и численных моделей при лазерной термической обработке поверхности [8, 9]. В ряде работ предложены критерии оценки для прогнозирования фазовых переходов на основе расчета температурных полей [10, 11] и кинетических моделей изменения фазы [12–14].
Прогнозирование остаточных напряжений было выполнено для единичной лазерной дорожки [15–17]. Экспериментальная оценка также была проведена для конкретных случаев [18, 19], включая оценку механической и усталостной долговечности [20].

Несмотря на значительное количество работ, проведенных по исследованию влияния режимов на параметры упрочненных зон, до сих пор остаются нерешенными вопросы по оптимизации режимов лазерного термоупрочнения и легирования сталей.

Целями нашей работы было определение влияния частоты поперечных колебаний лазерного луча, положения фокальной плоскости и скорости обработки на параметры зон лазерного воздействия, включая режимы с оплавлением поверхности для возможного использования при лазерном термоупрочнении и легировании сталей и триботехнических свой­ств упрочненных образцов.

Оборудование и методы исследований
Для лазерного термоупрочнения использовали образцы стали 40Х с размерами 12 × 20 × 70 мм. Эксперименты проводили на автоматизированном лазерном технологическом комплексе [21]. В качестве варьируемых параметров были выбраны частота поперечных колебаний лазерного луча, расфокусировка пучка, скорость обработки. Плотность подводимой энергии изменяли в пределах 39,2–84,9 Вт∙с / мм2. Первую партию образцов обрабатывали на трех резонансных частотах торсиона сканирующего устройства, обеспечивающего поперечные колебания луча 78, 116 и 230 Гц. Вторую партию – на оптимизированных режимах. Мощность излучения во всех экспериментах оставалась постоянной 1 кВт. Металлографические исследования были выполнены с использованием цифровых микроскопов, инвертированного металлографического микроскопа, микротвердомера ПМТ‑3.

Испытания на трение и износ проводили по схеме: «плоский образец (сталь 40Х обработанный лазерным лучом) – ​торец вращающейся втулки (контробразец сталь 40Х, 49–53 HRC)». Скорость скольжения и давление на образец изменяли ступенчато в пределах 0,15–4,0 м / с и 1–6 МПа соответственно. В зону трения подавали масло турбинное ТП22С по 1 капле в секунду.

Математическую обработку полученных результатов по глубине закаленного из жидкого, твердого состояния (Н) и ширине зоны лазерного воздействия (В) проводили с помощью полного факторного эксперимента (ПФЭ) с использованием линейного уравнения регрессии (1)

Полное содержание на https://www.photonics.su/files/article_pdf/9/article_9265_425.pdf