Технологии обработки волоконными лазерами — Электросберегающие технологии

Медвецкий В.М., к.т.н. Скрипченко А.И., ООО НТЦ «Электроресурс»Попов В.О, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»Появление новейших мощных лазерных источников волоконного типа актуализирует вопрос об эффективности их использования для лазерной закалки. Причем на данные источники нельзя непосредственно переносить результаты, получаемые и при использовании СО2-лазеров и при использовании YAG- излучателей. В первом случае мы имеем существенное отличие в длине волны (в десять раз), во-втором – сильно различающиеся пространственно-геометрические параметры светового пучка.Одна из самых актуальных задач в широком спектре процессов закалки – это закалка без плавления, актуальная, например, для закалки штамповой оснастки. Поскольку здесь недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах, то оптимизация процесса логически связана с созданием равномерных (и в пространстве и времени) пятен засветки. Для мощных YAG- лазеров из-за сложной структуры излучения эта задача решается непросто, а для закалки СО2-лазерами даже были разработаны специальные многоканальные лазеры, обеспечивающие равномерную экспозицию в пятне.Основным недостатком закалки классическими лазерами является чрезвычайно низкая энергетическая эффективность. Для СО2-лазера энергетический КПД не превосходит 10% от розетки, а коэффициент поглощения излучения металлами не превосходит нескольких процентов, так что полный КПД процесса закалки составляет доли процента. Для его повышения приходится использовать разные технологии нанесения поглощающих покрытий, что сильно усложняет процесс и вводит в него множество трудноконтролируемых факторов.Для YAG-лазера коэффициент поглощения может достигать 10-15%, но зато полный КПД самого лазера обычно составляет не более 2-3%.Тестирование проводили с использованием типичного волоконного лазера серии YLR (российское обозначение ЛС-07) с максимальной мощностью 750 Вт, длиной волны 1.07 мкм и транспортным волокном 50 мкм. Лазер использовался в режиме непрерывного излучения, для фокусировки использовалась вариосистема VF001W с переменным фокусным расстоянием c насадкой для сварки. Система настраивалась таким образом, что полный размер пятна на детали составлял 3,5 мм. Поверхность шлифованного металлического образца относительно лазерного пучка размещалась под углом 20 градусов, чтобы отраженное излучение гарантированно не попадало в технологическую головку. Экспериментальная аппаратура схематически изображена на Рис.1.Первые же тесты показали, что эффективность поглощения излучения чрезвычайно велика. Так, при мощности излучения 700 Вт и скорости 10-20 мм/с происходило интенсивное плавление поверхности с шириной дорожки до 3-4 мм. Для СО2-лазеров даже при мощности излучения 1500-2000 Вт на этой скорости плавления обычно не происходит даже при использовании поглощающих покрытий. Для получения обработки без плавления пришлось увеличивать скорость движения источника до 30..40 мм/с.Для получения данных о свойствах металла после обработки использовали шлифованные образцы стали 40Х в виде штапиков 10х10х80 мм. Для сравнения эти же образцы были обработаны пучком СО2-лазера при том же диаметре лазерного пучка на детали. На рис.2а показана сечение и микроструктура на стали 40Х при скорости 30 мм/с и мощности излучения 700 Вт и соответствующее распределение микротвердости. Примечательно, что структура закаленного слоя довольно однородна (микроструктура имеет вид мелкодисперсного мартенсита) и полностью отсутствует переходная зона, что иллюстрируется фотографией Рис.2б с увеличением 200Х. На Рис.2в для сравнения приведен микрошлиф зоны обработки при использовании СО2-лазера при мощности 1200 Вт и скорости всего 6 мм/с. Здесь отчетливо присутствует переходная зона – как на микроструктуре, так и на замерах микротвердости.