Основные параметры импульсной лазерной закалки и характеристики упрочненной поверхности

Коррозионная стойкость после лазерной обработки.

Общим принципом повышения коррозионной стойкости сплавов является повышение однородности фазового состава. В этом случае лазерная обработка с оплавлением некоторых сплавов, в частности чугунов, алюминиевых и медных сплавов, аморфизация поверхности приводит к повышению коррозионной стойкости зон обработки. Так, после оплавления поверхности серого чугуна СЧ-25 непрерывным лазером замедляются катодные и анодные процессы, примерно в 5-10 раз уменьшается критический ток и ток пассивации в растворе Н₂SO₄ Заметно уменьшается ток коррозии в растворах Н₂SO₄, NaCl, КОН после лазерной обработки с оплавлением силуминов.

При лазерной обработке нержавеющих сталей возможно растворение карбидов хрома и более равномерное распределение хрома в твердом растворе, что в результате приводит к увеличению стойкости против межкристаллитной коррозии.

Вместе с тем, повышенная концентрационная неоднородность при лазерной обработке углеродистых сталей, сохранение элементов исходной структуры (феррита или карбидов), наличие остаточного аустенита является предпосылкой ухудшения коррозионной стойкости после закалки лазером. В связи с этим коррозионная стойкость зависит от класса обрабатываемых материалов, режимов и технологических схем лазерной обработки.

К основным параметрам импульсной лазерной закалки относятся W — энергия в импульсе, Дж; d_n — диаметр лазерного пятна, мм; t_i; — длительность импульса, мс. Иногда в качестве энергетических характеристик лазеров используются такие величины, как мощность в импульсе Р_и = W_и t_i, Вт и средняя мощность лазера Р_ср = Р_и t_i f_i = W_и f_i, Вт, где f_i — частота следования импульсов, Гц. При условии, что энергия по пятну распределена равномерно, параметры можно объединить:

Е=	(25)
	где Sп — площадь лазерного пятна, см^2; Е — плотность мощности, Вт/см^2. При импульсной закалке оперируют плотностью мощности падающего излучения. Для определения поглощенной плотности мощности q необходимо учитывать коэффициент поглощения А и тогда q = А Е. Обработка, как правило, производится, в расходящемся пучке, так как это обеспечивает лучшие показатели качества термоупрочнения (рис. 46). При этом необходимый диаметр пятна подбирают изменением расфокусировки DF. Для увеличения равно мерности распределения энергии по пятну необходимо работать с максимальной энергией накачки, которая регулируется напряжением накачки установки.
Рис. 46. Схема импульсной лазерной закалки

Плотность мощности излучения изменяют за счет изменения d_n и W, причем следует учитывать, что при изменении W может изменяться и длительность импульса t_i, а регулировать это сложно.

Упрочненная от действия одного импульса зона лазерного воздействия в поперечном сечении имеет вид сегмента глубиной h и шириной b. Обычно ширина зоны не равна диаметру пятна dn.

К характеристикам упрочненной поверхности относятся: геометрические размеры ЗЛВ, микротвердость и шероховатость поверхности. При наложении единичного пятна геометрические размеры ЗЛВ выражаются ее глубиной h и шириной b. Характер процесса лазерной закалки определяют две величины: пороговая и критическая плотность мощности. При обработке поверхности плотностью мощности выше пороговой интенсивное развитие получают процессы испарения, идет разрушение поверхности и образование кратера. Ширина зоны упрочнения при этом уменьшается, так как часть энергии расходуется на испарение.

Все виды импульсной термообработки ведут при плотности мощности ниже пороговой, которая для различных сталей имеет значение Е_п = (22-24)×10⁴ Вт/см². Критическая плотность мощности — это значение плотности, выше которого происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Е_кр 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 ЗЛВ, в то же время не допустив оплавления. Для этого необходимо работать при режимах, близких к Е_кр. Такие режимы принято называть оптимальными. Глубина упрочненной зоны на сталях при этом, как правило, не превышает 0,1-0,15 мм.

При обработке в интервале от Е_кр до Е_п глубина упрочнения для различных сталей обычно составляет 0,15-1,0мм. Энергия в импульсе современных лазерных установок обычно изменяется от нескольких джоулей до нескольких сот джоулей, длительность импульса от 0,1 до 10 мс, а диаметр пятна — от 2 до 10 мм. Изменение характеристик упрочненной поверхности принято рассматривать.при изменении только одного из основных параметров лазерной закалки и при неизменных остальных. Увеличение энергии и длительности импульса ведет к увеличению глубины и ширины ЗЛВ. Увеличение диаметра пятна d_n при постоянных значениях W_и и t_i приводит к уменьшению глубины и увеличению ширины до некоторого предела.

