Поверхностная лазерная обработка

По диаметру пятна фокусирования du и времени t воздействия излучения определяется скорость v относительного перемещения лу­ча и обрабатываемой поверхности.

С помощью  номограммы (на рис. 4) можно решить и обратную задачу — по заданным энергетическим параметрам излучения и скорости обработки определить глубину и твердость упрочненного слоя.

Рис   4. Монограмма для выбора режимов упрочнения непрерывным излучением

2.4. Лазерные легирование, наплавка, маркировка, гравировка

Лазерное легирование отличается от обычного лазерного упроч­нения тем, что повышение твердости и других эксплуатационных показателей достигается не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом. Тем не менее в основе этого нового сплава лежит мат­ричный материал.

В отличие от легирования при лазерной наплавке матричный материал может находиться лишь в небольшом слое между матри­цей и направленным слоем, который служит связующей средой. Наплавленный же слой существенно отличается от матричного материала.

Эти виды поверхностной лазерной обработки очень перспектив­ны вследствие роста дефицита чистых металлов типа W,   Mo, NiCr, Co. V. Острой необходимости снижения расхода высоколегиро­ванных сталей и в связи с этим увеличения надежности и долго­вечности изделий из менее дефицитных конструкционных материа­лов.

Процессы локального легирования и наплавки реализуются с помощью как импульсного, так и непрерывного излучения по тем же схемам, что и обычное лазерное упрочнение. Технологические закономерности процесса, помимо ранее рассмотренных, зависят также от способа подачи в зону обработки легирующего состава, вида легирующего элемента (элементов), свойств матричного ма­териала.

Существуют следующие способы подачи легирующего элемен­та (среды) в зону лазерного воздействия:

* нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабаты­ваемую поверхность;

* обмазка поверхности специальным легирующим составом;

* легирование в жидкости (жидкой легирующей среде);

* накатывание фольги из легирующего материала на обрабаты­ваемую поверхность;

*    легирование в газообразной легирующей среде;

* удержание ферромагнитных легирующих элементов на матрич­ной поверхности магнитным полем;

* электроискровое нанесение легирующего состава;

* плазменное нанесение покрытия;

* детонационное нанесение легирующего состава;

* электролитическое осаждение легирующего покрытия;

* подача легирующего состава в зону обработки синхронно с ла­зерным излучением.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостат­ки, которые определяют целесообразность его использования в конкретном случае.

Размеры легированной зоны зависят в основном от энергети­ческих параметров излучения и толщины покрытия из легирующе­го материала. Как правило, легирование импульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны, чем при обра­ботке непрерывным излучением. В частности, если при импульсной обработке глубина зоны достигает 0,3—0,7 мм, то применение не­прерывного излучения мощных СO2-лазеров позволяет увеличить глубины зоны до 3 мм.

На степень упрочнения влияет как вид легирующего элемента, так и состав матричного материала. Например, при легировании, алюминиевого сплава AЛ 25 железом, никелем и марганцем дос­тигается различная

Микротвердость:

Легирующий элемент                                 П,. МПа

Mn........................................................................       2180

Xi........................................................................       2200

Fe    .    ...............................................................       3500

После термообработки                                   1000

Без термообработки.........................................        850

Максимальная концентрация К2 элемента в облученной зоне может быть определена из соотношения

где K1 — концентрация элемента в покрытии; V1— объем покры тия; V2 — объем расплава. Вследствие расплавления материала шероховатость легирован­ной поверхности обычно велика, поэтому после этой операции тре­буется финишная (абразивная) обработка. Припуск на такую об­работку обычно составляет до 0,4 мм.

2.5. Эксплуатационные показатели материалов после лазерной поверхностной обработки

Лазерная поверхностная обработка вызывает улучшение мно­гих эксплуатационных характеристик облученных материалов. Спе­цифическая топография обработанной поверхности, которая харак­теризуется образованием «островков» разупрочнения, служащих своеобразными демпферами для возникающих структурных и тер­мических напряжений, а также «карманами» для удержания сма­зочного материала, позволяет существенно повысить износостой­кость материала вследствие значительного уменьшения коэффици­ента трения (порой до 2 раз).

