Lāzera dzēšanas tehnoloģija: Precīza virsmas sacietēšana metāla komponentiem

Lāzera rūdīšana, kas pazīstama arī kā lāzera transformācijas sacietēšana, ir termiskās apstrādes process, kas paredzēts, lai uzlabotu komponentu virsmas izturību un izturību. Tas izmanto augsta-enerģijas-blīvuma lāzera staru, lai selektīvi pielietotu siltumenerģiju lokalizētiem komponenta virsmas apgabaliem. Lāzeram šķērsojot virsmu, tas ātri uzsilda materiālu; ideālā gadījumā šī temperatūra pārsniedz austenitizācijas punktu. Kad lāzers pārvietojas garām noteiktam metāla tilpumam, notiek ātra paš-dzišana (ti, atdzišana), izmantojot iekšējo siltuma vadīšanu -, uzlabojot mikrostruktūru, palielinot dislokācijas blīvumu un paaugstinot cietā-šķīduma oglekļa saturu. Šīs metalurģiskās izmaiņas rada ievērojami augstāku virsmas cietību, tādējādi panākot efektīvu virsmas nostiprināšanu.

1. attēls. Lāzera dzēšanas shematiskā diagramma

Lāzera dzēšana ir process, kurā tiek izmantots lāzera stars, lai ātri (milisekunžu laikā) uzsildītu materiāla virsmas slāni līdz fāzes transformācijas temperatūrai, bet lielapjoma substrāts paliek zemā temperatūrā. Kad lāzers attālinās, siltums ātri izkliedējas vēsākā pamatmateriālā, radot paš-dzišanas efektu. Tā rezultātā tiek iegūts sacietējis virsmas slānis ar augstu cietību un smalkgraudainu martensīta mikrostruktūru, vienlaikus saglabājot labu kodola stingrību. Lāzera rūdīšana ir veiksmīgi izmantota, lai nostiprinātu nodilumu pakļauto komponentu virsmu- metalurģijas, mašīnbūves un naftas ķīmijas nozarēs, - īpaši uzlabojot naftas cauruļu vītņu, urbjstieņu, virzošo sliežu un citu svarīgu detaļu - kalpošanas laiku, nodrošinot ievērojamus ekonomiskus un sociālus ieguvumus.

Lāzera dzēšanas galvenās īpašības ir:

(1) Precīza vadāmība: lāzera rūdīšana ļauj precīzi kontrolēt sacietēšanas dziļumu diapazonā no 0,1 līdz 2,0 mm. Pielāgojot tādus parametrus kā lāzera jaudas blīvums (10³–10⁵ W/cm²), skenēšanas ātrums (1,0–20,0 mm/s) un vietas lielums (1–10 mm), var precīzi kontrolēt siltuma ietekmētās zonas dziļumu.

(2) Minimāls sagataves kropļojums: ārkārtīgi īsā lāzera sildīšanas laika (0,1–1,0 s) dēļ siltums tiek koncentrēts virsmas slānī, bet masīvais materiāls paliek zemā temperatūrā, izvairoties no termiskās slodzes -izraisītas deformācijas, ko izraisa kopējā karsēšana. Iegūtais kropļojums ir tikai aptuveni 1/10 no tā, kas rodas ar parastajām dzēšanas metodēm.

(3) Izcila apstrādes kvalitāte: var sasniegt augstas-cietības, smalkgraudainu{2}}martensīta mikrostruktūru. Ātrais sildīšanas un dzesēšanas cikls (10³–10⁵ grādi/s) nomāc karbīda rupjību un veicina īpaši smalkas graudu struktūras veidošanos, palielinot nodilumizturību 2–3 reizes.

(4) Plaša pielietojamība: lāzera rūdīšana ļauj precīzi sacietēt noteiktas sarežģītas sastāvdaļas. Kontrolējot lāzera ceļu, izmantojot CNC sistēmas, var realizēt lokālu sarežģītu ģeometrisku elementu -, piemēram, rievu, caurumu un citu kontūru - nostiprināšanu, kas atbilst dažādām darbības prasībām.

2. attēls. Lāzera dzēšanas un parasto dzēšanas metožu raksturlielumu salīdzinājums

Lāzera dzēšana ir uzlabota virsmas termiskās apstrādes tehnoloģija, kas nodrošina lokālu nostiprināšanu, ātri uzsildot materiāla virsmu ar lielas-enerģijas lāzera staru, kam seko paš-rūšana (dzesēšana). Šis paņēmiens nodrošina precīzu siltuma ievadi, minimālus kropļojumus un vienmērīgus rūdītus slāņus, - ievērojami uzlabojot detaļu nodilumizturību un noguruma kalpošanas laiku. Tas ir plaši izmantots vairākās rūpniecības nozarēs. Pamatojoties uz dažādām darbības prasībām un mērķa komponentiem, tās pielietojumi šeit tiek ieviesti trīs galvenajās jomās: smagās tehnikas, naftas ķīmijas un enerģijas, kā arī precīzās ražošanas.

