Лазерное упрочнение и наплавка деталей сложной формы.
Современные конструктивные решения направлены на использование в новых изделиях деталей сложной формы. Однако лазерное упрочнение и наплавку таких деталей до сих пор относят к нерешенным, техническим задачам. В Институте машиноведении им. АА. Благонравова РАН разработана и успешно действует опытно-промышленная автоматизированная линия для лазерного упрочнения и наплавки. С помощью оптической системы луч транспортируется на сканер для пространственного управления лазерным лучом при упрочнении и наплавке деталей сложной пространственной формы.
Лазерные комплексы для маркировки содержат, как правило, следующие основные элементы: источник излучения, системы транспортировки и перемещения луча, развертки луча, контроля параметров излучения, управляющий компьютер. Для промышленного применения наиболее широко применяются твердотельные лазеры с длиной волны 1,06 мкм, CO2-лазеры с длиной волны 1,06 мкм, волоконные лазеры с длиной волны 1,08 мкм. Двухкоординатная развертка позволяет обрабатывать различные изделия и поверхности размерами до 250x250 мм, а для большинства технических задач маркировки достаточно поля обработки 100x100 мм.
Сущность процесса лазерной маркировки состоит в испарении или модификации поверхности маркируемого материала под воздействием лазерного излучения. По данным Лазерного центра (г. Санкт-Петербург), технические характеристики современных сканаторов позволяют перемешать лазерный луч со скоростью до 6 м/с с точностью повторения контура до 2,5 мкм, обеспечивая тем самым высокую скорость и разрешение наносимой информации, что дает возможность наносить штрих-коды на металлические, пластмассовые и другие изделия. Средняя мощность лазеров для маркировки составляет 10 Вт.
На рисунке представлена установка для маркировки «Минимаркер M10» на базе иттербиевого волоконного лазера.
Ее виды импульсной лазерной термообработки ведут при плотности мощности ниже пороговой, которая для различных сталей имеет значение Еп = (22-24) * 104 Вт/см2
Критическая плотность мощности — это значение плотности, выше которого происходит оплавление поверхности. Дли различных сталей Екр находится в интервале (2-6) * 104 Вт/см2. Процесс лазерной закалки без оплавления стремятся провести таким образом, чтобы нагреть поверхность металла до наивысшей температуры для получения максимальной глубины зоны лазерного влияния (ЗЛВ), в то же время не допустив оплавления.
Для этого необходимо работать при режимах, близких к Екр. Такие режимы принято называть оптимальными. Глубина упрочненной зоны на столик при этом, как правило, не превышает 0,1-0,15 мм. >При обработке в интервале от Екр до Еп глубина упрочнении для различных сталей составляет 0,15-1,0 мм.
Современные твердотельные лазеры на иттриево-алюминиевом гранате могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме генерации излучении. Твердотельные лазеры с ламповой накачкой мощностью излучения 500-1000 Вт производят: ОАО « уламашзавод». НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» и др.
Например, фирма ROFIN SINAR (Германия) выпускает мощные лазеры с диодной накачкой DP 055-DP 044 с мощностью излучения 550-4400 Вт, дисковые лазеры DS 015-DS 040 с мощностью излучения 1 500-4000 Вт. Следует отметить, что потребляемая мощность твердотельных лазеров в значительной степени зависит от способа накачки. Так, при мощности излучения 4000 Вт потребляемая мощность составляет 125,51 и 27 кВт соответственно для лазеров с ламповой, диодной накачкой и дисковых лазеров. Наиболее совершенными на сегодняшний день являются близкие по длине волны волоконные иттербиевые лазеры, имеющие КПД свыше 25%.
Нами использовались лазерные установки TRUMPF HL4006D с ламповой накачкой мощностью излучения до 4000 Вт и ЛС 3 — волоконный лазер с мощностью до 3000 Вт (обработка проведена в лазерных центрах ЛИТН и МИФИ). Лазерному упрочнению подвергали образцы размером 1 5x20x70 мм из стали 40Х после предварительной термической обработки до твердости НВ 260-280.
Расчет рациональных режимов обработки производился с помощью математического планирования эксперимента. Рассматривалось влияние мощности излучения (Р), скорости перемещения луча (v) и диаметра лазерного луча (d) на глубину зоны закалки (h).