У большей части конструкционных сталей и сплавов наблюда­лось увеличение износостойкости после лазерной обработки б 3—5 раз.

Такие механические свойства, как предел прочности σ, удар­ная вязкость КС, после лазерного облучения несколько снижают­ся, в то время как предел текучести σ0,2 практически остается без изменения. Однако с помощью дополнительного отпуска для сня­тия напряжений и σB, и σ0.2 могут быть увеличены в 1,3 раза по сравнению со стандартной термообработкой.

Лазерное упрочнение приводит к повышению теплостойкости (термостойкости) материала, например инструментальной стали Р6М5 па 70—80е С, что влияет на износостойкость режущих ин­струментов, изготовленных из этой стали. Насыщение матричного материала — алюминиевого сплава АЛ25 — железом, никелем, марганцем, медью приводит к увеличению его жаропрочности в 1,5—4 раза. Такое значительное улучшение жаропрочности пред­ставляет большой интерес для двигателестроения, где алюминие­вые сплавы работают в условиях высоких температур.

Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять напряженно-деформированное состояние материала. Изменяя ус­ловия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины.

При маркировке лазерным излучением достигается миниатюр­ность наносимого знака. Ширина образующей знака может не пре­вышать 10 мкм при размерах самого знака до нескольких десят­ков микрометров. Бесконтактность метода и отсутствие механичес­кого воздействия позволяют маркировать тонкостенные, хрупкие детали, узлы и изделия в сборе. Высокая точность и качестве зна­ков гарантируют надежность и стабильность их считывания фото­электронными устройствами. К достоинствам лазерной маркиров­ки относятся высокая производительность и возможность полной автоматизации процесса.

Одна из наиболее распространенных схем маркировки Реали­зует точечно-матричный метод нанесения знаков, при котором каждая матрица представляет собой прямоугольное поле с 63 воз­можными положениями зон лазерного воздействия (матрица «9X7»). При построчном сканировании излучения энергия подво­дится по программе к тем точкам матрицы, совокупность которых обеспечивает получение требуемого буквенно-цифрового знака. Зо­на элементарного воздействия в этом случае представляет собой. микроотверстие (лунку) диаметром 70—80 мкм. При частоте по­дачи импульсов 4 кГц с помощью матрицы «9X7» можно обеспе­чить производительность маркировки до 30 знаков в секунду.

Матрица «9x7» позволяет получить качественные знак к высо­той 3 мм и менее. С уменьшением высоты знака отдельные микро-лунки перекрываются с образованием микроборозд. Маркировка ведется излучением с модулированной добротностью при длитель­ности импульсов  мкc и высокой пиковой мощности.

Маркировка может также выполняться по схеме, в которой ис­пользуется специальная маска, формирующая на обрабатываемой поверхности знак требуемой конфигурации. Достоинством этой схемы является то. что весь знак или даже вся требуемая инфор­мация из нескольких знаков, заложенная в маске, может быть на­несена за время действия одного импульса или серии из нecколь­ких импульсов. Это обусловливает высокую производительность процесса. Однако при этом ограничивается разнообразие носителей  информации.

Большое распространение лазерная маркировка находит в электронной промышленности и приборостроении. Так, на миниа­тюрных конденсаторах с обкладкой площадью 2 мм2 с помощью излучении с модулировкой добротностью лазера па алюмопттриевом гранате (ЛИГ) наносятся фирменный знак и величина емкости.

На поверхности кремниевых и ферритовых элементов магнитных головок наносятся маркировочные знаки вы­сотой I мм при    глубине   знака 20 мкм. Нанесение семизначного числа на кремниевую пластину занимает 50 с, а одной цифры на   ферритовую поверхность — 1с. Сетка и специальные знаки нано­сятся лазерным излучением на стек­лянные элементы приборов. Предвари­тельно на обрабатываемую поверх­ ность наносится слой графитового по­рошка. При плавлении стекла графит внедряется в расплав, з ре­зультате чего на стекле сохраняется хорошо различимый и надежно зафиксированный след.

