Лазерное термоупрочнение

Основные понятия из физики лазеров. Для понимания основ физики лазеров необходимо предварительно рассмотреть некоторые основопо-лагающие положения из атомной физики по вопросам энергетического состояния атомов и переходов с одного энергетического уровня на другой.

Каждый атом может обладать различными вполне определенными значениями энергии, т. е., иначе говоря, находиться в том или ином энергетическом состоянии. Если это представить в графической форме, откладывая по вертикальной оси значения энергии атома, то получится диаграмма из ряда вполне определенных дискретных энергетических уровней (рис. 28).

Рис. 28. Схема энергетических уровней атома

Атом может взаимодействовать с электромагнитным излучением, что приводит к изменению его энергетического состояния и переходу с одного энергетического уровня Е _т на другой уровень Е _п. Если квантовая система находится в нижнем основном энергетическом состоянии Е₁, то она может только поглощать энергию электромагнитного излучения. При этом атом переходит на более высокий энергетический уровень Е₂(вынужденный переход).

В случае первоначального нахождения атома на более высоком энергетическом уровне Е₂есть вероятность, что со временем атом перейдёт на нижний уровень Е₁с испусканием кванта света (спонтанный (самопроизволь-ный) переход атомов между энергетическими уровнями). Вероятность этих переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и не зависит от внешних факторов.

Эйнштейн показал, что в случае переходов с более низких, например Е₁, на более высокие энергетические уровни, например Е₂,их вероятность зависит от свойств атомов и интенсивности электромагнитного излучения, действую-щего на систему извне. В работах Эйнштейна было доказано, что имеют место две разновидности вынужденных переходов:

- вынужденные переходы, сопровождающиеся поглощением света;

- вынужденные переходы, сопровождающиеся излучением. Такое излуче-ние называется индуцированным. Как видно, вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в направлении поглощения, так и в направлении излучения. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает: поглощение или излучение.

Показано, что условием усиления внешнего электромагнитного излучения является наличие в состоянии с большей энергией Е _n большего числа атомов N_n («населённости» энергетического уровня «n»), чем в состоянии с меньшей энергией Е _m (число атомов N_m):

N_n > N_m или N_n / N_m > 1 при Е _n – Е _m > 0.

При выполнении этого условия говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населённость.

Устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счёт вынужденного индуцированного излучения, называются квантовыми генераторами. Первые молекулярные генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и названные мазерами, были созданы в 1953 г. (Басов, Прохоров, Таунс, Вебер).

Первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне волн, - лазер (LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) -создал в 1960 г. Мейман. Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами. Создание лазеров стало возможным после того, как были разработаны способы осуществления инверсной населённости энергетических уровней в некоторых веществах истало возможным перевести большинство атомов в верхнее Е _n из двух энергетических уровней Е _m и Е _n, связанных соответствующим переходом (см. рис.28). Ансамбль атомов подвергают, соответствующему воздействию, вызывающему перераспределение атомов по энергиям. При этом получают количество атомов N_n > N_m на уровнях Е _n и Е _m. Такое воздействие на вещество называется «накачкой» и осуществляется различными способами, например, облучением потоком фотонов или электронов.

Чтобы среда (вещество) усиливала распространяющуюся в ней электромагнитную волну частоты n, следует выполнить два необходимых условия:

- наличие, по крайней мере, двух энергетических уровней Е₁ и Е₂ с разницей энергий Е₂ – Е₁= h n;

- преобладание числа частиц N ₂в состоянии с большей энергией Е₂ над числом частиц N ₂в состоянии с меньшей энергией Е₁.

Однако этих двух необходимых условий недостаточно для устойчивой работы квантового генератора. В реальных средах происходит дополнительное ослабление электромагнитной волны, например, рассеяние и нерезонансное поглощение. Отсюда следует третье условие квантового усиления:

- вынужденное излучение активных атомов должно с избытком компенсировать потери электромагнитной волны в среде.

Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри — Перо (рис. 29), то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волны увеличивается в е^kL раз, где k — коэффициент усиления в см^{-1, L} – длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r(n)в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r(n), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного лазерного излучения.

Рис. 29. Схема резонатора Фабри – Перо

В качестве квантового генератора используют трехуровневые или четырехуровневые системы. Схема системы с тремя энергетическими уровнями показана на рис. 30. Здесь переход W ₁₃ служит для накачки, т. е. перевода атомов в энергетическое состояние 3.