Мощность излучения на лазерной установки TRUMPF HL4006D изменялась в пределах 1-3 кВт, скорость перемещения луча — 0,006-0,04 м/с, эффективный диаметр лазерного луча — 3-9,5 мм. Лазерное упрочнение производилось по широкой стороне образца без применения поглощающего покрытия. На поверхность наносилось по три упрочненные дорожки длиной 20 мм. В конце каждой дорожки после остановки лазерного луча на 0,5 секунды оставался след, ширина которого значительно превышала ЗТВ при движении луча с заданной скоростью. Так, например, при движении луча со скоростью 0,04 м/с и мощности излучения 3 кВт ширина дорожки составила 6,0 мм при диаметре стационарного луча на поверхности детали 9,5 мм. Фактический диаметр луча значительно выше, поскольку измеряемый диаметр пятна получен в результате нагрева выше цветов побежалости. Образцы разрезали в направлении, перпендикулярном движению луча. Контроль глубины лазерной закалки и микроструктуры проводили стандартным металлографическим методом, для травления использовали трехпроцентный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98Н.
К недостаткам лазерной обработки круглым пятном следует отнести неравномерность времени воздействия в центре и на периферии луча, что приводит к некоторой неравномерности физико-механических свойств по ширине зоны упрочнения. Для выравнивания времени воздействия лазерного луча и регулирования плотности мощности на поверхности детали необходимо применение сканирующих устройств с частотой колебаний луча 150-600 Гц, которые используются для работы с лазерами.
На рисунке выше приведена зависимость микротвердости образца от глубины зоны упрочнения. Мощность излучения твердотельного лазера составляла 1,0 кВт, скорость перемещения луча — 0,008 м/с. Диаметр лазерного луча — 8 мм, ширина упрочненной зоны — 5 мм.
Как видно из графика, глубина упрочненного слоя составляет порядка 1,2 мм. На данном режиме до глубины 1,2 мм твердость изменяется в пределах 7600-5200 МПа, далее следует зона отпуска с минимальной твердостью 21 80-2270 МПа, затем твердость незначительно возрастает, так как заканчивается зона термического влияния и начинается основной металл, твердость которого составляет 2600-2800 МПа.
Мощность излучения составляла 1,0 кВт, скорость перемещения луча — 0,01 м/с, ширина упрочнения — 4,6 мм при глубине зоны термического влияния 1,0 мм.
Данный режим дает несколько другую картину распределения твердости по глубине. До глубины 0,8 мм твердость остается стабильно высокой, затем снижается и на глубине 0,9 мм начинается зона отпуска глубиной 0,1 мм, далее следует твердость основного металла.
Зависимость глубины зоны закалки при варьировании диаметра лазерного луча от 3 до 6 мм, мощности излучения 1 кВт и скорости перемещения 0,006 м/с имеет плавно падающий характер.
Обработку на волоконном лазере ЛС-3 проводили при мощности излучения 700-1000 Вт, скорости перемещения луча 0,006-0,01 м/с, эффективном диаметре лазерного луча 6,00-11,0 мм.
При прочих равных условиях размер упрочненной зоны после воздействия волоконным лазером при мощности 1 кВт несколько меньше, чем на твердотельном лазере. Это объясняется большей длиной волны излучения волоконного лазера, равной 1080 нм по сравнению с 1064 нм твердотельного лазера. Чем меньше длина волны излучения, тем больше энергии поглощается обрабатываемой поверхностью. Однако, учитывая, что волоконные лазеры потребляют на порядок меньше энергии, а разница в площади зон упрочнения не превышает 5%, их применение экономически выгоднее, чем твердотельных лазеров.
Лазерное упрочнение стали 40Х при полученной твердости обеспечивает значительное повышение износостойкости по сравнению с традиционными методами термообработки. Это дает возможность замены дорогостоящих сталей 12ХНЗА, 1ПХГТ на сталь 40Х.
Следует отметить весомые преимущества лазерной обработки в сравнении с традиционными методами термической обработки материалов. При традиционной термической обработке необходим последующий отпуск, что снимает внутренние напряжения, однако наряду с этим снижает твердость обработанного слоя. При этом твердость составляет, как правило, 4И-52 HRC. Лазерная же обработка не требует дополнительных операций отпуска. При этом твердость упрочненной лазерным лучом зоны с поверхности стали 40Х составляет 58-62 HRC.
Таким образом установлены параметры зон термического влияния при воздействии мощными твердотельными и волоконными лазерами. Определены значения твердости упрочненного слоя, а также зависимости микротвердости от глубины. Мощность, затрачиваемая волоконным лазером на практически равноценные по объему зоны закалки, ниже в 5-20 раз в зависимости от типа твердотельного лазера.