Рис. 5 Схема лазерной маркировки поверхности детали из стекла

На детали из прозрачных материалов маркировочные обозна­чения, сетки и другие специальные знаки могут наноситься сле­дующим оригинальным способом. Под стеклянную деталь подкладывается металлическая пластина (например, оцинкованная жесть). Излучение,  сфокусированное линзой 2, направляется че­рез стекло 3 и концентрируется на металлической поверхности 4 (рис. 5). При перемещении луча по заданной программе в резуль­тате испарения металла на стекло напыляется тонкая металличес­кая пленочная дорожка в соответствии с программой перемеще­ния луча.

С помощью лазерного излучения маркировочные знаки можно наносить на детали и изделия из неметаллических материалов, бу­маги, картона, стекла, различных композитных и полимерных ма­териалов.

В связи с расширением использования высокооборотных меха­низмов, машин, агрегатов, навигационных и инерционных систем актуальность приобретает проблема совершенствования процесса балансировки, повышения ее точности, производительности.

Применение лазерного излучения для устранения дисбаланса в балансировочных установках позволяет не только повысит: точ­ность и производительность процесса, но и добиться полной авто­матизации этой сложной н трудоемкой операции. Лазерный способ уравновешивания даст возможность устранять дисбаланс в период вращения изделия за один его пуск, что значительно упрощает технологический процесс.

Одна из схем реализации процесса предполагает вращение ба­лансируемой детали и фокусирующей системы с равной частотой. При такой схеме во время балансировки фактически воспроизводится процесс лазерной прошивки несквозных отверстий импуль­сным излучением при неподвижной детали. Возможен и другой путь достижения этого эффекта, но без сообщения дополнительно­го вращения фокусирующей системе. При этом длительность им­пульса подбирается настолько малой, что имитируется процесс об­работки неподвижной детали. Такие длительности обеспечиваются при генерации излучения в режиме модулированной добротности. При E=35 Дж, t=:0,1 мс, q=3,51010 Вт/см2 съем на один им­пульс составляет для стали 18ХН9Т — 0,3 мг, латуни ЛЦ40С — 1,5 мг, дюралюминия Д16Т — 1,8 мг.

Задачи маркировки и гравирования решаются двумя путями: с помощью проекционного метода и с помощью гравирования и перфорирования символов на поверхнос­ти маркируемого изделия.

Фирма IBM Deutschland (ФРГ) использует проекци­онный метод маркировки. В качестве источника излуче­ния в установку введен лазер на рубине с энергией в импульсе 20 Дж и частотой следования импульсов 1 Гц. Для формирования символа служит проекционная система, состоящая из телескопа с матовым стеклом, маски и фокусирующего объектива. Маска выполнена в виде диска из молибденовой фольги с прорезями в форме цифр и букв. По команде ЭВМ диск поворачивается на нужный угол и происходит засветка нужного символа. Фокусирующий объект передает изображение этого символа на маркируемую поверхность.

Реализуя второй метод, фирма Siemens на основе АИГ лазера с выходной мощностью до 100 Вт создала лазерную систему Silamatik для нанесения надписей на материалы с помощью лазера посредством отклоняю­щей оптики и системы зеркал.

Фирмы Holobeam и Teradyne в своем оборудовании используют лазеры на АИГ с модуляцией добротности и непрерывной накачкой.

В СССР разработан лазерный гравировальный авто­мат, предназначенный для прямого изготовления офсет­ных форм непосредственно с оригинала, минуя фотореп­родукционные и фотохимические процессы.

Оригинал со штриховым или полутоновым изобра­жением на непрозрачной или прозрачной основе закреп­ляется на одном цилиндре автомата, а формная пластин­ка — на другом цилиндре.

В качестве формного материала используется гладкая алюминиевая фольга с предварительно нанесенным лаковым подслоем, поглощающим лазерное излучение, и полимерным антиадгезионным покрытием.

