Новости

Выполнено сравнение волоконных и СО2-лазеров применительно к лазерному упрочнению сталей. Производительность процесса волоконным лазером в 12 раз превосходит значения для СО2-лазеров даже бе

Дата публикации: 29/09/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Необходимо учитывать не только влияние параметров лазерного луча, но и неоднородность структуры поверхностного слоя, наличие в нем карбидообразующих элементов.
В.Попов, к.т.н., из ЦНИИ КМ "Прометей" (С.-Петербург) оценивает эффект использования СО2-лазеров и волоконных излучателей.
Появление новейших мощных лазерных источников: диодных и волоконных лазеров привлекло внимание к вопросу выбора эффективного источника для лазерной закалки.
Причем результаты и условия, полученные при использовании СО2-лазеров и волоконных излучателей, нельзя непосредственно переносить на лазерные методы с использованием других источников.
Во-первых, мы имеем существенное отличие длин волн излучателя, во-вторых, - иные пространственно-геометрические параметры светового пучка. В ряду задач процессов закалки одна из самых актуальных - это закалка без плавления.
Например, для закалки штамповой оснастки недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах. Поэтому логика оптимизации процесса связана с обеспечением равномерного распределения мощности излучения, как в пространстве, так и во времени.
Структура излучения мощных волоконных лазеров усложняет решение этой задачи.
Для обеспечения равномерной экспозиции при закалке СО2-лазерами были разработаны специальные многоканальные лазеры типа МТЛ-2.
Основным недостатком закалки классическими лазерами является чрезвычайно низкая энергетическая эффективность. Для СО2-лазера энергетический КПД от розетки не превосходит 10%, а коэффициент поглощения излучения металлами не превосходит нескольких процентов, так что полный КПД процесса закалки составляет доли процента.
Для его повышения приходится использовать разные технологии нанесения поглощающих покрытий, что сильно усложняет процесс и вводит в него множество трудноконтролируемых факторов.
Для волоконного лазера коэффициент поглощения может достигать 10-15%.
Понятие однородности определяется эксплуатационными свойствами применяемых конструкционных материалов. Оно подразумевает, что слой состоит на 70-80% из основной фазы, размер областей других фаз (карбидов, остаточного аустенита и т.д.) не превышает 5 мкм.
Обработка материалов лазерным излучением без оплавления поверхности обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя.
Это ведет к быстрому росту градиента температуры по толщине материала без изменения геометрии участка и размера изделия в целом.
Такие преимущества открывают перспективы участия лазерных методов в технологических процессах термоупрочнения поверхности без последующей финишной обработки. Однако получение материалов с условно однородными структурами является сложной задачей.
Параметры лазерного термического цикла и исходное структурно-фазового состояние материала, по-видимому, влияют на структуру упрочненного поверхностного слоя. Если исходная структура однородна, то лазерная обработка значительно упрочнит поверхностный слой.
Это объясняется образованием более мелкозернистой, чем при традиционных способах закалки, мартенситной структуры. Однако в ряде случаев при обработке поверхности с исходной неоднородностью сложно получить однородную структуру и требуемую твердость даже после повторной лазерной обработки без оплавления. Такая структурная неоднородность поверхностного слоя может привести к изменению знака остаточных напряжений от минуса к плюсу.
И это сведет к нулю эффективность лазерной обработки. В связи с этим интерес представляют не только исследования влияния технологических факторов лазерного термоупрочнения на формирование однородных и относительно мелкозернистых структур поверхностного слоя, но и сравнение эффективности использования СО2-лазеров и волоконных излучателей. Установлено, что неизотермические диффузионные процессы оказывают влияние на структурную неоднородность и твердость поверхностных слоев.
Кинетика неизотермических процессов существенным образом влияет не только на структуру поверхностного слоя, но зачастую определяет и механические свойства поверхностного слоя.
И это следует учитывать при разработке технологических процессов лазерного термоупрочнения различных сталей. Хромовый эквивалент позволяет определить время, необходимое для лазерного скоростного нагрева данной стали. Тестирование закалки металлов излучением волоконного лазера показало, что производительность процесса в 12 раз превосходит значения для СО2-лазеров даже без использования поглощающих покрытий. Общая энергетическая эффективность закалки в 20-30 раз выше, и процесс вполне конкурентоспособен среди других методов упрочнения и закалки.
Но внедрение волоконных лазеров тормозит низкая надежность головок для лазерного термического упрочнения.

Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №4, с.18-21, www.electronics.ru

Статьи по теме:

страницы: 1