Шероховатость поверхности после лазерной закалки может изменяться из-за гидродинамических эффектов в расплаве, изменения объема при фазовых переходах, частичного испарения материала. При закалке без оплавления, т. е. при Е < Е_кр эти эффекты незначительны или вообще отсутствуют и шероховатость поверхности практически не изменяется по сравнению с исходной. При закалке с оплавлением, т. е. при Е > Е_кр, шероховатость поверхности изменяется по сравнению с исходной. Наибольшее влияние оказывает плотность мощности излучения, при увеличении которой шероховатость увеличивается. Микротвердость в зонах лазерного воздействия различных материалов также может зависеть от соотношения Е и Е_кр, причем внутри интервала Е_кр—Е_п или при Е < Е_кр влияние параметров W_и, d_п и t_i,- может быть значительным в зависимости от типа сплава и его исходной структуры.

Таким образом, критическая плотность мощности Е_кр является важным параметром импульсной лазерной закалки. На ее значение оказывает влияние целый ряд факторов, некоторые из них рассмотрены ниже. Прежде всего с увеличением легированности сталей критическая плотность мощности снижается, что приводит к уменьшению глубины ЗЛВ при закалке без оплавления. Это обусловлено тем, что с увеличением содержания легируюших элементов понижается температура солидуса, уменьшается теплопроводность, что приводит к более быстрому оплавлению и снижению Е_кр.

На величину Е_кр существенное влияние оказывает исходное состояние поверхности: шероховатость, наличие оксидных пленок и поверхностных покрытий. С увеличением высоты микронеровностей R_z от 0,025 до 20 мкм Е_кр уменьшается для сталей 5ХНМ и ШХ15 от (5,5-6,0)×10⁴ Вт/см² до (3,7-4,0)×10⁴ Вт/см², т. е. в 1,3-16 раза, а для сталей Р6М5 и Х12М от (3,9-4,1)×10⁴ Вт/см² до (3,4-3,6)×10⁴ Вт/см², т. е. в 1,1-1,2 раза. Это объясняется тем, что с ростом шероховатости уменьшается отражение излучения поверхностью и увеличивается доля поглощенной плотности мощности, что является более приемлемым при лазерной закалке.

Из-за снижения отражения излучения снижается Е_кр и при нанесении поглощающих покрытий. В качестве таких покрытий при импульсной обработке используются гуаши, тушь, сажа. Применяется также химическое травление, окисление.

Значение Е_кр также увеличивается и при обработке в защитных средах: аргоне, азоте, гелии, вакууме по сравнению с обработкой на воздухе. Например, для стали Х12М на воздухе Е_кр ~ 2,5×10⁴ Вт/см², а в азоте Е_кр ~ 3,2×10⁴ Вт/см². Причем повторное воздействие импульса в одно и то же место в среде азота или аргона не приводит к изменению Е_кр, а при обработке на воздухе Е_кр снижается до величины ~ 2,1×10⁴ Вт/см² и в дальнейшем не меняется. Это объясняется тем, что при обработке в защитных средах отсутствует окисление поверхности, а на воздухе оксидная пленка увеличивает поглощение излучения.

Различные схемы импульсного лазерного упрочнения поверхности сплавов. Если обрабатываемая поверхность вписывается в размеры лазерного пятна, то желаемой конфигурации упрочнения добиваются наложением на поверхность трафарета или методом масок (фотошаблонов). Недостатком таких методов являются большие потери излучения, а также низкая стойкость трафаретов и масок против их разрушения. Возможно формирование упрочненной зоны нанесением поглощающих покрытий требуемой конфигурации, но это требует точного подбора режимов обработки и не всегда обеспечивает отсутствие теплового влияния на непокрытую поверхность.

Имеется также принципиальная возможность комбинированного упрочнения, которое заключается в перемещении детали по заданной траектории во время действия импульса со скоростью, соизмеримой со скоростью структурных превращений в сплаве. Но возможности этого метода ограничены малой длительностью импульса и мощностью лазерных установок, а также сложностью синхронизации процессов. Лазерное пятно на поверхности детали с помощью различных оптических систем можно получить в форме круга, кольца, прямоугольника и т. д.

При упрочнении большой площади требуемой конфигурации наиболее распространено последовательное наложение единичных пятен в форме круга, т. е. обход по заданному контуру с шагом S. Важным параметром при этом является коэффициент перекрытия, определяемый по формуле К_п = S/d_n. Тогда скорость относительного линейного перемещения луча по детали v= К_п d_n f.

Рис. 47. Схемы наложения нескольких пятен при Кп >1 (а) и Кп <1 (б)	Рис. 48. Схемы наложения нескольких пятен с обходом по контуру при Кп = 1

Как показано на рис. 47, при К_п < 1 пятна накладываются с перекрытием, а при К_п > 1 пятна накладываются на некотором расстоянии друг от друга, т. е. между пятнами имеются неупрочненные участки. В таком случае к характеристикам упрочненной поверхности добавляются равномерность глубины, определяемая отношением минимального и максимального значения (h_min/h_mах), а также доля неупрочненной части поверхности b_ну/b_у. В том случае, если обработка по контуру ведется по двум координатам: по оси Ох с шагом S_x и по оси Оу с шагом S_y (рис. 48), то процесс могут характеризовать также коэффициент заполнения К_з и коэффициент использования импульсов К_и:

Кз = Fупр / Fконт; Ки = Fупр /

(26)

где F_ynp — упрочненная площадь в контуре; F_конт- — площадь контура, подлежащего упрочнению; F_i — площадь единичного пятна.

Производительность процесса упрочнения при импульсной обработке с частотой следования импульсов _fi определяется так:

N =

(27)

При использовании цилиндрических линз зона лазерного воздействия, полученная в результате облучения единичным импульсом, на поверхности заготовки имеет вытянутую форму (рис. 49). Как и в случае сферических линз, обработку по контуру ведут с перекрытием пятен. Коэффициент перекрытия в этом случае по координате х определяется соотношением К = S_х / l; а по координате у соотношением К = S_y/b_c. Скорость относительного линейного перемещения при использовании цилиндрической оптики заметно выше, чем при использовании сферической, и определяется по формуле:

v = Sц f = (l+b К_п) f

В связи с этим увеличивается и производительность обработки, но практика показывает, что обход по контуру с цилиндрической оптикой для получения устойчивой глубины ЗЛВ целесообразно проводить при энергии не менее 30 Дж.

	Принципиально возможны две схемы обхода по контуру, показанные на рис. 48. В схеме 1 пятна во всех рядах расположены друг под другом, а шаг по координате х равен шагу по координате у. Схема 1 более проста для технологического использования и приводит к упрочнению большего контура.
Рис. 49. Схема наложения пятен при использовании цилиндрической оптики

Она применяется при использовании сферической и цилиндрической оптики. В схеме II имеет место смещение пятен в рядах на половину шага, причем шаг по координате у меньше, чем шаг по координате х. Схема II более сложна в технологическом исполнении. Она применяется только при использованной сферической оптики, но качество упрочнения в ней выше, так как доля неупрочненной части поверхности b_ну/b_у здесь меньше. Эти две схемы могут иметь разновидности при К_п > 1 и К_п <1, что приводит к изменению К_з и К_и, а также к изменению ряда характеристик упрочненного слоя. Например, в схеме 1 при S_x = S_y и К_п = 0,7 имеется максимальное заполнение поверхности с К_з = 0,96, но коэффициент использования импульсов невысок: К_и = 0,4б, что приводит к непроизводительному расходованию энергии излучения. В схеме II при S_x = S_y = 0,8 d_п непроизводительные расходы энергии заметно уменьшаются и К_и = 0,72; К_з = 0,94. С этой точки зрения наилучшие результаты дает эта схема упрочнениям при S_x = 0,86 d_п, S_y = 0,74 d_n, и тогда К_з = 0,95; К_и = 0,74.

Рассмотрим влияние коэффициента перекрытия на характеристики упрочненной поверхности.

При обработке с перекрытием пятен (К_п < 1) в упрочняемом металле имеются зоны двух-, трех- и четырех- кратного нагрева (рис. 50). Ввиду этого на периферийных участках пятна, где сталь и чугун нагреваются ниже критической температуры А_С1, образуются зоны отпуска и микротвердость в них понижается до 3000-6000МПа. Это обстоятельство приводит к тому, что при импульсной закалке железоуглеродистых сплавов получить b_ну = 0 принципиально невозможно. Соотношение размеров упрочненных зон и зон отпуска во многом зависит от

коэффициента перекрытия Кп. С увеличением коэффициента перекрытия размер упрочненного участка bу увеличивается и при шаге S = bу + bну становится максимальным. При этом Кп ~ 1. При дальнейшем увеличении шага S и коэффициента перекрытия Кп доля неупрочненной части поверхности bну/bу возрастает (см. рис. 47). Изменение коэффициента перекрытия сказывается и на шероховатости поверхности. При лазерной закалке с оплавлением с увеличением Кп шероховатость, в общем случае, увеличивается

Рис. 50. Образование зон двух- (1), трех- и четырехкратного (2) нагрева при упрочнении с перекрытием

и в зависимости от плотности мощности может составлять 8-100 мкм. Коэффициент перекрытия оказывает также существенное влияние на равномерность глубины упрочненного слоя: с его увеличением h_min/h_mах возрастает, особенно существенно при К_п > 0,6. Поэтому с точки зрения наибольшей эффективности и качества упрочненного слоя процесс импульсной закалки ведут при К_п ~ 0,5.

Дата добавления: 2014-01-04