Электрооптическая система построчно считывает оригинал, преобразуя оптическое изображение в электрический сигнал, который через модулятор управляет лазерным лучом. В качестве источника излучения используется СО2-лазер, работающий в непрерывном режиме генерации.

Лазерное излучение можно использовать для предварительного нагрева слоя материала на заготовке перед последующим уда­лением его режущим инструментом. При нагреве улучшается об­рабатываемость стали вследствие изменения механических харак­теристик материала в зоне стружкообразования, увеличения его пластичности, снижения прочности и твердости. Однако наиболее распространенный в настоящее время метод предварительного на­грева с помощью плазменной струи позволяет локализовать теп­ловое воздействие лишь до пятна диаметром 6—8 мм, что значитель­но превышает подачу инструмента на оборот заготовки и приводит к образованию ЗТВ больших размеров. Поэтому применение плаз­менного нагрева ограничивается обдирочными, черновыми операциями механической обработки. Кроме того, установка плазмотро­на загромождает зону обработки, а в случае образования слив-нон стружки имеется опасность короткого замыкания с корпусом плазмотрона. Эти недостатки устраняются при лазерном нагреве. Лазерное воздействие можно локализовать таким образом, чтобы нагреву подвергалась только зона стружкообразования (рис. 6, а). Эф­фективность

Рнс. 6. Схема лазерного воздействия при механической обработке

использования лазерного нагрева в значительной мере определяется плотностью мощности излучения. С увеличением q наблюдается значительное уменьшение    результирующей    силы резания. Так, при q = 7*104 Вт/см2 возможно снижение результи­рующей силы резания на 75%  (рис. 6, б). Большое   влияние   на процесс резания оказывает расстояние L от направления воздейст­вия луча до режущей кромки инструмента.   При заданной плот­ности мощности излучения и определенной скорости резаная значение L должно быть выбрано оптимальным. При Р=~ 1,2 кВт диаметре пятна фокусирования 3 мм, скорости   резания  инструмента тальной стали vрез=ЗО м/мин оптимальное значение L=8 мм.

При лазерно-механической обработке жаропрочной стали сни­жается примерно в 2 раза шероховатость обработанной поверхно­сти по сравнению с обычным резанием. Существенно, до 3 раз, мо­жет быть повышена и производительность обработки.

2.6. Типовые операции лазерной поверхностной обработки

Наиболее широкая область применения лазерной поверхност­ной обработки — инструментальное производство, например изго­товление и эксплуатация режущего инструмента, элементов штамповой оснастки.

Лазерное упрочнение позволяет снизить в 3—4 раза износ ин­струмента путем повышения его поверхностной твердости при со­хранении общей высокой динамической прочности, повышения теплостойкости, снижения коэффициента трения пары режущий ин­струмент — заготовка. Упрочнение может проводиться до перед­ней или задней поверхности, а также одновременно по двум по­верхностям.

Внедрение технологии лазерного упрочнения инструмента из сталей с пониженным содержанием вольфрама позволяет помимо повышения его стойкости значительно сократить расход дефицитной быстрорежущей стали.

Лазерное упрочнение приводит к повышению износостойкости штампов в 2 раза и более. Упрочнение пуансонов обычно проводиться по боковым поверхностям. При этом возможна многократ­ная переточка пуансонов. При упрочнении по передней поверхнос­ти после очередной переточки кромки требуется повторная лазер­ная обработка.

Эффективно применение лазерного излучения для повышения работоспособности породоразрушающего инструмента для машин горнодобывающей промышленности. Здесь применение лазерной обработки приводит к росту износостойкости резцов комбайнов в 2—3 раза.

Широкое применение лазерная поверхностная обработка нахо­дит для повышения долговечности, надежности деталей различных машин и приборов во многих отраслях промышленности: химичес­ком машиностроении, автомобильной промышленности, судостро­ении, авиастроении и т. д.

В автотракторостроении лазерное упрочнение применяется для повышения износостойкости распредвалов, коленвалов, шестерен заднего моста, рабочих поверхностей клапанов, клапанных седел, поршневых канавок, компрессионных колец, рычагов и других де­талей. В нефтепромысловом оборудовании лазерное упрочнение применяют для повышения усталостной прочности резьбовой час-ти замковых соединений.