Lāzera cietināšanas mašīna|Lāzera cietināšanas iekārtas

Smagās tehnikas nozarē lāzera slāpēšana galvenokārt attiecas uz virsmas nostiprināšanu un lielu galveno komponentu lokālu remontu. Piemēram, tērauda velmēšanas iekārtu ruļļi, vadotnes un bīdes asmeņi, kā arī kalnrūpniecības iekārtu{1}}nodilumu pakļautās daļas bieži darbojas smagos apstākļos, kas saistīti ar lielu slodzi, augstu temperatūru un intensīvu nobrāzumu, - padarot tos ļoti jutīgus pret virsmas nogurumu. Lāzera rūdīšana nodrošina šo lielo apstrādājamo detaļu precīzu lokalizētu sacietēšanu, sasniedzot apstrādes dziļumu, kas pārsniedz 2 mm, kas būtiski uzlabo virsmas cietību un nodilumizturību, vienlaikus izvairoties no masveida deformācijas, ko parasti izraisa parastā lielapjoma termiskā apstrāde. Jau nolietotiem komponentiem lāzera dzēšanu var apvienot ar apšuvuma procesiem atjaunošanai un atjaunošanai, pagarinot kritisko detaļu kalpošanas laiku 2–3 reizes un ievērojami samazinot uzņēmuma uzturēšanas izmaksas un dīkstāves zudumus.

Naftas ķīmijas un enerģētikas nozarēs lāzera slāpēšana ir galvenā tehnoloģija, lai uzlabotu cauruļvadu un saistīto komponentu nodilumizturību un izturību pret koroziju. Tādas daļas kā naftas un gāzes pārvades cauruļvadi, urbšanas cauruļu vītnes, sūkņa cilindru uzlikas un vārstu blīvējuma virsmas tiek pakļautas ilgstošai vides erozijai, ķīmiskai korozijai un augsta spiediena cikliskām slodzēm. Ar tradicionālajām termiskās apstrādes metodēm ir grūti panākt vienmērīgu plānu -sienu vai sarežģītu -strukturētu komponentu stiprināšanu. Lāzera rūdīšana var veidot viendabīgus, smalkgraudainus rūdītus slāņus uz cauruļvadu iekšējām sienām, vītņu virsmām un vārstu blīvējuma virsmām -, ievērojami palielinot virsmas cietību (piemēram, vairāk nekā divas reizes pagarinot sūkņa cilindru starpliku kalpošanas laiku), vienlaikus saglabājot pamatmateriāla stingrību. Turklāt šis paņēmiens ļauj uz vietas-apstrādāt lokāli nolietotās zonas ekspluatācijas cauruļvados, neprasot to pilnībā nomainīt, tādējādi ievērojami nodrošinot naftas un gāzes transportēšanas drošību un ekonomisko efektivitāti.

Precīzās ražošanas nozarē lāzera rūdīšanas galvenā vērtība ir lokalizētu sacietēšanas problēmu risināšanā, kuras nevar atrisināt ar tradicionālajiem procesiem. Precīzām funkcijām, piemēram, mazu caurumu iekšējām sienām, dziļu rievu dibeniem, plānu -sienu detaļu malām un mikro-iedobumiem veidnēs, lāzera slāpēšana nodrošina optiskā stara piegādes elastību, lai precīzi novirzītu lāzeru šajos apgabalos tūlītējai uzsildīšanai un dzēšanai. Iegūtā siltuma -ietekmētā zona ir ārkārtīgi maza, un kropļojumus var kontrolēt 0,05 mm - robežās, tādējādi pārvarot indukcijas rūdīšanas (kas nevar sasniegt noteiktas ģeometrijas) un karburizācijas rūdīšanas (kas izraisa kopējo daļas deformāciju) ierobežojumus.

3. attēls. Lāzera slāpēšanas galvenās pielietojuma jomas

Lāzera slāpēšanā tiek izmantots lielas{0}}enerģijas lāzera stars, lai ātri skenētu metāla virsmas, uzreiz paaugstinot lokalizētus apgabalus virs fāzes transformācijas temperatūras. Ātra dzesēšana un sacietēšana tiek panākta ar siltuma vadīšanu pašā pamatmateriālā, ļaujot precīzi mainīt tikai virsmas slāni. Šis paņēmiens piedāvā precīzi vadāmu siltuma ievadi, iedarbojoties tikai uz noteiktām zonām, neradot vispārējus sagataves kropļojumus; tas rada viendabīgus, blīvus rūdītus slāņus, kas ievērojami uzlabo nodilumizturību un noguruma veiktspēju. Staru piegādes elastība ļauj piekļūt sarežģītām kontūrām un iekšējiem dobumiem. Turklāt process ir tīrs un neprasa ārēju dzesēšanas līdzekli. Turpmākajā attīstībā galvenā uzmanība tiks pievērsta inteliģentai-reāllaika procesa kontrolei, vairāku-lauku kompozītmateriālu apstrādei un progresīvām termiskās apstrādes lietojumprogrammām augstas precizitātes komponentiem{8}}augstākās klases ražošanas nozarēs, piemēram, aviācijā.