Рис. 30. Схема трехуровневой системы

Уровень 3 в данном случае представляет собой полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней. Время жизни уровня 3 очень мало (~10^-8 с). В течение этого времени некоторые частицы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1, что показано стрелкой А₃₁.

Однако большинство частиц перейдет с уровня 3 на метастабильный уровень 2 (стрелка S₃₂).Вероятность перехода S ₃₂ значительно больше, чем перехода А ₃₁, что характерно для лазера, в котором рабочим телом является рубин (окись алюминия А1₂О₃, в которой некоторые атомы Al замещены атомами хрома).

При достаточной мощности накачки число частиц, находящихся на метастабильном энергетическом уровне 2,становится больше числа частиц на уровне 1 (N ₂> N ₁).Это означает возникновение инверсии населенности уровней 1 и 2. Стрелка А₂₁характеризует спонтанный переход с уровня 2 на основной энергетический уровень 1. Излученный при этом фотон вызывает вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход W ₂₁),которые в свою очередь вызовут последующее вынужденное излучение, и т. д. В результате образуется каскад фотонов, т. е. лазерное излучение.

Более сложная четырехуровневая система рассматривается в специальной литературе.

Лазерные системы и устройства управления лазерным излучением Любой лазер состоит из следующих необходимых элементов:

1. Рабочая среда из ансамбля частиц, в которой может быть осуществлена инверсия населенности энергетических уровней.

2. Устройство, позволяющее осуществить накачку.

3. Элемент, обычно резонатор, для осуществления интенсивного взаимодействия излучения с рабочей средой и отвода энергии от ансамбля частиц.

4. Устройство, обеспечивающее вывод лазерного излучения, локализа-цию и доставку к месту назначения.

5. Дополнительные элементы в виде различных устройств управления лазерным лучом и т. п.

Существует большое количество лазеров, отличающихся по вышепере-численным элементам. Основное деление лазеров на группы проводится по агрегатному состоянию рабочей среды: твердотельные (рубиновые, неоди-мовые), газовые (СО₂-лазер, гелий-неоновый, газодинамические и др.), жидкостные, отдельно полупроводниковые.

Режимы генерации лазерного излучения характеризуются различными длительностями и последовательностями процессов в рабочем цикле лазера. Применяются непрерывный режим генерации, Наиболее распространенный у большинства газовых лазеров, режим свободной генерации, режим модуляции добротности и др.

Из газовых лазеров к наиболее перспективным относятся молекулярные газоразрядные лазеры, из них более эффективным остается лазер на СО₂. Обычно в качестве рабочей среды используют как минимум смесь СО₂ + N₂. Молекулы СО₂ из основного состояния переходят на верхний энергетический уровень или сначала на более высокие уровни, а затем переводятся на верхний уровень. Третьей составляющей газовой среды является гелий, который способствует более эффективному возбуждению молекул СО₂. Существует целый ряд различных типов газоразрядных СО₂-лазеров, рассматриваемых в специальной литературе.

Лазерное излучение характеризуется рядом особенностей: малая угловая расходимость, пространственная и временная когерентность, т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, высокая яркость.

Устройства управления лазерным излучением изменяют один или несколько параметров излучения. По функциональному назначению они подразделяются на три большие группы:

1. Модуляторы, позволяющие изменять амплитуду, частоту, фазу, поляризацию, длительность импульса излучения.

2. Дефлекторы, позволяющие изменять направление распространения луча по определенному закону.

3. Фокусирующие системы, обеспечивающие концентрацию излучения и изменение распределения его интенсивности в фокальной плоскости.

Перечисленные устройства рассматриваются в специальной литературе.

Характеристики некоторых лазерных установок. Одной из лазерных установок является «Латус-31».

Лазер изготовлен в исполнении УХЛ категории 4.2. по ГОСТ 15150-69 и предназначен для работы при температурах от +10°С до +35°С, относительной влажности от 40 % до 80 %, атмосферном давлении от 83,5 кПа до 106 кПа.

Питание установки производится от 3-фазной 4-проводной сети с нулевым проводом. Переменное напряжение 380/220 В, частоты 50 Гц.

Лазер работает при подаче воды с температурой не выше +25°С под давлением не более 0,25 МПа, а также газов: гелия ТУ 51-689-75, азота ГОСТ 9293-74, двуокиси углерода ГОСТ 1050-76 по давлением 0,15 МПа.

При эксплуатации лазера отработанные газы с помощью насоса отводят за пределы помещения.

Лазер размещается в помещении площадью не менее 8 м и высотой не менее 3,5 м.

Установка «Латус-31» состоит из следующих составных частей:

- модуль технологический А 30627.01; -лазер газовый А 855.03;

- механизм вращения изделий А 309.16;

- регулятор скорости А 746.05;

- измеритель мощности А 747.14;.

- преобразователь мощности А 747.16;

Принципиальная схема лазера приведена на рис. 31.

Рис. 31. Принципиальная схема лазера «Латус-31»

Технические характеристики установки «Латус-31»:

Мощность лазерного излучения, Вт 150 - 1500

Диапазон регулирования мощности излучения, Вт 200 - 2000

Длительность лазерного импульса, с 0,1-100

Длительность паузы, с 0,1-100

Минимальный диаметр сфокусированного луча, мм 0,35

Потребляемая мощность, кВт 17 - 23

Время непрерывной работы лазера после не менее 8
перенаполнения излучателя, ч
Расход газовой смеси, л/ч:

- в основном режиме не более 2

- во вспомогательном режиме не более 4

Напряжение питания, В 220/380 (50 Гц)

Габаритные размеры установки, мм 2900x1200x1750

Масса, кг 2000

«Латус-31» - молекулярный газовый лазер, работающий на углекислом газе. Рабочая смесь газа включает в себя в обязательном порядке N₂ и Не. Основой лазерной установки является компактный конвективный лазер «Карат», в котором используется продольная прокачка газовой смеси и газовые разряды в диэлектрических цилиндрах. Конструкция установки «Латус-31» построена по базовому принципу с модульным исполнением ее основных частей. Она включает в себя базовую модель «Латус-30» и исполнительный механизм в виде электромеханического привода с блоком питания для перемещения обрабатываемых деталей. Установка способна работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах.

Обрабатываемое изделие крепят в зажимном устройстве привода вращения (8), который закреплен на двухкоординатном столике (9), который может перемещаться в горизонтальной плоскости (рис. 32).

Для крепления длинных деталей используют центрирующее устройство (10). Фокусировка луча на поверхность детали осуществляется перемещением объектива с линзами (4).

Рис. 32. Оптико-механичсекая схема установки лазерной обработки:

1 – источник лазерного излучения; 2,3 – отклоняющая оптика;

4 – фокусирующий объектив; 5 – зажимное устройство;

6 – обрабатываемая деталь; 7 – измеритель мощности лазерного излучения;

8 – привод вращения; 9 – координатный стол; 10 – центрирующее устройство

Лазерный луч, перемещаясь по поверхности детали со скоростью от 5 до 40 мм/с, упрочняет поверхность, не изменяя при этом её качества, то есть после лазерной обработки деталь не требует чистовой обработки. Таким образом, после лазерной обработки детали приобретают характеристики поверхности, удовлетворяющие техническим условиям.

Лазерная установка «Комета-2» предназначена для генерации тепловых лучей с высокой плотностью энергии, с помощью которых происходит разогрев или расплав металлов. Характеристики установки:

1. Установка запитывается от трехфазной четырехпроводной сети с частотой 50 Гц, рабочим напряжением 380/220±5 В, мощностью 25 кВт. Потребляемая мощность установки не менее 25 кВт.

2. Охлаждение установки осуществляется питьевой водой из оборотной системы. Параметры питающей системы водяного охлаждения:

- температура воды – от +1 до +25°С;

- давление (избыточное) – 130 ± 30 кПа;

- при эксплуатации – 200 ± 20 кПа;

- расход воды - 12 л/мин.

3. «Комета-2» является СО₂-лазером, работает на смеси углекислого газа,
гелия и азота в режиме непрерывной прокачки. Газы подаются из баллонов типа 40-150 по ГОСТ 949-73, установленных в двух шкафах. Отработанные газы удаляются через выхлопную трубу вне цеха.

4. Габаритные размеры и масса, не более:
Лазерного модуля:

- длина - 1810 мм;

- ширина - 950 мм;

- высота - 1875 мм;

-масса - 1500 кг.

Каждого из шкафов для газовых баллонов:

- длина - 750 мм;

- ширина - 320 мм;

- высота- 1715 мм;

- масса - 45 кг.

