Виды поверхностной лазерной обработки

В зависимости от степени развития указанных явлений в материале различают несколько видов поверхностной лазерной обработки (табл. 2.1), возможность реализации которых определяется основном уровнем плотности мощности излучения.

Упрочнение без фазового перехода предполагает структурные изменения в материале при уровне плотности мощности излучения, не приводящем к расплавлению облучённой зоны. При этом виде обработки сохраняется исходная шероховатость обрабатывающей поверхности. Быстрый локальный нагрев поверхности и последующее охлаждение за счёт теплоотвода в массив материала приводят к образованию в поверхностном слое стали специфической высоко-дисперсной, слаботравящейся, дезориентированной в пространстве структуры, имеющей микротвёрдости, в 2-4 раза превышающую микротвёрдость основы (матрицы). При малых плотностях мощности, скоростях нагрева и охлаждения, не превышающих критических значений, может быть реализован режим отжига (отпуска) ранее закалённых материалов. Необходимость такой операции возникает, например, при изготовлении листовых пружин, отбортовке краёв обоймы подшипника и т. п. Упрочнение с фазовым переходом предполагает плавление материала в облучённой зоне. Этот вид упрочнения требует более высокой плотности мощности излучения, что позволяет добиться значительных глубин упрочнённого слоя. Поверхность этого слоя имеет характерное для закалки из жидкого состоянии дендритное строение. Затем идёт ЗТВ, а между ней и материалом основы расположена переходная зона. При данном виде поверхностной обработки, естественно, нарушается исходная шероховатость, что требует введения в технологический процесс изготовления изделия дополнительной финишной операции (шлифования).

При реализации рассмотренных видов обработки не требуется специальной среды, процесс проводится на воздухе. При этом возможна частичная диффузия составляющих воздуха в облучённую зону.

При следующем виде поверхностной обработки - лазерном легировании для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твёрдая). В результате на обрабатываемой поверхности образуется новый сплав, отличный по составу и структуре от матричного материала.

Виды поверхностной лазерной обработки Таблица 2.1

Вид обработки плотность мощности 1 см 2   скорость охлаждения С   глубина ЗТВ, мм
1 2 3 4
Упрочнение без фазового перехода 103-104 104-105 0,2-0,5
Лазерный отжиг (отпуск) 102-103 - 0.05-0,1

Продолжение таблицы 2.1



1 2 3 4
упрочнение с фазовым переходом 104-105 105-106 1,2- З.0
лазерное легирование 104-106 104-106 0,2-2,0
Лазерная наплавка (напыление) 104-106 104-106 0,02-3,0
Амортизация поверхности 106-108 104106 0,01-0,05
шоковое упрочнение 104-106   104-106 0,02-0,2

Лазерная наплавка (напыление) позволяет нанести па поверхность обрабатываемого материала слой другого материала, улучшающий эксплуатационные характеристики основного.

Новая разновидность лазерного упрочнения - аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного облучения (очень коротким импульсом или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование металлических стёкол (метгласса) или аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая твёрдость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной аморфизации можно осуществить при обработке сплавов специальных составов (в том числе и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых специальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным материалом склонны к аморфизации.

Шоковое упрочнение имеет место при воздействии на материал мощного импульса излучения наносекундной длительности. Предварительно на материал наносится тонкий слой легкоплавкого металла. Воздействие мощного импульса вызывает взрывообразное испарение легкоплавкого металла, что приводит к возникновению импульса отдачи, в свою очередь генерирующего мощную ударную волну в материале. В результате происходит пластическое деформирование материала, а при нагреве поверхностного слоя -- и соответствующие изменения в структуре. Первые четыре вида поверхностной лазерной обработки к настоящему времени получили наибольшее распространение. Для практической реализации аморфизации и шокового упрочнения требуются дополнительные исследования. Все эти виды обработки можно осуществить с помощью как импульсного, так и непрерывного излучения, причём упрочнение без фазового перехода более пригодно для прецизионной обработки поверхностей сравнительно небольших размеров, производительность процесса ограничивается сравнительно невысокой частотой следования импульсов выпускаемого оборудования. Непрерывное излучение позволяет производить обработку с высокой производительностью поверхностей больших размеров.