Технологические схемы закалки непрерывными лазерами

При обработке больших поверхностей непрерывными лазерами наиболее широко встречаются два случая последовательного наложения упрочненных полос: обработка плоских поверхностей и обработка цилиндрических поверхностей. Как и при импульсной закалке, в данном случае важной характеристикой является коэффициент перекрытия К_п, определяемый по отношению К_п = S/d_n. Полосы могут быть наложены с перекрытием (при К_п < 1) и без перекрытия (при К_п ³ 1). Тогда к характеристикам упрочнения добавляется равномерность глубины h_min/h_max и доля неупрочненной части поверхности b_ну/b_у.

Следует отметить, что в отличие от импульсной закалки с перекрытием, где в подавляющем большинстве случаев имеет место обработка с К_п = 0,5, при непрерывной закалке значение К_п лишь немного меньше единицы из-за значительного теплового влияния при наложении полосы на предыдущую полосу. Во многих случаях расположение упрочненных полос на некотором расстоянии друг от друга, так, что обработанная лазером площадь составляла бы 20-50% от общей площади, приводит к наибольшей износостойкости.

Как показано на рис. 52, обработку плоских поверхностей ведут по двум схемам наложения полос: линейной (а) и клеточной (б). После наложения каждой полосы деталь или луч периодически смещаются в поперечном направлении на расстояние, равное шагу S. Наиболее просто при клеточной схеме полосы накладывать под прямым углом друг к другу и с одинаковым шагом по обеим координатам, хотя больших сложностей для наложения полос не под прямым углом и для упрочнения с S_x ¹ S_y, нет.

Рис. 52. Схемы наложения полос на плоской поверхности

Как показано на рис. 53, обработку цилиндрических поверхностей ведут по трем схемам: наложение односпиральных полос (а), наложение двухспиральных полос навстречу друг другу (б) с постоянной осевой подачей S а также наложение полос вдоль оси по образующей с периодическим вращением детали для смещения на шаг S (в). По этим же схемам ведут упрочнение внутренних цилиндрических поверхностей. Упрочнение внутренних поверхностей втулок и других деталей осуществляется с помощью отклоняющего зеркала, вводимого внутрь детали (рис. 54). В этом случае возникает необходимость охлаждения и защиты зеркала от испарений и копоти. Для получения спиральных полос втулка вращается непрерывно с частотой n для получения заданной линейной скорости обработки v и одновременно перемещается в продольном направлении с подачей S. Возможно также продольное перемещение оптической головки с подачей S при вращающейся втулке.

При упрочнении с продольным наложением полос перемещается цилиндр или оптическая головка с линейной скоростью v, а втулка периодически вращается для получения шага S. Упрочнение с вращающейся головкой распространения не получило из-за сложности конструктивного исполнения. В ряде случаев внутренние поверхности упрочняют, направляя лазерный луч под углом к поверхности (рис. 55), без ввода отклоняющего зеркала внутрь втулки. Втулка при этом вращается в продольном направлении.

Рис. 53. Схемы упрочнения цилиндрических деталей	Рис. 54. Схема упрочнения внутренней цилиндрической поверхности	Рис. 55. Схема упрочнения внутренней поверхности цилиндра лучом, направленным под углом к оси втулки

Ширина упрочненных участков ограничена, поскольку при угле между осью втулки и осью лазерного луча меньше 30° происходит ухудшение качества упрочнения из-за увеличения доли отражения.

Обработка непрерывным излучением позволяет повысить однородность микроструктуры и твердости вдоль полос упрочнения, однако поперек полос неоднородность все же имеет место. Так же, как и при импульсной обработке, при К_п < 1 имеются зоны повторного нагрева и зоны отпуска в ранее упрочненном объеме шириной до 400 мкм. Для уменьшения их размеров имеется ряд рекомендаций. Во-первых, предпочтительнее обработка на более высоких скоростях с высокими градиентами температуры. Во-вторых, рекомендуется отсекать периферийную часть лазерного пятна с невысокой плотностью мощности. С этой точки зрения наиболее подходящим для термоупрочнения является равномерное распределение плотности мощности по пятну или плотности мощности в центре пятна на 20-30% меньше по сравнению с периферийными участками.

Имеется метод упрочнения цилиндрических деталей без образования зон отпуска, который заключается во вращении и перемещении детали или оптической головки в продольном направлении (см. рис. 53, а), причем скорость вращения достаточно велика, для того, чтобы температура на поверхности детали за один оборот не опускалась ниже температуры точки А_С1 диаграммы железо — углерод. Например, при обработке прутков диаметром 7-10 мм необходимая частота вращения составляет 2800-3000 об/мин. В связи с этим диаметр детали имеет ограниченные размеры, а деталь приходится охлаждать водой для увеличения скорости охлаждения.

Сканирование излучения при лазерной обработке

В основе принципа сканирования лежит многократный пробег лазерного пятна поперек движения образца (рис. 56).

При этом имеет место колебание температуры поверхности в интервале температур закалки и плавления и поэтому весь участок поперек полосы нагревается и закаливается одновременно (рис. 57).

Для поддержания температуры поверхности в интервале закалочных температур необходимо сканирование с высокой частотой - 20О-300Гц. Наибольшее распространение получили механические и магнитоэлектрические сканаторы.

Работа механических сканаторов основана на принципе механического колебания оптических элементов, чаще всего - отклоняющих зеркал. Их недостаток - высокая инерционность и большие вибрации. Принцип действия магнитоэлектрических сканаторов основан на колебаниях катушки или рамки с отклоняющим зеркалом в переменном электромагнитном поле. Этот тип сканаторов наиболее распространен.

Рис. 56. Схема упрочнения поверхности со сканированием излучения	Рис. 57. Схема изменения температуры поверхности при упрочнении со сканированием

При использовании сканирования для выбора режимов удобны операционные карты, по которым в зависимости от требуемой глубины упрочненного слоя можно выбрать скорость термообработки. В этом случае скорость термообработки определяют умножением ширины сканирования на скорость перемещения обрабатываемого образца. В других операционных картах при заданной глубине закалки можно выбрать мощность излучения при различных скоростях термообработки. Такие операционные карты строят экспериментально для каждого класса материалов.

Дата добавления: 2014-01-04