Основные параметры лазерной закалки непрерывными лазерами и характеристики упрочненной поверхности
Лазерная закалка непрерывными лазерами имеет ряд особенностей по сравнению с импульсной. Во-первых, нет ограничений по длительности лазерного воздействия. Это позволяет увеличить производительность процесса и геометрические размеры упрочненных зон, а также в более широком интервале изменять структуру и свойства ЗЛВ, в частности, полнее осуществлять процесс гомогенизации аустенита при нагреве стали. Во-вторых, по длине упрочненных полос нет зон многократного нагрева, а следовательно, имеется возможность увеличения равномерности свойств по поверхности.
Основные параметры лазерной закалки непрерывными лазерами—это мощность излучения Р и диаметр пятна dn, которые, как и при импульсной обработке, определяют плотность мощности. Кроме того, добавляется еще и скорость перемещения детали v относительно луча, которая определяет длительность лазерного воздействия.
Зона упрочнения на поверхности детали имеет форму полосы, а сечение, перпендикулярное движению, — такую же форму сегмента, как и при импульсной обработке. Характеристики упрочненной поверхности те же, что и при импульсной закалке.
Решение тепловых задач показало, что глубина ЗЛВ зависит от скорости обработки следующим образом h ~ 1/ . Как и при импульсной закалке, увеличение диаметра пятна dn при постоянных значениях Р и v приводит к уменьшению глубины ЗЛВ и к увеличению ее ширины до некоторого предела, после которого ширина ЗЛВ может уменьшаться.
В настоящее время имеется достаточно много аналитических и экспериментальных зависимостей, связывающих глубину упрочнения с отдельными параметрами и со всеми сразу: например, h ~ P/ и др. Для ряда случаев построены операционные карты, позволяющие выбирать необходимые интервалы режимов. Одна из таких карт (для стали с 0,36% углерода) приведена на рис. 51. По такой карте можно легко выбрать скорость и мощность для получения заданной глубины ЗЛВ при постоянном диаметре пятна.
| Согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам максимальная глубина упрочненного без оплавления слоя на сталях не превышает 2,5-3 мм, а на чугунах 2-2,5 мм. При обработке с оплавлением эти значения могут быть увеличены. Микротвердость поверхностного слоя зависит от режимов обработки и от химического состава сплава. | |
| Рис. 51. Операционная карта выбора режимов лазерной обработки стали с содержанием углерода 0,36% при dn = 5,8 мм (по Стину) |
При обработке с оплавлением среднеуглеродистой стали и ряда сплавов микротвердость увеличивается с увеличением скорости обработки. Увеличение микротвердости при этом связано с увеличением скорости охлаждения.
С увеличением содержания углерода или легирующих элементов в стали микротвердость при увеличении скорости обработки увеличивается не так заметно, поскольку при этом может возрастать количество остаточного аустенита. При обработке без оплавления микротвердость может уменьшаться из-за незавершенности процессов гомогенизации. Эти процессы были ранее детально рассмотрены.
Параметры шероховатости поверхности при обработке с оплавлением имеют сложную зависимость от режимов. При большом объеме расплавленного металла (обработка с большой мощностью) с уменьшением скорости обработки высота микронеровностей и максимальная высота наплывов уменьшается за счет увеличения растекаемости расплава и смачиваемости поверхности. При малом объеме расплавленного металла (обработка с малой мощностью) с увеличением скорости обработки высота наплывов увеличивается. При переходе на режим лазерной закалки без оплавления параметры шероховатости поверхности практически соответствуют исходным.
Перспективным направлением для уменьшения шероховатости при лазерной закалке с оплавлением может быть разработка процесса с использованием добавок, уменьшающих поверхностное натяжение расплава и увеличивающих смачиваемость поверхности.