|
|
Появление новейших мощных лазерных источников волоконного типа актуализирует вопрос об эффективности их использования для лазерной закалки. Причем на данные источники нельзя непосредственно переносить результаты, получаемые и при использовании СО2-лазеров и при использовании YAG-излучателей. В первом случае мы имеем существенное отличие в длине волны (в десять раз), во втором – сильно различающиеся пространственно-геометрические параметры светового пучка. Одна из самых актуальных задач в широком спектре процессов закалки – это закалка без плавления, что, например, особенно важно для штамповой оснастки. Поскольку здесь недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах, то оптимизация процесса логически связана с созданием равномерных (и в пространстве и времени) пятен засветки. Для мощных YAG- лазеров из-за сложной структуры излучения эта задача решается непросто, а для закалки СО2-лазерами даже были разработаны специальные многоканальные лазеры, обеспечивающие равномерную экспозицию в пятне. Основным недостатком закалки классическими лазерами является чрезвычайно низкая энергетическая эффективность. Для СО2-лазера энергетический КПД не превосходит 10% от розетки, а коэффициент поглощения излучения металлами не превосходит нескольких процентов, так что полный КПД процесса закалки составляет доли процента. Для его повышения приходится использовать разные технологии нанесения поглощающих покрытий, что сильно усложняет процесс и вводит в него множество трудно контролируемых факторов. Для YAG-лазера коэффициент поглощения может достигать 10-15%, но зато полный КПД самого лазера обычно составляет не более 2-3%. Тестирование проводили с использованием типичного волоконного лазера серии YLR (российское обозначение ЛС-07) с максимальной мощностью 750 Вт, длиной волны 1.07 мкм и транспортным волокном 50 мкм. Лазер использовался в режиме непрерывного излучения, для фокусировки использовалась вариосистема VF001W с переменным фокусным расстоянием c насадкой для сварки. Система настраивалась таким образом, что полный размер пятна на детали составлял 3,5 мм. Поверхность шлифованного металлического образца относительно лазерного пучка размещалась под углом 20 градусов, чтобы отраженное излучение гарантированно не попадало в технологическую головку. Первые же тесты показали, что эффективность поглощения излучения чрезвычайно велика. Так, при мощности излучения 700 Вт и скорости 10-20 мм/с происходило интенсивное плавление поверхности с шириной дорожки до 3-4 мм. Для СО2-лазеров даже при мощности излучения 1500-2000 Вт и использовании поглощающих покрытий на этой скорости плавления обычно не происходит. Для получения обработки без плавления пришлось увеличивать скорость движения источника до 30..40 мм/с. Для получения данных о свойствах металла после обработки использовали шлифованные образцы стали 40Х в виде штапиков 10х10х80 мм. Для сравнения эти же образцы были обработаны пучком СО2-лазера при том же диаметре лазерного пучка на детали. Примечательно, что структура закаленного слоя довольно однородна (микроструктура имеет вид мелкодисперсного мартенсита) и полностью отсутствует переходная зона. Важно то, что общая эффективность процесса (как отношение производительности к затраченной лучевой мощности) существенно выше, чем для СО2-лазера. Если грубо оценить повышение эффективности перемножением факторов «глубина закалки»* «мощность излучения»* «скорость», то получим коэффициент, равный примерно 12. Это сложно объяснить исключительно более высоким коэффициентом поглощения излучения с длиной волны 1.07 мкм в сравнении с длиной волны 10.6 мкм, так как по экспериментальным данным [1] для холодного железа эта разница составляет величину 5…7. Возможное объяснение предлагается в работе [2], где исследуется довольно малоизученный феномен генерации поверхностных электромагнитных волн в металлах, распространяющихся вдоль поверхностного скин-слоя. Эти волны могут интерферировать с падающей волной и существенно изменять характер взаимодействия излучения с поверхностью. Тем не менее, это не более чем гипотеза, нуждающаяся в проверке – важна ли когерентность для таких процессов и можно ли заменить волоконный лазер просто волоконными источниками излучения. С учетом того, что КПД волоконных лазеров составляет 25%, что в 2.5…3 раза выше КПД серийных СО2-лазеров, общая энергетическая эффективность процесса закалки волоконными лазерами оказывается выше в 20-30 раз. Что позволяет позиционировать этот процесс как реально коммерчески конкурентный известным видами закалки, например, ТВЧ. При этом с учетом доставки излучения по оптическому волокну и исключения нанесения поглощающих покрытий – это процесс чистый и полностью контролируемый. Отличные результаты предварительных тестов позволили без особых проблем перейти к закалке опытных партий деталей. Выполнялась закалка деталей специальных насосов, производимых на ОАО «Пролетарский завод». Материал деталей – сталь 40Х с покрытием «воронение». Поверхность обрабатывалась путем строчной раскладки валиков при диаметре светового пятна около 4 мм с шагом между валиками около 7 мм. Время обработки отдельной детали составило 1 мин. 24 с., причем после выполнения оптимизации раскладки валиков (исключение потерь времени на отверстия и т.п.) время может быть сокращено до 42 с. Заводские испытания первой партии из 25 шт. показали стопроцентное качество закалки и глубину закалки 0.55 мм до значения 920..940 HV. Важно также отметить, что «воронение» на детали наносилось только для повышения эффективности обработки СО2-лазерами и по-видимому при обработке волоконными лазерами на эффективность процесса особо не влияет. Это значит, что можно просто исключить эту технологическую операцию, которая «неидеальна» с точки зрения экологии.
ВЫВОДЫ
Литература
|
Новости
|