Лазерная обработка

В зависимости от агрегатного состояния активной среды различают твердотельные и газовые лазеры; а так же на импульсные и непрерывного действия.

Для технологических целей важны следующие параметры лазерного излучения:

-монохромность и когерентность;

-интенсивность (плотность тока или энергия ипульса);

-длина волны;

-угловая расходимость ≤ 0.01…0.1˚

-время воздействия на металл: 10^-9 …10 с в импульсном режиме, в неперерывном: τ ≈ Dп/Vcк, где Dп – диаметр пучка, Vск - скорость сканирования пучка по образцу.

В зависимости от интенсивности и времени воздействия лазерную обработку используют для различных целей.

Лазерная обработка дает возможность локальной обработки заданных участков поверхности заготовки и достижения очень высоких скоростей нагрева и охлаждения (≥ 10⁴ К/с), что позволяет получать различные метастабильные структуры, включая и аморфную.

Лазерная обработка без оплавления применяют для изменения структурно- фазового состава поверхностного слоя металла, в котором протекают фазовые превращения. Лазерная закалка углеродистых сталей позволяет получить более твердый поверхностный слой и повысить износостойкость. Так же повышается сопротивление усталости на 70-80% по сравнению с обычной закалкой, но ударная вязкость при этом снижается.

Глубина термоупроченного слоя составляет 0,1…1мм. Под упрочненным поверхностным слоем располагается разупрочненный (отпуск). Лазерная обработка без оплавления не изменяет шероховатости поверхности и практически не меняет распределения легирующих элементов в поверхностном слое. После лазерной обработки в поверхностном слое образуются высокие макронапряжения.

Лазерная обработка с оплавление приводит к более значительным изменениям физико-химического состава поверхностного слоя металла. На поверхности возникает слой расплава, который может достигать 1 мм. Под ним находится зона термического влияния металла в твердом состоянии.

Если металлу не свойственны фазовые превращения, то после лазерной обработки наблюдается измельчение зерен (поликристаллический слой) и рост плотности дефектов.

Некоторые металлы и стали при лазерной обработке образуют в поверхностном слое мартенситную структуру, что ведет к повышению микротвердости и усталостной прочности (~ 30 %).

В ряде случаев лазерная обработка и быстрое охлаждение позволяют получать поверхностный слой с аморфной структурой (сплавы на основе Al, Cu, Fe). В тех случая, когда этого достичь не удаётся, на поверхность заготовки предварительно наносят слой материала, склонного к образованию аморфных структур и производят оплавление поверхностного слоя. Легирующий элемент наносится в виде порошка или пасты или вводится в зону обработки в газообразном состоянии. В результате этого происходит легирование поверхностного слоя нужными элементами и одновременное образование аморфной структуры в поверхностном слое. Аморфный слой резко повышает коррозионную стойкость и твёрдость поверхностного слоя детали.

Лазерной обработкой упрочняют инструментальные стали, в результате чего снижается их склонность к межкрисаллической коррозии и повышается сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением.

С помощью лазерной обработки можно производить легирование поверхностного слоя необходимыми для эксплуатации элементами. Легирующий элемент наносится в виде порошка или пасты или вводится в зону обработки в газообразном состоянии. Затем производят нгревание с олпавлением лазерным лучом. В результате этого происходит легирование поверхностного слоя нужными элементами.

С помощью лазерной обработки можно также реализовать метод термопластического упрочнения (см. ниже).

Основные недостатки лазерной обработки: при оплавлении повышается шероховатость поверхности детали; высокие термонапряжения могут вызвать термодеформации деталей; температура в центре луча (пучка) значительно выше, чем на периферии, что приводит к неравномерности обработки (в центре – закалка, по периферии – отпуск); неравномерность физико-механических свойств по поверхности.