Технологической оснасткой установки «Комета-2» служит установка, разработанная на основе токарно-винторезного станка. С помощью установки деталь, помещенная в оправку, которая закрепляется в патроне и зажимается задней бабкой, может перемещаться как продольно, так и вращательно-поступательно вдоль неподвижного лазерного луча.

В качестве альтернативной оснастки установки можно использовать координатный стол, представляющий собой две опорные тележки, совер-шающие движение по направляющим валам. В основу работы этого устройства положена передача «винт-гайка». Движение тележек осуществляется в продольном и поперечном направлениях. Движение приводных валов тележек осуществляется с помощью электропривода.

Технология лазерного термоупрочнения. Процесс лазерной поверх-ностной обработки основан на локальном нагреве участка поверхности под действием излучения и последующего охлаждения этой поверхности со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода во внутренние слои металла.

В отличие от известных процессов термоупрочнения нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом. При этом время нагрева и охлаждения незначительны, практически отсутствует выдержка при нагреве, что обеспечивает высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых участков.

Для получения мартенсита в сплавах Fe-Cв интервале температур минимальной устойчивости аустенита необходимы скорости охлаждения больше критических, которые для большинства сплавов находятся в интервале 500…200 град/с. Охлаждение при лазерном термоупрочнении без оплавления характеризуется значительно большими скоростями, что не оказывает существенного влияния на состав фаз и структуру, хотя последняя в этом случае приобретает значительную неоднородность, связанную с негомоген-ностью аустенита. Большое количество дефектов позволяет образовать более дисперсный мартенсит, т. е. более твердый. Обычно микротвердость сталей после лазерной закалки на 2000 МПа выше микротвердости сталей, подвергнутых обычным видам закалки. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине зоны лазерного воздействия различают три слоя.

Первый слой – зона оплавления, которая имеет столбчатое строение. Основная структурная составляющая — мартенсит.

Второй слой – зона закалки из твердой фазы. Её нижняя граница
определяется температурой нагрева до Ас₁. Ближе к поверхности имеется
мартенсит и остаточный аустенит, глубже, наряду с мартенситом, есть феррит (цементит).

Третий слой – переходная зона, в которой металл нагревается ниже Ac₁. B этой зоне наблюдаются характерные структуры отпуска - троостит или сорбит.

Основной целью лазерного термоупрочнения сталей является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. Лазерная закалка непрерывным излучением без оплавления поверхности таких сталей, как 35, 45, 40Х, приводит к повышению предела выносливости до 520 МПа (в исходном состоянии 200…300 МПа). После лазерной закалки с оплавлением поверхности в большинстве случаев предел выносливости уменьшается. Рекомендуемые скорости для лазерного луча, скользящего по поверхности обрабатываемой детали, составляют 5…10 мм/с.

Процесс лазерного упрочнения определяется общей последователь-ностью операций и перемещением детали под лазерным лучом. Схема обработки и велечина зоны обработки определяются размером поверхности износа, задаются конструктором и регламентируются чертежами и техническими условиями.

По перечисленным выше данным инженер-программист составляет программу работы лазерной установки, управляющей технологическим процессом лазерного упрочнения, которая реализуется в ЭВМ.

Перед лазерным упрочнением обрабатываемую поверхность ее необходимо обезжирить этиловым спиртом по ГОСТ 18300-72. Для повышения поглощающей способности на обрабатываемую поверхность кистью наносят желтую гуашь (ТУ6-10-1378-79).

Устанавливают и фиксируют деталь в оснастке, ориентируют деталь под лучом лазера и выбирают режим упрочнения. После обработки деталь вынимают из оснастки и с помощью лупы 10х осматривают упрочненные зоны, убеждаются в отсутствии трещин, пор. Измерение твердости упрочненной зоны проводят на твердомере ПМТ-3.

Преимущества лазерного упрочнения:

1. Возможность упрочнения локальных по толщине и площади объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме.

2. Твердость упрочненных участков на 15…20% превышает твердость, получаемую после традиционной закалки.

3. Получение заданных химических и механических свойств обрабаты-ваемых поверхностей за счет их локального легирования.

Внедрение методов лазерной обработки обусловливается рядом благо-приятных факторов:

4. Наличие высокопроизводительного лазерного оборудования.

5. Сравнительная простота лазерной технологии упрочнения.

6. Большая технико-экономическая эффективность.

При решении вопросов о замене традиционной химико-термической обработки стали лазерным термоупрочнением можно оценочно исходить из данных табл. 1 о глубине и твердости поверхностного слоя.

Таблица 6