УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа № 13 предусматривает два занятия. Первое посвящено изучению метода упрочнения материаловлазерным излучением, второе – изучению влияния лазерной обработки не изменение поверхностной твердости сталей. В течение двух занятий студенты оформляют отчет по установленному содержанию и требованиям и защищают его преподавателю.

Цель работы:

1. Ознакомиться с методикой лазерного термоупрочнения сталей, изучить особенности термоупрочнения сталей лазерным излучением;

2. Освоить методику измерения микротвердости.

Приборы, материалы, инструменты:

1) микротвердомер ПМТ-3 для испытания на микротвердость;

2) лазерная технологическая установка “Квант-I5”, имеющая следующие технические характеристики:

§ скорость упрочнения 60:350 мм/ мин,

§ энергия излучения в импульсе не менее 8 Дж,

§ длительность импульса 0,6-4 мк,

§ диаметр зоны обработки 0,5:1,3 мм,

§ частота повторения импульсов до 35 Гц,

§ глубина термоупрочнения до 1 мм;

3) образцы стали 45, 40Х, У8 для лазерного термоупрочнения.

Технологические операции лазерной обработки основаны на использовании теплового воздействия лазерного излучения с твердыми телами (металлами и неметаллами) и включают несколько стадий: поглощение излучения и передачу энергии тепловым колебанием решетки твердого тела; нагревание материала без разрушения, включая плавление; разрушение материала путем выброса и испарения расплава; остывание после окончания воздействия излучения.

Энергия лазерного излучения в технологии машиностроения нашла наибольшее применение для решения следующих задач: лазерное поверхностное упрочнение, лазерное прошивание отверстий и лазерная резка как металлических, так и неметаллических материалов.

Лазерный метод упрочнения заключается в высокоскоростном нагреве металла под действием лазерного излучения до температуры, при которой происходит аустенизация, т.е. углерод присутствует в виде твердого раствора карбида железа в γ- Fe. Последующее быстрое охлаждение приводит к переходу к мартенситной структуре, при которой карбид сохраняется в растворе в α- Fe. Эта фаза характеризуется повышенной твердостью.

Требуемое быстрое охлаждение толщины упрочнения легко достигается при импульсивном воздействии и при нагреве быстро сканируемым расфокусированным лазерным лучом. Интенсивность падающего излучения и скорость сканирования выбираются с учетом прогрева на требуемую глубину упрочнения (обычно < 0,5 мм). После удаления источника нагрева происходит естественное охлаждение вследствие отвода тепла в толщу материала. При нагреве температура поверхности может возрастать со скоростью ≈ 10⁴ град/с. Охлаждение происходит со скоростью 5•10³-10⁴ град/с. Особенности термического цикла лазерной закалки – отсутствие выдержки при постоянной температуре и различная степень аустенизации в разных объемах зоны лазерного воздействия.

Термическую обработку больших участков производят практически только киловатными СО₂-лазерами непрерывного действия или импульсными лазерами с энергией в импульсе не менее 8 Дж.

Лазерное упрочнение имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной технологией:

1. Поступление тепла в небольших количествах, сопровождающееся минимальными искажениями.

2. Возможность применения технологии к тонким образцам или образцам малого диаметра.

3. Возможность обработки внутренних поверхностей. Простота регулирования площади нагрева.

4. Простота получения узких упрочненных зон.

5. У прочнение без загрязнения окружающей среды.

6. Быстрый температурный цикл, сводящий окисление к минимуму.

7. Возможность применения к сложным профилям, – например, зубьям шестерен.

Принципиальная оптическая схема процесса лазерной термической обработки материалов приведена на рис. 24. Луч 2 от лазерного излучения 1 падает на поворотное зеркало 3 и, отразившись под прямым углом, фокусируется оптической системой 4 на обрабатываемом образце 5, размещенном на рабочем столе 6, перемещающемся в системе координат Х-У с необходимой скоростью. Соосно с лучом лазера в зону обработки через сопло-насадку 7 подается аргон или азот при давлении /0,5: 1,0/ 10⁵ Нм². Размер светового пятна (зоны обработки) регулируется смещением фокальной плоскости фокусирующей оптической системы относительно поверхности обрабатываемого образца детали (т.е. дефокусировкой на величину ΔF).Обработка производится, как правило, в расходящемся пучке (+ΔF).

Рис. 24. Оптическая схема процесса
лазерной термической обработки материалов.

Рис. 25. Схема расположения зон обработки.

Схема расположения зон обработки при линейном упрочнении представлена на рис.25.

При обработке сталей как на воздухе, так и в защитной среде (аргон, азот) наблюдается увеличение твердости и глубины зоны закалки с ростом мощности лазерного излучения в пятне нагрева – вплоть до критических значений, при которых происходит изменение оплавления поверхности материала.

Поиск по сайту: