Установки для лазерной обработки материалов

 

2. Применение лазеров

 

Одновременно  с созданием первых лазеров начали развиваться различные направления  их применений. Создание лазеров ликвидировало  качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Таким образом, все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. Лазеров большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия, провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий.

 

 

2.1 Лазеры в технологии. Технологические режимы лазерной обработки материалов

 

Схемы использования  лазеров в технологических процессах  обычно достаточно просты. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемой детали. Часть его с помощью специального зеркала, поставленного на пути луча, может отводиться на измерительную аппаратуру для контроля параметров излучения в процессе обработки. Зеркало полупрозрачно, поэтому большая часть излучения проходит к фокусирующей системе. Фокусирующая система сжимает лазерное излучение в пятно малых размеров, в ряде случаев единицы микрометров, а в большинстве — доли миллиметров. Малый размер пятна и значительная мощность излучения позволяют получить весьма высокую плотность потока. Рекордные величины этого энергетического параметра достигнуты при использовании лазерного излучения в опытах с попытками осуществить термоядерную реакцию синтеза: величина плотности потока (концентрации мощности) может достигать 10¹⁶ Вт/см² и выше. Чтобы понять, насколько велика приведенная величина, отметим, что фокусировка солнечного излучения не позволяет получить плотность потока выше 5*10³ Вт/см². Но даже с помощью такого потока лучистой энергии можно плавить практически любые металлы.

Сфокусированное лазерное излучение, попадая на непрозрачные материалы (металлы и их сплавы), поглощается в узком поверхностном  слое; энергия луча преобразуется  в другие виды энергии, и в первую очередь в тепловую. Подчеркнем, что не вся падающая энергия луча преобразуется в тепло или идет на возбуждение механических колебаний и т. д. Часть излучения отражается от поверхности тела и, как правило, безвозвратно теряется, понижая коэффициент использования энергии излучения лазера и полный энергетический КПД процесса, который для большинства типов лазерных технологических установок невелик. Часть энергии излучения (до 10%) теряется при прохождении оптических диафрагмирующих и фокусирующих систем. Чем сложнее оптические системы для фокусировки из лучения, тем больше потери и ниже полный КПД. Высокая концентрация излучения в пятно малых размеров и, как следствие, высокая плотность потока существенно снижают потери энергии по сравнению с другими источниками, поскольку нет бесполезного нагрева больших объемов вещества. Здесь и кроется энергетический выигрыш. Кроме того, существуют способы снижения потерь энергии на отражение, скажем, использование поглощающих покрытий, не исчерпаны резервы повышения КПД. преобразования электроэнергии в излучение лазеров с различными длинами волн. Вообще говоря, чтобы правильно оценить роль лазеров в современных технологических процессах обработки материалов, нужно научиться оценивать энергетические потери излучения на пути от выходного окна лазерной установки до рассеяния этой энергии в твердом теле.

Большинство процессов  обработки материалов лучом лазера производится при плотностях потока 10³— 10⁷ Вт/см². В этом диапазоне в зависимости от продолжительности воздействия излучения тело может нагреваться, плавиться или интенсивно испаряться. Что же произойдет с веществом, если дальше увеличивать плотность потока излучения, сохраняя остальные условия опыта неизменными? Начиная с некоторого значения плотности потока (для металлов 10⁸—10⁹ Вт/см² ), вводимое в металл тепло не может быть отведено ни с помощью теплопроводности, ни увеличением объема испарившегося вещества. Поверхностный слой тела в этом случае уподобляется взрывчатому веществу с высокой удельной энергией (энергией, приходящейся на единицу массы вещества). Он буквально взрывается и разлетается с высокой скоростью, вызывая ударную волну в окружающей среде, и передавая импульс в объем тела. Ударная волна начинает распространяться по телу. Если тело представляет собой тонкую пластину, то энергия ударной волны несущественно рассеивается в веществе и до обратной стороны пластины доходит волна практически той же амплитуды, что и вблизи поверхности. Отражаясь от обратной стороны пластины, ударная волна может вызвать ее механическое разрушение, так как давление, действующее на обратную сторону пластины, практически удваивается.

 

Технологические режимы лазерной обработки материалов

 

Лазерная  закалка (термоупрочнение)

 

Локальная закалка  позволяет уменьшить деформацию изделий после воздействия, сократить или даже исключить финишную обработку поверхностей. Другое преимущество лазерной закалки — возможность обработки деталей сложной формы, а также упрочнения деталей в труднодоступных местах. Импульсную лазерную закалку используют для обработки кромок режущего и штампового инструмента. В результате существенно повышается износостойкость штампов — до 2—5 раз.

На величину упрочнения и другие параметры лазерной закалки инструментальной стали  влияет большое число факторов: состояние  поверхности изделий после механической или химической обработки, исходная структура, геометрия и углы заточки режущих кромок инструмента и др.

Остановимся на использовании лазеров с непрерывной  генерацией для закалки поверхностного слоя материалов. Здесь имеется ряд особенностей по сравнению с закалкой при использовании воздействия импульсных лазеров. Во-первых, глубина упрочненной зоны может быть увеличена благодаря более продолжительному воздействию. Возможность относительного перемещения луча лазера и детали позволяет думать о процессах, связанных со сканированием луча по поверхности по заданному закону. "Варьируя скорость движения и характер перемещения, можно добиться оптимизации режима обработки Для лазерной закалки непрерывным излучением обычно используют СО₂-лазеры, а в ряде случаев — лазеры на алюмоиттриевом гранате (АИГ). Напомним, что длина волны излучения у этих лазеров различна: 10,6 мкм — у СО₂-лазера, 1,06 мкм — у АИГ-лазеров. Применение СО₂-лазеров для упрочнения чугунных деталей в машиностроении позволяет повысить их износостойкость в 5—10 раз. Лучом образуют упрочненные дорожки шириной 1,5—2,5 мм, при этом глубина зоны закалки 0,25—0,35 мм. Между дорожками располагается зона отпуска с пониженной микротвердостью шириной до 0,5 мм.

Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением поверхности при действии непрерывного лазерного излучения следует признать перспективным технологическим процессом. Оно резко увеличивает долговечность изделий, причем качество поверхности обработанных деталей сравнительно мало ухудшается, нет коробления, даже если использовать излучение лазерных установок с большей мощностью (более 1 кВт), позволяющее получать диаметры пятен нагрева более 5 мм с достаточным по равномерности распределением мощности по радиусу.

К достоинствам лазерного термоупрочнения можно отнести следующие:

• высокую микротвердость поверхности и высокую износостойкость;

• возможность локальной обработки, как по глубине, так и на поверхности;

• обработку труднодоступных участков;

• возможность менять глубину закалки в широких пределах.

К недостаткам  можно отнести сложность подбора  режима обработки и возможные  деформации при обработке достаточно больших участков.

Применение  лазерной термической обработки  при использовании лазеров непрерывного действия мощностью выше 1000 Вт с автоматизированной системой управления лазерным технологическим процессом в машиностроении наиболее эффективно.

 

Лазерное  легирование и газопорошковая наплавка

 

В общем, лазерное легирование (рис. 2) схоже с лазерным термоупрочнением с оплавлением поверхности. Отличие состоит лишь в том, что перед термической обработкой на поверхность наносится слой, который после оплавления поверхности меняет химический состав (поверхностный слой).

Преимущество  лазерного легирования состоит  в том, что деталь изготавливается из легко обрабатываемого недорогого материала, а дорогие и дефинитные элементы расходуются только в тонком слое и на локальном участке изделия. Легирующая обмазка, наносимая на поверхность обрабатываемой детали, расплавляется лучом лазера совместно с поверхностным слоем изделия. Затем легирующие компоненты переходят в объем жидкой ванны металла, которая затем кристаллизуется.

Средняя глубина  легированных слоев составляет 0.3...0,4 мм при импульсной обработке и 0,3... 1.0 мм при обработке непрерывным лазером. Обработка чаше всего проводится в атмосфере инертных газов.

 

Типы  легирования:

 

Лазерная  цементация осуществляется на основе растворов графита или сажи в ацетоне или спирте. При большом содержании углерода в обмазке микротвердость после цементации повышается до 9000... 14000 МПа. Лазерную цементацию целесообразно использовать для повышения твердости углеродистых сталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок. 2. Схема  процесса лазерного легирования.:

1 — образец,  двигающийся со скоростью v; 2 — легированный слой {дорожка);

3 — ванна  расплава; 4 - лазерный пучок; 5 - технологический  объектив;

6 - защитный  газ; 7 - легирующая обмазка; ƒ - фокусное расстояние объектива (6);

∆ƒ— расстояние от поверхности образца до задней фокальной плоскости.

 

Лазерное азотирование выполняется с использованием паст на основе аммиачной солп. Для титана, циркония и их сплавов азотирование легко осуществить при лазерном оплавлении поверхности с обдувом струей азота. При этом в слое образуются нитриды с высокой микротвердостью 17000.. .20000 МПа.