Высокую эффективность показала лазерная поверхностная об­работка для повышения износостойкости внутренних рабочих участков длинномерной направляющей балки линий производства полимерной пленки (рис. 12). Возможность локального упрочне­ния направляющих лазерным излучением позволила отказаться от объемной термообработки, вызывающей значительные деформа­ции и поэтому требующей дополнительной механической обработ­ки (с назначением соответствующих припусков) для их устране­ния.

Глава III. Примеры поверхностной лазерной обработки

            Технология лазерной наплавки позволяет восстанавливать изношенные детали автомобильной, дорожно-строительной, судовой, горнодобывающей, энергетической техники. При этом восстанавливаемые детали, например, коленчатые валы большегрузных автомобилей имеют ресурс работы нового коленчатого вала, а стоимость восстановления методом лазерной наплавки коленвала составляет 30-40% от стоимости нового коленвала.

Технология лазерной наплавки позволяет заменить классическую химико-термическую технологию азотирования, борирования, цементации, нироцементации. При этом резко сокращается длительность технологического цикла изготовления, снижается себестоимость изготовления, улучшается экология производства.

Некоторые примеры применения технологии лазерной наплавки.

Рис.6  Закалка колец подшипников

Сталь 55СМ5ФА. Параметры обработки: Мощность лазерного излучения 2,8кВт Скорость 1,8м/мин Диаметр фокусного пятна 11мм

Рис.7 Гильза больших размеров.

    Процесс лазерной закалки гильзы цилиндра турбокомпрессорного дизельного двигателя локомотива ведут наложением спиральной полосы шириной 3...4мм через 1...1,5мм при мощности излучения 5кВт в течение 15минут. Глубина зоны упрочнения достигает 1мм, износостойкость увеличивается в три раза.

Рис.8  Термообработка ножей

Промышленный нож для мясорубки. Термообработка режущих кромок позволяет уменьшить количество заточек. Т.к. твёрдость кромки повышается в несколько раз.

Рис. 9 Восстановление изношенных крестовин локомотивов железнодорожного транспорта методом лазерной наплавки.

Рис. 10 Технология повышения коррозионной стойкости методом лазерной обработки.

Технологию лазерной наплавки можно использовать для повышения коррозионной стойкости.

10% - H2SO4  - 24 часа 

10% - HCL - 24 часа

Т=3000К

 Как видно из фотографии наплавленный слой практически не поддается травлению.

Области применения – химическая промышленность, нефтегазодобывающая промышленность, нефтеперерабатывающая, судостроительная, промышленность.

Лазерная закалка

Рис.11 Инструментальное производство

Разработана технология лазерной закалки отрезных, прорезных фрез из быстрорежущих (инструментальных) сталей с целью повышения их стойкости до 10 раз. Лазерная закалка позволяет уменьшить налипание на фрезу (адгезионное схватывание) особенно при обработке цветных сплавов, увеличить скорость резания.

Лазерная гравировка

Рис.12 примеры лазерной гравировки

Сложность наносимого гравировкой изображения может быть любой, вплоть до полутоновых фотографических изображений и штрих-кодов, а созданное лазером изображение воспроизводится на изделии за несколько секунд.

 Лазерная гравировка выполняется на самых разнообразных материалах: металл, пластик, дерево, кожа, стекло, оргстекло, акрил, камень, бумага и прочее, а также на многослойных, покрытых и окрашенных поверхностях. Процесс лазерной гравировки максимально автоматизирован и не имеет промежуточных технологических этапов между компьютерной версткой и конечным изделием. Весь процесс гравировки происходит при полном отсутствии ручных процессов, что позволяет максимально снизить количество ошибок в технологическом процессе и свести время производства готового изделия до рекордных значений в 10-15 минут, а время гравировки готового изделия - до 0,3 минут. Отсканированные картинки, фото, клипарты, чертежи, и многое другое может использоваться для "печати" лазером. Лазер гравирует и режет такие материалы как дерево, оргстекло, пластик, кожа и много других неметаллических материалов.

