Иванов В.П._Фруцкий В.А. Технолог процессы в машиностр. Оборудование и технология высокоэффективных процессов обработки материалов Новополоцк пгу 2009
 Скачать 3.56 Mb.
|
|
3.5.3. Технологические процессы К процессам, в которых используют энергию лазерного луча, отно- сят: сварку, резку, плавление и испарение материалов; нанесение покры- тий, локальную термическую обработку, легирование, контроль качества изделий и др. Эффективность лазерной обработки определяется коэффициентом поглощения лазерного излучения поверхностью деталей. Поглощающая способность обрабатываемой поверхности зависит от длины волны излу- чения, свойств и состояния поверхностей заготовок, условий лазерного на- грева и составляет 20…30 %. Одним из путей повышения коэффициента поглощения излучения является нанесение на поверхности заготовок по- глощающих покрытий. Значение этого коэффициента должно составлять 0,8…0,9 и при воздействии излучения не должно оказывать влияние на структуру и свойства материала заготовки. Наиболее часто применяют ок- сидирование и нанесение покрытий из вольфрама, оксида меди или в виде красок. В ремонтном производстве используют покрытия из сажи. Лазерным сфокусированным излучением можно нагревать материа- лы со сверхвысокими скоростями (до 10 4 …10 5 о С/с) в малых объемах. При этом за счет теплоотвода в основу материала обеспечиваются и скорости их охлаждения такого же порядка. Это дает возможность фиксировать крайне неравновесные состояния материала, при которых не успевают произойти фазовые и структурные превращения. Необходимый темпера- 149 турный режим нагрева материала определяется плотностью поглощаемого им теплового потока. При плотности потока до 10 7 …10 8 Вт/м 2 происходит нагрев материала без его плавления или испарения, при ее повышении до 10 10 …10 11 Вт/м 2 материал плавится, а при большей плотности теплового потока имеет место местное испарение поверхностного слоя материала. В зависимости от плотности те- плового потока и продолжительности воздействий организуют различные виды технологических процессов. Схема лазерной сварки газо- вым лазером приведена на рис. 3.13. Здесь сварку ведут в атмосферных условиях без создания вакуума, по- этому необходима защита расплав- ленного металла от воздуха. Обычно для защиты используют газы, в част- ности, аргон. Особенностью сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверх- ности свариваемого изделия проис- ходит интенсивное испарение метал- ла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию лу- ча лазера. Поэтому в зону сварки необходимо подавать кроме защитного также плазмоподавляющий газ. В качестве последнего используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Также при- меняют смеси 50 % Ar и 50 % Не, которые сдувают ионизирующий газ. Формирование сварного соединения при лазерной сварке аналогично электронно-лучевой сварке. Луч постепенно углубляется в металл, оттес- няя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это по- зволяет получать «кинжальное» проплавление при большой глубине и ма- лой ширине шва. Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволя- ет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благо- приятный сварочный цикл и высокую прочность металла шва. Лазерная закалка обладает рядом преимуществ по сравнению с за- калкой других видов: – при закалке без оплавления не изменяется шероховатость поверх- ности, поэтому такая закалка может быть финишной операцией; – имеет место разогрев только тонкого поверхностного слоя мате- риала, поэтому температура заготовки повышается незначительно, а тем- пературные деформации тонкостенных и крупных заготовок отсутствуют; Рис. 3.13. Схема лазерной сварки: 1 – луч лазера; 2 – отражающее зеркало; 3 – фокусирующее зеркало; 4 – заготовка; 5 – сегментная перегородка; 6 – защит- ный газ; 7 – плазмоподавляющий газ 150 – значительная экономия энергии; – возможность упрочнения заготовок сложной формы; – сверхвысокие скорости нагрева и охлаждения материала при воз- действии концентрированного лазерного излучения обеспечивают твер- дость поверхностного слоя до значений, не достижимых другими способа- ми термической обработки. Более широкое изменение физико-механических свойств поверхно- стного слоя материала заготовки происходит при лазерном легировании, которое позволяет получать слои с заданными свойствами. Его суть за- ключается в следующем. На поверхность заготовки наносят тонкое покры- тие из легирующих элементов, затем производят совместное проплавление лазерным лучом покрытия и основы. Легирующие покрытия наносят различными способами: напылени- ем, намазыванием эмульсий, закреплением фольги, электрохимическим осаждением, электроискровой обработкой. В результате