Лазерное упрочнение и наплавка порошковых покрытий может осуществляться на наружные и внутренние поверхности трения деталей машин. В соответствии с этим разрабатываемое оборудование значительно отличается по своим конструктивным признакам. Внедрение технологий лазерного упрочнения и наплавки деталей в промышленном производстве сдерживается многими факторами. Одним из них является недостаточная надежность трансформаторно-резистивных источников питания, применяемых на лазерных установках тип « Комета». >Новые разработки, выполненные в ИМАШ РАН, позволяют выйти на мировой уровень надежности источников питания лазерных установок с быстрой продольном прокачкой газовой смеси.
Проведены эксперименты по лазерной наплавке порошковых композиционных покрытий на образцы из сталей 35, 33и 65Г. В качестве основы использовался серийно выпускаемый порошок ФБХ 6-2 с добавлением алюминия и Аl2О3 с различным процентным содержанием. Для металлографических исследований образцы разрезали в плоскости, перпендикулярной наплавленной поверхности. Контроль микротвердости осуществляли с помощью микротвердомера ПМТ-3.
Проведенный анализ показывает, что в результате оплавления шликкерного покрытия толщиной 0,3 мм на поверхности образца формируется слой толщиной 0,15-0,2 мм. Равномерность его распределения зависит от амплитуды сканирования луча. При амплитуде сканирования менее двух диаметров луча наплавленный слой формируется в виде валика. При амплитуде от 2,5 до 3,5 диаметра луча наблюдается равномерное распределение покрытия, В качестве связующего использовался водный раствор оксиэтиленцеллюлозы. Ниже наплавленной зоны имеется зона упрочнения и легирования, глубина которой составляет 0,5-1,5 мм в зависимости от режимов обработки. Это особенно заметно на образцах стали З5, твердость которой при лазерном упрочнении обычно не превышает HRC 55, а в наших экспериментах доходила до HRC 60, Добавление упрочняющей фазы Al2O3 приводит к повышению твердости в наплавленном покрытии до HRC 65-67.
Такие комбинированные технологии наплавки упрочнения и легирования поверхностей трения разрабатываются для лезвийных инструментов в частности, для лап культиваторов. На рисунке представлен фрагмент лазерной обработки коренных шеек коленчатых валов.
Современные конструктивные решения направлены на использование в новых изделиях детали сложной формы. Однако лазерное упрочнение наплавку таких деталей до сих пор относят к нерешенным техническим задачам.
В институте разработана и успешно действует опытно промышленная автоматизированная линия для лазерного упрочнения и наплавки. С помощью оптической системы луч транспортируется на сканер для пространственного управления лазерным лучом при упрочнении и наплавке деталей сложной пространстве иной формы с максимальными размерами 1500x1000 мм и на модуль тел вращения диаметром до 350 мм и длиной до 1500 мм. По заданной программе линия может безостановочно работать 24 часа в сутки. Скорость перемещения оптических головок — до 20 м/мин, при этом точность позиционирования составляет 0,05 мм. Разработанные нами технологические системы и ароматизированная линия позволяют значительно расширить номенклатуру деталей, обрабатываемых лазерным лучом с целью повышения их износостойкости и долговечности, и предназначены к промышленному тиражированию.
В лазерных системах для раскроя листовых материалов и деталей пространственной формы используют, как правило, газовые СО2-лазеры. Отработка технологии лазерной резки с помощью волоконных лазеров производится в лазерном центре МИФИ совместно с НТО «ИРЭ-Полюс» и рядом других организаций и фирм. Это направление является наиболее перспективным в связи с высокой надежностью и экономичностью волоконных лазеров.
Уже разработаны лазерные системы:
• с подвижным порталом с размещенной на нем кареткой и оптической головкой и неподвижным столом (три одновременно управляемые координаты, рабочее поле обработки 1500x1200x200 мм, 3000x500x500 мм), Габаритные размеры 2200x 1600x 1900 мм, 3500x2000x1400 мм. Область применения: резка, наплавка, упрочнение, сварка;
• с неподвижным порталом, содержащим каретку, и подвижным столом (две одновременно управляемые координаты, вертикальная координата со следящей системой, зона обработки 1200х1700x200 мм, 1500х3000x300 мм). Габаритные размеры 5400x4000x1900 мм, 6500x4500x1900 мм. Область применения: резка, наплавка, упрочнение, сварка;
• с подвижной консолью и устройством крашения детали (три одновременно управляемые координаты). Максимальный диаметр детали — 300 мм, длина — 1500 мм. Габаритные размеры 2200x600x2200 мм. Область применения: наплавка, упрочнение, сварка.
Предлагаемые лазерные системы могут оснащаться лазерными установками любого типа.
