Степень состояния лазерной обработки конструкционных сталей

Наибольшее распространение в машиностроении из видов лазерной обработки получили лазерная сварка и закалка.

Лазерная сварка – процесс, предполагающий соединение деталей при помощи лазерного излучения. На поверхности часть луча отражается, а часть проходит внутрь, что приводит к нагреву и плавлению материала, формированию сварного шва. В результате получается прочное соединение. Луч, сгенерированный квантовым лазерным генератором, попадает в фокусировочную систему установки, где перераспределяется в пучок меньшего сечения. По концентрации энергии воздействие лазера в десятки раз превосходит другие источники тепла. Она позволяет соединять материалы толщиной от пары микрометров и до нескольких сантиметров.

Преимуществами лазерной сварки являются то, что лазерная сварка обеспечивает малые размеры сварного соединения и зоны термического влияния, высокую скорость процесса и возможность сваривать детали из коррозионностойкой стали, никеля молибдена, а также материалов с высокой теплопроводностью и плохо поддающихся сварке другими методами.

Лазерный луч обладает точной направленностью, что выгодно выделяет его на фоне пучка света. Это обусловлено тем, что он монохроматичен и когерентен. Лазер сосредотачивает всю тепловую мощность, которая потребуется при соединении деталей непосредственно в пятно малого диаметра в месте обработки. Такие особенности лазерной сварки позволяют соединять элементы практически незаметным швом.

Лазерная сварка может быть точечной и шовной, и осуществляется в импульсном и непрерывном режимах генерации лазерного излучения. При этом скорость работ пропорциональна частоте генерируемых лазером импульсов. Точечная технология получила распространение при соединении тонких металлических элементов и реализуется вручную. Шовная преимущественно выполняется аппаратным методом и позволяет формировать глубокие сварные соединения.

Плотность мощности лазерного излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от материала может быть 0,1-1 Вт/см длительностью 1-10мс.

Производительность шовной сварки составляет 20м/мин и более, а точечной-60 операций в мин.

Металл шва лазерной сварке защищают от окисления инертными газами. Прочность сварных соединений при лазерной сварке достигает уровня прочности свариваемого материала. Улучшение механических характеристик лазерного шва достигается термообработкой. Так для конструкционной легированной стали рекомендуется нагрев свариваемых деталей до 225°С высокий отпуск после сварки при температуре 600-400°С в течение 2часов. В результате такой термообработки прочность лазерного сварного шва составила 92-97 от уровня прочности свариваемого металла (табл. 1). Диаграммы микро твёрдости сварного шва и около шовной 4 зоны при различных температурах отпуска 400, 500 и 600°С для стали Д6АС 0,45С, 0,24 Si, 0,93 Mn, 0,66 Ni, 1,09 Cr, 0,77 Mo, 0,058 V, 0,01 P и 0,008 S показывают, что микро твёрдость сварного шва уменьшается с ростом температуры отпуска. Структура стали в сварном шве представляет собой смесь низкого байнита и отпущенного мартенсита. Сварку вели СО2-лазерном при мощности облучения 3кВт, скорости сканирования 1м/мин и диаметра пятна облучения 0,5 мм. В качестве защитного газа использовали аргон.

Механические характеристики стали Д6АС*

Таблица 1.

Термическая закалка большинства высоколегированных сталей приводит к слабому упрочнению. В случае лазерной закалки значительно повышаются не только прочностные свойства, но и отдельные эксплуатационные характеристики ( стойкость к коррозии и кавитационному разрушению). Упрочнение поверхности при лазерной закалке сталей во многом определяется формой пятна облучения или перекрытием дорожек -треков при непрерывном режиме облучения.

Необходимое расстояние между отдельными пятнами или треками зависит от цели, для которой предназначена лазерная закалка. Так для повышения износостойкости расстояние между треками может быть несколько больше, чем когда износ сопровождается ударными нагрузками. В тех случаях, когда закалка применяется с целью изменения свойств всей поверхности, облучение следует вести с перекрытием пятен (треков).

Формулы для расчета параметров лазерной закалки.

Таблица 2.

Где Р-мощность облучения, S- подача; d - диаметр пятна облучения, V3 -скорость вращения заготовки; n – число оборотов заготовки в мин.; К – коэффициент перекрытия.