Лазерное упрочнение

Лазерный луч - монохроматический (имеющий одну длину волны) и когерентный (однонаправленный) поток квантов энер­гии. Благодаря когерентности лазерный луч может быть сфоку­сирован практически в точку, а точнее в пятно диаметром, рав­ным длине световой волны.

Если воздействие светового потока прекращается, то про­исходит мгновенное охлаждение разогретого слоя за счет теп­лоотдачи во внутренние холодные слои металла.

Температура нагрева поддерживается в пределах от темпе­ратуры фазового превращения до температуры плавления.

Температура фазового превращения - температура, при которой происходит разрушение кристаллической решетки, но металл еще не расплавлен. При охлаждении, за счет быстроты протекания этого процесса, молекулы не успевают выстроиться обратно в кристаллическую решетку. Поверхностный слой металла, подверженный воздействию лазерного луча, остается в неупорядоченном, аморфном состоянии и приобретает высокие показатели твердости, прочности и износостойкости. Благодаря тому, что температура металла при обработке не превышает точки плавления, поверхность обрабатываемой детали не де­формируется и не требует последующей механической обработ­ки.

1 - колба, 2 - электроды на напряжение 25-30 кВ; 3 -регу­лировка: 4 - крышка с зеркалом с золоченой поверхностью с коэффициентом отражения 0,98

Устройство лазерной трубки показано на рисунке.

Молекулы газа поглощают кванты энергии, и электроны в атомах переходят на наиболее высокий энергетический уровень, происходит «накачка» лазера. Затем какой-то из электронов случайно или под действием какого-либо фактора возвращается на естественную орбиту, и атом излучает квант энергии. Этот квант воздействует на соседний атом и переводит электрон на естественную орбиту и т.д. Лавинообразно возрастает поток из­лучаемых квантов энергии, причем, если переход электрона осуществляется между одними и теми же орбитами, разность энергии - это постоянная величина, то согласно (h -постоянная Планка, - частота излучения) излучаемый поток имеет одну и ту же частоту колебаний, т.е. световой поток явля­ется монохроматическим. Фотоны попадают на зеркальную по­верхность, отражаются, а за счет юстировки (точной установки) после отражения фотон направляется строго параллельно оси, т.е. на выходе получаем когерентный лазерный луч.

В процессе работы углекислый газ разлагается: 2СО₂ <=> 2СО + О₂ , поэтому необходима его смена, т.е. прокачка. Обычно лазерный излучатель собирается из целого пучка лазерных трубок для увеличения площади обрабатываемой по­верхности. Лазерная установка для упрочнения метал­лических деталей состоит из лазерной пушки 1, которая излуча­ет когерентный поток лучистой энергии, при помощи системы наводящих зеркал 2 этот поток может быть направлен так, что лазерный луч может быть транспортирован на большие рас­стояния.

Внутри рабочей головки 3 есть фокусирующая система из набора линз 4, выполненных из материала, прозрачного для ла­зерного луча; 6 - рабочий стол, позволяющий передвигать об­рабатываемую деталь 5. Линзы выполнены из кристалла пова­ренной соли, но она гигроскопична, поглощает влагу из воздуха и со временем оптика теряет прозрачность и регулярно меняет­ся. В рабочую головку подается инертный газ (аргон, гелий, криптон, азот), охлаждающий систему и создающий инертную среду, предотвращая окисление раскаленной поверхности ки­слородом воздуха.

Существуют два способа сканирования луча по обрабаты­ваемой поверхности:

• обрабатываемая деталь неподвижна, луч перемеща­ется по поверхности при помощи системы поворотных

зеркал;

• луч неподвижен, деталь перемещается относительно луча при помощи передвижения рабочего стола.

Способ 1 более универсален, позволяет полностью автома­тизировать процесс, но требует дорогих автоматических уст­ройств.

Способ 2 более прост, но из-за инерционности снижается точность обработки массивных деталей.

Металлические поверхности перед обработкой очищаются до металлического блеска, приобретая зеркальный эффект. Для увеличения коэффициента поглощения энергии металлическая поверхность перед лазерным облучением покрывается специ­альной пастой на основе графита или подвергается травлению.

Основные достоинства лазерной технологии:

а) высокие показатели износостойкости после обработки (увеличение до 10 раз). В депо Москва - Октябрьская обраба­тываются бандажи колесных пар, при этом ресурс до обточки увеличивается в 2 раза;

б) очень высокая степень воспроизводимости благодаря очень высокой степени дозировки потока энергии;

в) высокая технологическая гибкость. Этот метод по­зволяет производить точечную закалку, закалку по контуру, закалку труднодоступных поверхностей.

Недостатки:

а) высокая стоимость лазерной установки;

б) большие эксплуатационные расходы на замену зеркал, оптической системы, приобретение рабочих газов;

в) необходимость предварительного покрытий обраба­тываемых поверхностей светопоглощающими материалами.

Все недостатки компенсируются достоинствами и тем, что лазерная технология повышает культуру производства.