Силицирование проводится на основе обмазок, содержащих порошок кремния. Осуществляется из твердой фазы. Микротвердость сталей повышается до 8000... 15000 МПа. Кроме того, повышается их коррозионная стойкость и стойкость при нагреве.

Борирование осуществляется с применением обмазок, содержащих порошок бора. Бор можно напылять плазменным способом, тогда поверхность лазером оплавляют. При борировании сталей образуются бориды железа, обеспечивающие микротвердость до 21000 МПа.

Легирование металлическими компонентами. Металл предварительно наносится на поверхность, и осуществляется лазерное оплавление. Чугуны и стали легируются хромом и углеродом. Алюминиевые и титановые сплавы легируются Fe, Ni. Cr и др. Микротвердость алюминиевых сплавов после лазерного легирования достигает 10000 Мпа. что значительно выше, чем при обыкновенной лазерной закалке. Если легирующее покрытие наносится высокотемпературным напылением, то лазерное оплавление таких покрытии приводит к увеличению прочности их сцепления с основой.

Газопорошковая  лазерная наплавка (рис. 3) осуществляется принудительной подачей порошка газовым потоком в зону лазерного оплавления поверхности. При этом частицы порошка достигают поверхности уже нагретыми до температуры плавления.

Этот метод  требует расчета, который связывает  мощность лазера с размерами и  расходом порошка, скоростями его подачи, скоростями движения, шириной и высотой  валика наплавки и геометрией рисунка.

Подача порошка  осуществляется с помощью таких  газов, как воздух, азот, гелий, аргон. Для защиты от окисления используют инертный газ. Прочность сцепления высока, достигает прочности покрытия или детали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Схема газопорошковой лазерной наплавки

с подачей  порошка вслед движению образца:

1 — луч  лазера, 2 - питатель с расходом  порошка,

3 - наплавленный  металл, 4 — движущаяся со скоростью v пластина;

L -расстояние от сопла питателя до зоны наплавки, ∆f- степень дефокусировки,

а — угол наклона  сопла к оси лазерного пучка

 

Получение металлических стекол. В последнее время усилился интерес к аморфным материалам. Материалы эти обладают рядом свойств, отличающих их от кристаллических материалов. Эти отличия касаются магнитных, электрических, механических и коррозионных свойств. Так, у аморфных металлов существенно выше магнитная проницаемость, более высокая стойкость к коррозии. В настоящее время в различных странах разрабатываются методы получения аморфных пленок быстрым охлаждением тонкого слоя расплава или его капель, вытягиванием тонких нитей из расплава и др.

Лазерное воздействие  как метод получения на поверхности  слоя металлического стекла весьма заманчиво. У металлов, например, быстро расплавляется  тонкий слой, а отвод тепла от ванны расплава в металл обеспечивает высокую скорость охлаждения, в ряде случаев недоступную другим методам. Скорости охлаждения при лазерной обработке могут превосходить 10⁶ град/с, что достаточно для формирования на поверхности металлического стекла, как называют поверхностный аморфный слой в металлах.

Лазерная  сварка. По характеру воздействия излучения на тела лазерная сварка обычно разделяется на импульсную и непрерывную. С помощью импульсного воздействия лазерного излучения можно осуществить точечную сварку соединений различной геометрической конфигурации, а также шовную сварку стыковых соединений, получаемую при последовательном нанесении сварных точек с перекрытием отдельных зон облучения при высокой частоте следования импульсов излучения. Непрерывная лазерная сварка на практике осуществляется только СО2-лазерами и, как правило, является шовной.

Импульсная  лазерная сварка. Для сварки большинства  материалов, включая тугоплавкие  металлы, требуются плотности потоков  излучения 1C⁵—10⁶ Вт/см², если длительность импульса составляет несколько миллисекунд. В ряде случаев при сварке необходимо выполнить следующие технологические требования:

• ограничить размер зоны термического влияния;
• ограничить вынос расплава из зоны воздействия излучения, чтобы не снижалась прочность соединения;
• ограничить температурные градиенты в зоне сварки, чтобы снизить термические напряжения, приводящие к образованию трещин;
• сделать минимальным время контакта твердой и жидкой фаз, чтобы избежать образования интерметаллических прослоек и появления хрупкости зоны термического влияния;
• добиться максимальной глубины проплавления без удаления массы, чтобы не снижать прочности соединения;
• при необходимости создать защитную атмосферу или проводить сварку в вакууме для избегания заметного окисления поверхности материалов.