Статьи / Электротехника и электроника / Лазерное упрочнение металлической поверхности

Лазерное упрочнение металлической поверхности

Лазерное упрочнение металлической поверхности

Почти все виды механической обработки поверхности металлической детали, известные в настоящее время, приводят к снижению усталостной стойкости поверхности. Шлифовка, фрезеровка и токарная обработка - все эти операции являются причиной накопления усталостных растягивающих напряжений, что и является следствием снижения усталостной стойкости. Компенсировать эти негативные явления можно наклёпом.

Наплавка энергией луча порошков с высоким содержанием карбида вольфрама  

В самом традиционном случае наклёп получается в процессе холодной ковки, когда массивным бойком методично наносят удары по упрочняемой поверхности металла, местами деформируя её. Этот способ упрочнения металла известен несколько сот лет. Продолжением этой технологии, когда обрабатывать стало возможно детали сложной формы, является «бомбардировка» металлической поверхности металлическими шариками. При такой обработке специальной дробью, с высокой интенсивностью подачи, поверхность приобретает необходимые механические характеристики и даже становится значительно меньше восприимчивой к коррозии. Это надёжные установки, которые применяются уже не одно десятилетие, производительности их достаточно для осуществления упрочнения в промышленных масштабах.

Однако существует и более прогрессивная технология упрочнения поверхности по схожему методу – использование в качестве источника бомбардирования мощный твердотельный лазер. Эта технология отчасти похожа на плазменное напыление, но только отчасти.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки». Самые первые эксперименты по упрочению металлической поверхности лазером были проведены около 30 лет назад. Но с методом упрочнения при помощи стальных шариков, лазеры смогли конкурировать недавно, когда стали доступны действительно мощные лазерные источники энергии.

В промышленности лазер для упрочнения поверхности впервые стали использовать при изготовлении турбинных лопаток для авиационной техники. Это тонкостенные детали сложной формы, поэтому более «деликатное» лазерное упрочнение для них стало предпочтительнее, чем стандартное упрочнение шариками. В настоящее время лазерное упрочнение уже используется не только в авиационной, но и передовой автомобильной (для обработки деталей шасси, коробки передач) и медицинской отраслях (упрочнение коленных и бедренных имплантатов).

При лазерном упрочнении используются импульсы с высокой интенсивностью - до 10*10 Вт/см², это позволяет создать мощную ударную волну, направленную на упрочняемый материал. В деталях этот процесс выглядит следующим образом: на упрочняемую поверхность перед обработкой наносят два слоя, один из которых поглощает лазерное излучение – это нижний слой прилегающий к металлу, а второй слой прозрачный, он находится на поверхности. В качестве поглощающего слоя используют специальную краску, а качестве прозрачно слоя сверху, обычно используют воду. Направленный на эти слои луч лазера беспрепятственно проходит через воду и начинает интенсивно испарять второй, нижний слой краски. Однако в это время слой воды начинает препятствовать резкому образования газа от испаряющегося нижнего слоя. Соответственно, энергия от образующегося газа взаимодействует в сторону, обратную от слоя воды, т.е. в сторону металла, упрочняя его таким образом. Т.к. весь вышеописанный процесс проходит крайне быстро, то упрочняющий эффект весьма ощутим, а глубина упрочнения, может достигать 1 мм (при упрочнении металлическими шариками предельной считалась глубина в 0,4 мм).

Лазерная установка, подходящая для упрочнения деталей в промышленном масштабе, должна иметь общую производительность обработки не менее 1 м²/час, что эквивалентно энергии импульса более 100 Дж. Средняя мощность установки в этом случае может достигать 1 кВт. Впервые лазер для промышленного наклёпа был разработан в 1999г. в США. Этот аппарат позволял получить энергию импульса в 100Дж и был собран на неодимовом стекле. Конструкция его была чрезвычайно сложной, использовалась анаморфотная сферическая оптика, активный элемент размером 1х40x14 cм³. На нём можно было вести обработку деталей пятнами площадью по 1 см² (при производительности 3000 см²/час). Стоимость этого оборудования составляла несколько миллионов долларов. Через некоторое время начали появляться установки для лазерного наклепа и в других государствах, однако это были менее производительные установки. Например в России в то время создали лазер с энергией в 50Дж и площадью обработки 0,5 см², стоимость его была на порядок ниже американского аналога.

Сегодня разработчики решают задачу повышения производительности лазерного оборудования для упрочнения, для чего необходимо увеличивать частоту подачи импульсов. Эта задача решается одновременно с удешевлением конструкции, ведь подобное оборудование носит не только прикладной характер, но и общепромышленный. Некоторыми профильными институтами предпринимались попытки замены лазера с неодимовым стеклом на более дешёвые лазеры из группы Nd:YAG. Однако лучевая прочность кристаллов из таких лазерах относительно низкая, и поднять её пока не удаётся. Конструктивная особенность таких лазеров не позволяет встроить в них достаточный по размерам активный элемент.

В результате многих опытов и изысканий по данной теме, наметилась тенденция, что один «суперпучок» с энергией в 50 Дж и более, который обработает за один раз 0,5 см², целесообразнее заменить несколькими пучками, покрывающими всего 1,5мм², но работающими намного интенсивнее. Такой путь позволяет многократно удешевить конструкцию, сделать её более производительной в условиях действующих производства. Если выйдет из строя один большой лазер, установка станет неработоспособной, а поломка маленького лазера в системе из десятков таких же, не особо отразится на работоспособности системы.

Единственным недостатком, который может наблюдаться при использовании нескольких небольших лазерных пучков по сравнению с одним большим – возможная неоднородность распределения твёрдости по обрабатываемой поверхности (при обработке малыми пучками некоторые участки поверхности могут быть пропущены), однако эта проблема решается точным позиционированием каждого пучка и соответствующим контролем обработки. Именно на этом принципе «распределения» и создаются сегодняшние лазеры для упрочнения металлических поверхностей.

Конечно, сегодняшние лазерные установки для упрочения являются скорее диковинкой для промышленности в целом. Они дороже традиционных систем с «бомбардировкой стальными шариками» и сложнее в обслуживании. Однако, старые системы невозможно модернизировать для получения более глубокого слоя обработки, а работа над лазерными упрочнителями продолжается, уже сегодня передовые образцы лазерных упрочнителей превзошли по параметрам обработки «шариковые» системы, и работа ведётся дальше. Разработчики утверждают, что когда ввод в эксплуатацию подобных систем на производственных участках примет массовый характер (предпосылки к этому уже есть), тогда и лазерное оборудование и его обслуживание будет не дороже привычных сейчас систем.

 


© ООО «Индбоард»

Опубликовано: 2011-08-19

При перепечатке или копировании этой статьи или отдельных ее фрагментов ссылка на первоисточник обязательна.

Общая оценка: (263 чел.)

Моя оценка этой статьи

Насколько полезна и содержательна информация в этой статье?

Ещё статьи

Реклама на indboard.ru

Поделиться с друзьями

 

 

Комментарии и отзывы пользователей отсутствуют. Вы можете первым оставить свой комментарий, если Вам есть, что сказать.

 

Ваш комментарий