совместного проплавления материала покрытия с осно- вой образуется поверхностный слой нового химического состава. Однако трудности с выделением избыточных фаз по причине быстрого охлажде- ния с высокой скоростью могут привести к возникновению больших оста- точных напряжений в слое и появлению в нем трещин. Толщина слоя зави- сит от мощности излучения и составляет 0,1…1,5 мм. Обработка диффузионных покрытий. Диффузионное насыщение эле- ментами, которые образуют в металлах и сплавах высокотвердые химиче- ские соединения (бориды, карбиды, нитриды), обеспечивает получение из- носостойких слоев детали. Однако они имеют малую толщину (до 100 мкм) и высокую хрупкость, для устранения которых необходима последующая лазерная обработка. Широко применяют лазерную наплавку, в частности, газопорошко- вую. Газопорошковая лазерная наплавка происходит при подаче порошко- вого материала из бункера с помощью инжекторного устройства непосред- ственно в зону воздействия лазерного луча. На размеры и форму наплав- ленных валиков влияют энергетические параметры процесса, а также мас- совый расход порошка, расстояние между питателем и заготовкой, узел наклона оси питателя к лазерному лучу. Лазерное плакирование – оплавление предварительно нанесенных покрытий. Способ заключается в расплавлении концентрированным лучом предварительно нанесенного на поверхность заготовки материала, который после быстрого охлаждения образует покрытие. 151 3.5.4. Примеры применения лазерной обработки На зарубежных и отечественных предприятиях различных отраслей применяют лазерное упрочнение ряда деталей автомобилей и другой тех- ники (табл. 3.11). Таблица 3.11 Быстроизнашивающиеся детали автомобиля, которые проходят лазерное упрочнение Наименование детали Материал Глубина уп- рочнения, мм Твердость, НRC Мощность лазера, кВт Гильза цилин- дра Серый чугун 0,25…0,35 60 5,0 Седло и втулка клапана Высокохромистый чугун 0,25 60 0,4 Зубчатые коле- са Сталь 0,4…0,7 57…60 10,0 Кулачки рас- пределитель- ного вала Высокопрочный чугун 1,25 60 6,0 Канавки порш- ней Сталь 0,20…0,35 60…64 0,5 Вопросы для самоконтроля 1. В чем заключается сущность лазерной обработки? 2. Чем отличается лазер- ный луч от светового? 3. Приведите примеры использования лазерной обработки. 4. Чем объясняется значительное повышение твердости поверхности стальных загото- вок при лазерной закалке? Лабораторная работа № 3 ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА Цель работы: изучить оборудование и технологию обработки мате- риалов оптическими квантовыми генераторами. Для придания деталям необходимых технологических свойств широ- ко используется поверхностная термообработка. Ее сущность заключается в упрочнении только поверхностного слоя детали. Сердцевина при этом не испытывает фазовых превращений. Поверхностную закалку проводят либо нагревом только поверхностного слоя и последующей закалкой, либо на- гревом всей детали и охлаждением только поверхностного слоя со скоро- стью, превышающей критическую. Преимущества поверхностной термообработки заключаются в меньшей энергоемкости, меньших остаточных напряжениях, наличии сжимающих напряжений в поверхностном слое, высоком сопротивлении действию циклических нагрузок из-за наличия вязкой сердцевины. Технология лазерной закалки имеет ряд особенностей. В первую очередь эффективность лазерной термообработки зависит от коэффициен- 152 та поглощения поверхностью упрочняемой детали лазерного излучения. Для того чтобы повысить КПД лазерного излучения, а также в целях безо- пасности на поверхность детали наносят специальные технологические по- крытия (сажу, тушь, гуашь, фосфаты, оксиды металлов). Способы формиро- вания упрочненных зон могут быть различными: пятнами, полосами и др. Лазерная установка, предназначенная для поверхностного упрочнения металла, содержит в качестве основных элементов лазер с блоком питания, оптическую систему для транспортировки и фокусирования лазерного лу- ча, систему позиционирования обрабатываемой детали, систему управле- ния и контроля параметров обработки. Применяют электроразрядные СО 2 - лазеры и твердотельные Nd-лазеры. Электроразрядные СО 2 -лазеры имеют большую длину волны излуче- ния (10,6 мкм), электроразрядные возбуждения, прокачку газовой смеси (СО 2 , N 2 , He) по замкнутому контуру. Используются для непрерывной об- работки. Мощность 1…25 кВт. Твердотельные Nd-лазеры работают от ак- тивного элемента в виде стержня или пластины. Могут работать в преры- вистом и непрерывном режимах. Мощность до 3 кВт. Длина волны менее 10,6 мкм обеспечивает более высокое поглощение излучения металлом. Можно использовать транспортирование луча по световолокнам. Материалы и оборудование: установка лазерной термообработки