Важно то, что общая эффективность процесса (как отношение производительности к затраченной лучевой мощности) существенно выше, чем для СО2-лазера. Если грубо оценить повышение эффективности перемножением факторов «глубина закалки»* «мощность излучения»* «скорость», то получим коэффициент, равный примерно 12. Это сложно объяснить исключительно более высоким коэффициентом поглощения излучения с длиной волны 1.07 мкм в сравнении с длиной волны 10.6 мкм, так как по экспериментальным данным [1] для холодного железа эта разница составляет величину 5..7. Возможное объяснение предлагается в работе [2], где исследуется довольно малоизученный феномен генерации поверхностных электромагнитных волн в металлах, распространяющихся вдоль поверхностного скин-слоя. Эти волны могут интерферировать с падающей волной и существенно изменять характер взаимодействия излучения с поверхностью. Тем не менее, это не более чем гипотеза, нуждающаяся в проверке – важна ли когерентность для таких процессов и можно ли заменить волоконный лазер просто волоконными источниками излучения. С учетом того, что КПД волоконных лазеров составляет 25%, что в 2.5..3 раза выше КПД серийных СО2-лазеров, общая энергетическая эффективность процесса закалки волоконными лазерами оказывается выше в 20-30 раз. Это позволяет позиционировать этот процесс как реально коммерчески конкурентный с известными видами закалки, например, ТВЧ. При этом с учетом доставки излучения по оптическому волокну и исключения нанесения поглощающих покрытий – это процесс чистый и полностью контролируемый.Отличные результаты предварительных тестов позволили без особых проблем перейти к закалке опытных партий деталей. Выполнялась закалка деталей специальных насосов, производимых на ОАО «Пролетарский завод». Материал деталей – сталь 40Х с покрытием «воронение». Поверхность обрабатывалась путем строчной раскладки валиков при диаметре светового пятна около 4 мм с шагом между валиками около 7 мм.На рис. 3 приведена фотография процесса обработки, а на рис. 4 – внешний вид обработанных деталей. Время обработки отдельной детали составило 1 мин 24 с, причем после выполнения оптимизации раскладки валиков (исключение потерь времени на отверстия и т.п.) время может быть сокращено до 42 с. Заводские испытания первой партии из 25 шт. показали стопроцентное качество закалки и глубину закалки 0.55 мм до значения 920..940 HV.Важно также отметить, что «воронение» на детали наносилось только для повышения эффективности обработки СО2-лазерами и по-видимому при обработке волоконными лазерами особо на эффективность процесса не влияет. Это значит, что можно просто исключить эту технологическую операцию, которая с точки зрения экологии «неидеальна».ВЫВОДЫ1. Тестирование процесса закалки металлов излучением волоконного лазера показало, что производительность процесса даже без использования поглощающих покрытий в 12 раз превосходит значения для СО2-лазеров.2. Общая энергетическая эффективность лазерноволоконной закалки в 20-30 раз выше и процесс вполне конкурентоспособен среди других методов упрочнения и закалки.3. Излучение волоконного лазера мощностью всего 700 Вт обеспечивает глубину закалки более 0.55 мм со скоростями порядка 30..40 мм/с.4. При закалке волоконными лазерами нет необходимости наносить поглощающие покрытия, это дополнительно снижает стоимость процесса и делает процесс экологически чистым.Литература1. Мотулевич Г. П. Оптические свойства металлов // «Успехи физических наук», 1955, т. 55, в. 4, с. 489; 2. Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны в оптике // Соросовский образовательный журнал, №11, 1996, с.103-110.Рисунки.   Рис.1. Схематическое изображение состава экспериментальной аппаратуры. 1- волоконный лазер ЛС-07, 2 – стойка управления комплексом, 3 – оптоволоконный кабель передачи излучения, 4 – портальный робот XYZ для перемещения лазерной головки в пространстве, 5 – вариосистема VF001, 6 – сопловая насадка, 7 – рама для установки образцов, 8 – обрабатываемый образец, Ar+He – плазмоподавляющая смесь, подается по оси лазерного пучка, Ar – аргон, подается в периферийное сопло для защиты от окисления.                                                            А) • 100 мкм 870 HV• 200 мкм 940 HV• 300 мкм 920 HV• 400 мкм 920 HV• 500 мкм 1000 HV • 600 мкм 390 HV• 700 мкм 400 HV• 800 мкм 420 HVМикротвердость HV при нагрузке 50 г , кг/мм2

 

Б)

 

В) • 100 мкм 870 HV• 200 мкм 890 HV• 300 мкм 900 HV• 400 мкм 460 HV• 500 мкм 360 HV • 600 мкм 620 HV• 700 мкм 400 HVМикротвердость HV при нагрузке 50 г , кг/мм2 Рис.2. Сравнительные результаты обработки лучом волоконного и СО2 лазера.А) волоконный лазер, мощность 700 Вт, скорость 30 мм/сБ) то же, увеличенная структура переходной зоныВ) СО2-лазер, мощность 1200 Вт, скорость 6 мм/с

 

Рис.3. Фотография процесса лазерной закалки

 

Рис.4. Внешний вид деталей после закалки.