Существует также гравировка внутри стекла - это выполнение объемных изображений в массе оптически прозрачного материала (стекла), которое основано на фокусировании излучения не на поверхности материала, как в случае резки, а в его толще. Под воздействием короткого импульса излучения в точке фокусировки происходит микровзрыв, изменяющий однородность материала. Таким образом, формируется один из пикселов составляющих изображение. Область применения: рекламный ассортимент, архитектурные модели, награды, подарки, бизнес-сувениры, промышленность, предметы коллекционирования, офисное снабжение, фотография, обозначения, спортивные товары, музыкальные инструменты и обработка дерева.

Лазерная маркировка промышленных изделий

Рис. 13 Примеры промышленной маркировки

 Метод лазерной гравировки позволяет наносить на изделия промышленного производства любую, даже мелкую, информацию: логотип и название производителя, технические данные, сквозную нумерацию и штрих-код продукции, выходные параметры изделия, название детали и др.

Лазерная маркировка является одним из самых надёжных способов защиты продукции от подделки. Быстрота процесса, сконцентрированная мощь воздействия, высокое качество прорисовки, простота применения, нестираемость изображения - качества, делающие лазерную маркировку привлекательной для современных производителей.

А бесконтактность нанесения имеет огромное значение для изделий с повышенными требованиями к точности, хрупких, нежестких деталей, не допускающих ударного клеймения.

Примеры использования лазерной гравировки и маркировки:

* лазерная гравировка резцов, метчиков, сверл и другого инструмента из высокопрочных закаленных сталей или твердых сплавов;

*  нанесение шкал и нониусов;

* лазерная маркировка подшипников, медицинского инструмента, различных ответственных деталей.

*  лазерная гравировка электронных компонентов: чипов, кабелей, разъемов;

*  глубокая лазерная маркировка на штампах, пресс-формах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Десять лет тому назад был создан первый квантовый генератор света — лазер. С момента создания первых лазеров работы в области квантовой электроники развернулись в широких масштабах и развивались исключительно быстрыми темпами. Бурное развитие квантовой электроники продолжается и поныне. В результате за короткое время было разработано очень много разных типов лазеров: твердотельные лазеры на кристаллах и стеклах, жидкостные лазеры, газовые лазеры (атомные, молекулярные, ионные), полупроводниковые лазеры (инжекционные, с электронным и оптическим возбуждением), лазеры с перестраиваемой частотой, химические лазеры, лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния и др. Созданы импульсные лазеры и лазеры непрерывного действия, дающие когерентное излучение в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетового 0,2 мк) до дальнего инфракрасного E38 мк) участков спектра. Мощности, излучаемые лазерами, достигает колоссальных значений. Так, газовый лазер на углекислом газе излучает в непрерывном режиме до 50 кет, а лазер на неодимовом стекле в режиме синхронизации мод генерирует импульсы света пикосекундной длительности мощностью до 10^13 вт, т. е. превышающей мощность всех электростанций на Земле. Удивительные особенности лазерного излучения — огромная интенсивность света, исключительно высокая монохроматичность и направленность излучения — открыли поистине безграничные возможности для практических применений лазеров во многих отраслях науки и техники. Новые технологические процессы прецизионной обработки материалов, создание оптических линий связи, точное определение расстояний, создание оптоэлектронных систем для обработки информации и вычислительной техники, диагностика плазмы, нагрев плазмы до термоядерных температур, хирургические операции и др. — вот далеко не полный перечень задач, которые решаются с помощью лазеров.

Список использованных источников

1.     Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов.   1985г. -208с

2.     Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. Москва «Машиностроение» 1989г. -301с.

3.     Григорьянц А.Г. , Соколов А.А. Лазерная техника и технология 1988г. -191с.

4.     Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов.  «Машиностроение» 1975г. -296с.

5.     Звелто  Принципы  лазеров 1990г. Издательство «мир».

Страницы: 1, 2, 3