на базе непрерывного CO 2 лазера «Кипр-1», установка лазерной импульсной термообработки на базе импульсного неодимового лазера «Квант-16», мик- ротвердомер ПМТ-3, микроскоп измерительный МПБ-2, образцы для про- ведения испытаний из углеродистой стали. Ход работы: – ознакомиться с устройством и порядком работы на установках «Кипр-1» и «Квант-16»; – подготовить образцы для проведения исследований (нанести на по- верхность образцов, предназначенных для лазерного термоупрочнения, технологическое покрытие); – произвести обработку образцов непрерывным и импульсным ре- жимом лазерного излучения; – измерить глубину обработанного слоя при помощи микроскопа МПБ-2; – измерить микротвердость закаленного слоя на приборе ПМТ-3 со- гласно ГОСТ 9450; – свести полученные данные в таблицу и сделать выводы по работе. Содержание отчета: цель работы, краткие теоретические сведения, оборудование и материалы, зависимости и результаты расчетов, порядок проведения испытаний, итоговая таблица (табл. 3.12), выводы по работе. 153 Таблица 3.12 Пример оформления результатов работы Марка установки Глубина модифицированного слоя, мм Микротвер- дость, МПа Особенности структуры Лазер «Кипр-1» Лазер «Квант-16» 3.6. Плазменная обработка Считается, что толчком к разработке плазменных технологий послужило откры- тие Р. Гейджем в 1950 г. эффекта сжатия электрической дуги водоохлаждаемым ано- дом. 3.6.1. Общие сведения о плазменной обработке Плазменная струя представляет собой движущийся газ, в котором значительная часть атомов ионизирована, а концентрация электронов и от- рицательных ионов равна концентрации положительных ионов. Плазменную струю получают перемещением газа через электриче- скую дугу и сжатием этой струи. Струю сжимают водоохлаждаемым со- плом или магнитным полем. При этом резко возрастает температура среды и значительно повышается напряжение дуги. Молекулы плазмообразующего газа при нагреве диссоциируют (рас- падаются на атомы), а атомы ионизируются (теряют электроны). Такой процесс (табл. 3.13) требует затрат энергии. При последующем охлажде- нии газа наблюдается обратный процесс рекомбинации молекул с выделе- нием энергии, равной энергии их диссоциации и ионизации атомов. Сово- купность этих процессов принципиально отличает плазменный нагрев от других видов нагрева. В качестве плазмообразующих газов применяют ар- гон, азот, аммиак, водород и гелий. Двухатомарные газы (например, азот) обладают большей энтальпией, чем одноатомарные (например, аргон) при одинаковой температуре. Таблица 3.13 Энергия диссоциации молекул и ионизации атомов различных газов Энергия ионизации атома, эВ *) Элемент Энергия диссоциации молекулы, эВ I II Аргон – 15,755 27,620 Водород 4,777 13,595 – Гелий – 24,580 54,400 Азот 9,760 14,54 29,605 *) В столбце I приведены значения энергии, необходимой для отрыва одного электро- на, в столбце II – то же для отрыва двух электронов Плазменную струю относят к мощным тепловым источникам, кото- рые обеспечивают интенсивность ввода тепла, превосходящую скорость 154 отвода тепла. Плотность энергии в плазменной струе в среднем в 10...50 раз больше, чем в электрической дуге. При такой плотности энергии ско- рость ввода тепла в заготовку превышает скорость теплопередачи в ее мас- су, поэтому поверхность заготовки быстро расплавляется. Высокая ионизация плазмы обусловливает высокую температуру среды, которая составляет 12…20 тыс. о С. Плазма обладает высокой элек- тропроводностью и перемещается со скоростью, превышающей скорость звука. Схема плазменного генератора, применяемого для наплавки метал- лов, приведена на рис. 3.14. Между вольфрамовым катодом и заготовкой возникает дуга, через которую продувают плазмообразующий газ (напри- мер, азот или аргон). Напряжение может быть приложено и к медному ох- лаждаемому водой аноду. Струя сжимается стенками анода и струями движущегося газа, что приводит к образованию плазмы. Рис. 3.14. Схема плазменного генератора: 1 – электрод-катод; 2 – сопло; 3 – про- волочный или прутковый материал; 4 – восстанавливаемая деталь; 5 – сопротивление; v г – скорость подачи газа; v п – скорость подачи материала Плазменный источник тепла применяют для сварки, наплавки, резки, пайки и термообработки как металлических, так и неметаллических (стек- ла, керамики и др.) материалов. Применение плазменного нагрева в раз- 155 личных процессах обусловлено использованием большой мощности дуги при небольшом количестве подаваемого материала или без него, например, в случае плазменного упрочнения – закалки. Распределение удельного теплового потока q(r) по радиусу нагре- ваемой поверхности определяют по формуле q(r) = q max ·exp(-kr 2 ), Дж/см 2 ·с, (3.15) где q max – наибольший удельный тепловой поток в центре пятна нагрева, Дж/см 2 ·с; k – коэффициент сосредоточенности удельного потока тепла, см –2 ; r – расстояние от оси источника, см. Плазменная наплавка – это процесс нанесения покрытий плазменной струей, при котором заготовка включена в цепь нагрузки. Различают наплавку по винтовой линии с непрерывной подачей плазмотрона и широкослойную наплавку с его гармоническими колеба- ниями вдоль оси вращающейся заготовки. Для нанесения покрытий тол- щиной более 4 мм применяют многослойную наплавку. При плазменной наплавке, в отличие от аргонодуговой, электриче- ская дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы – становится ионизирован- ным и электропроводным. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла. В качестве плазмообразующего газа чаще применяют аргон. Наплав- ка с заменой аргона воздухом (до 90 %) значительно сокращает стоимость восстановления деталей. Для плазменной наплавки в воздушной среде раз- работаны порошковые сплавы на железной основе, в состав которых вхо- дят сильные раскислители и нитридообразующие элементы. Процесс протекает с малым проплавлением заготовки. При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,2…6,5 мм и шириной 1…45 мм. Если наносят легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления по- верхности. Термический КПД наплавки в 2...3 раза выше, чем при электродуго- вом процессе. Производительность процесса составляет 0,4…5,5 кг/ч. Производительность плазменно-порошковой наплавки аустенитных корро- зионно-стойких сталей не уступает производительности электродуговой наплавки этих материалов. 156 Источники питания постоянного тока для плазменной наплавки имеют напряжение холостого хода не менее 120 В, силу тока до 600 А и круто падающую внешнюю характеристику. Для плазменной наплавки применяют установки УД-417 (ИЭС им. Е.О. Патона), УПН-303 (завод «Электрик»), УПН-602 и др. Можно применять установки плазменной сварки УПС-301, УПС-403, УПС-804, а также установки для плазменного напыления УМП-5, УМП-6, УПУ-3, УПУ-5 после изменения электрической схемы и замены плаз- мотрона. Для плазменно-порошковой наплавки валов диаметром до 50 мм ВНИИТУ- ВИД «Ремдеталь» и ИЭС им. Е.О. Патона совместно разработали установку УД-609.09 с источником питания ВДУ-506. 3.6.2. Материалы Для плазменной наплавки применяют различные материалы: железо- углеродистые высоколегированные сплавы, калмонои, стеллиты, инстру- ментальные (в т.ч. быстрорежущие) стали. Применяют прутки, проволоки, порошки и комбинации материалов. Широко применяют порошки самофлюсующихся сплавов на основе никеля (ПР-Н73Х16С3Р3 или ПР-Н70Х17С4Р4). Порошковый материал ПР-Х4ГСР (ПР-Х4Г2Р4С2ФЮД) обеспечивает твердость покрытия 58…60 HRC. Оптимальный размер частиц порошка составляет 60…100 мкм. Для плазменной наплавки перспективно применение смесей порошков. Используют смеси порошков железа, быстрорежущего сплава и коррозионно- стойкой стали: ПЖВ-1 (60…75 %), ПР-М6Ф3 (15…30 %) и ПР-Х18Н9 (10 %). Химиче- ский состав составляющих порошков следующий: ПЖВ-1 (Fe – основа, C – 0,02%, Si – 0,08 %, Mn – 0,10 %, S – 0,015 %, P – 0,015 %, O – 0,15 %); ПР-М6Ф3 (Fe – основа, C – 1,15 %, Cr – 4,2 %, Mo – 6,2 %, V – 2,5 %); ПР-Х18Н9 (Fe – основа, C – 0,2 %, Cr – 18 %, Ni – 9,5 %, Si – 0,8 % макс.). Добавка в приведенную смесь 10 % коррозионно-стойкой стали ПР-Х18Н9 даже при малом содержании углерода обеспечивает мартенситную структуру сплава. Применение порошков позволяет: изменять в широких пределах толщину покрытия (0,1…7 мм), скорость (0,5…25 м/мин) и производи- тельность наплавки (0,6…15 кг/ч), ширину шва (1…45 мм) и состав покры- тия за счет выбора применяемых материалов и режимов их нанесения; регу- лировать глубину проплавления материала детали независимо от подачи ма- териала. Чтобы увеличить термический КПД наплавки и снизить вложение тепла в заготовку, наплавку ведут с малой подачей и большой скоростью. При этом частицы расплавляются в плазменной струе, перемещаются близко к ее оси и попадают на поверхность заготовки в жидком состоянии. Тепловую мощность плазменно-порошковой наплавки регулируют независимо от расхода подаваемого порошка. Температура наплавляемой поверхности заготовки изменяется под действием тепла предварительного подогрева, тепла от предыдущих валиков и тепла от валика, наносимого в 157 рассматриваемый момент времени. Спустя некоторое время количество подводимого тепла становится равным количеству отводимого тепла, что приводит к достижению материалом заготовки теплового насыщения. К повышению термического КПД наплавки и исключению перегрева заго- товки приводит предварительный нагрев заготовки и ограничение пример- но на 40 % мощности плазмотрона непосредственно в процессе наплавки. |