Установки с концентрированным источником энергии

 

Особую группу нагревательных установок представляют устройства с концентрированным источником энергии, большой тепловой удельной мощностью и локальным методом воздействия на поверхность обрабатываемых изделий

К ним относятся лазерные и электронно-лучевые установки, которые позволяют осуществлять скоростной нагрев очень тонкого поверхностного слоя изделия, вплоть до его расплавления. Особым преимуществом этих установок является возможность насыщения нагреваемого до расплавления участка изделия практически любым легирующим элементом.

 

Лазерные установки

 

В последние годы в машиностроении наряду с обычными методами повышения поверхностной прочности изделий применяют термическую обработку деталей и инструмента с использованием оптических квантовых генераторов лазеров.

Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим высоко концентрированным источникам, а также и свои особенности и преимущества:

1) Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия. В результате получаются уникальные структуры к свойства обработанной поверхности.

2) Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной обработки с получением необходимых структур поверхностных слоев и их свойств.

3) Возможность обработки на воздухе, легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов ври обработке к т. п. определяют высокую технологичность лазерного луча.

4) Применение лазерного нагрева обеспечивает также существенные технико-экономические преимущества, в основном за счет повышения износостойкости в отдельных зонах деталей при отсутствии деформации при обработке:

— труднодоступных (для обычных методов нагрева) участков деталей (внутренних поясков, посадочных гнезд подшипников и др.);

— поверхностей особо сложной конфигурации, коробление которых должно быть сведено до минимума (плунжерная пара палец-втулка топливного насоса дизельного двигателя),

— строго заданного профиля закаленного слоя в тех случаях, когда нагрев обрабатываемой зоны обычными методами затруднен, а также при малой поверхности обрабатываемой зоны по сравнению с поверхностью изделия (закалка поверхности шарового пальца),

— отдельных участков предварительно термически упрочненных деталей и инструмента с целью дополнительного повышения износостойкости и теяло-

стойкости (рабочие кромки штампового и режущего инструмента, рабочие поверхности мерительного инструмента).

Лазерный луч образуется в результате высвобождения энергии системы возбужденных атомов при индуцированном излучении под воздействием внешнего электромагнитного поля. Оптическим резонатором является система двух плоских строго параллельных друг другу зеркал. При накачке между зеркалами активной среды количество атомов на верхнем энергетическом уровне превышает их количество на нижнем. Когда хотя бы один возбуждённый атом спонтанно излучает фотон в направлении, параллельном оптической оси, начинается лавинный процесс излучения. Многократно отражаясь от зеркал резонатора, фотоны распространяются через активную среду и интенсифицируют развитие процесса. Если на верхнем уровне активной среды возбуждение атомов превышает некоторую пороговую величину, процесс интенсивно нарастает. Световые волны, параллельные оси резонатора, усиливаются и выводятся через полупрозрачное зеркало в виде узкого пучка когерентного света. Монохроматичность излучения определяется резонансными свойствами атомов. Фаза, частота, поляризация и направление распространения луча совпадают с характеристиками волны внешнего электромагнитного поля накачки.

Лазерная обработка материалов основана на возможности лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока (до l0¹²…10²⁰ Вт/см²), необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.

При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов лазерное излучение частично отражается от нее, а остальной поток излучения проникает на незначительную глубину. Эта энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в приповерхностном слое толщиной 10^-5...10^{-7 м, вследствие чего резко повышается электронная температура Т}_е тогда как температура кристаллической решетки Т _i остается незначительной.

С течением времени возрастает интенсивность передачи энергии свободных электронов кристаллической решетки. Начиная со времени релаксации τ_р = 10^-9 ... 10^-11 с разность температур Т_е- Т _i становится минимальной и тепловые процессы в металле можно охарактеризовать общей температурой Т₀. Последующий нагрев металла осуществляется по тем же физическим закономерностям, которые присуши традиционным способам теплового воздействия на металлы, то есть теплопроводностью вглубь от нагретого слоя.

Для расчета тепловых процессов при лазерной обработке необходимо учитывать специфику теплового источника на основе особенностей взаимодействия лазерного излучения с поверхностью обрабатываемого металла, то есть интенсивность отражения и эффективность поглощения лазерного излучения.

Решающим фактором, определяющим эффективность поглощения лазерного излучения, является состояние поверхности. В целом энергетическая эффективность процессов лазерной обработки значительно повышается с увеличением

шероховатости поверхности и изменением ее химического состава (ростом оксидной плёнки). На практике не всегда оправдана технологическая операция увеличения шероховатости поверхности с целью повышения эффективности лазерной обработки. При поверхностной обработке более целесообразно нанесение покрытий для увеличения эффективности поглощения лазерного излучения, в особенности при обработке гладких шлифованных поверхностей.

При выборе покрытия следует руководствоваться рядом условий, среди которых основным является высокая поглощательная способность. Покрытие должно быть простым в изготовлении, легко наноситься на поверхность, обладать высокой адгезионной способностью и не быть токсичным. Кроме того, покрытие должно обладать достаточно высокой температурой плавления и испарения, а также высокой теплопроводностью для обеспечения подвода энергии к обрабатываемому изделию.

В настоящее время наиболее часто применяются следующие типы покрытий: химические покрытия (воронение, анодирование, фосфатирование), углеродистые (сажа), лакокрасочные (водоэмульсионные краски, гуаши, туши, грунтовки), водорастворимые краски, разработанные специально для лазерной термообработки и содержащие силикат натрия, оксид цинка и поверхностно-активные вещества.

Из разнообразных типов оптических квантовых генераторов для обработки материалов в основном используются твердотельные и газовые лазеры, первые отечественные образцы которых были выпущены в 1964 г.

В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом активном элементе, в качестве которого используются стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с примесью редкоземельного элемента неодима (Ст-Nd) или иттрий-алюминиевого граната с добавкой неодима (ИАГ-Nd).

Твердотельные лазеры с активным элементом в виде рубинового стержня обычно работают в импульсно-периодическом режиме излучения с длительностью импульсов τ=10^-3...10^-9 с на длине волны λ= 0,69 мкм. Энергия излучения в импульсе составляет Е = 10^-1...10³ Дж при максимальной частоте повторения импульса F_u ≈ 10 Гц. Твердотельные лазеры с использованием неодима генерируют излучение на длине волны λ = 1,06 мкм, но отличаются высокими (до 10⁷ Вт) значениями мощности излучения в импульсе при импульсно-периодическом режиме генерации. Частотный режим работы современных твердотельных неодимовых лазеров изменяется в пределах 0,05...50,0 кГц, сохраняя среднюю мощность 20...50 Вт при весьма высоком для твердотельных лазеров электрооптическом КПД, равном 4...7%. При низких частотах (0,1..1,0 Гц) эти лазеры способны генерировать энергию в десятки джоулей в импульсе при длительности импульса порядка 100 мкс. Использование импульсного излучения для поверхностной термической обработки позволяет упрочнять слой на глубину 40 мкм.

Отличительной особенностью твердотельных лазеров на иттрий-алюминиевом гранате является возможность генерации излучения не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме.

Упрощенная схема твердотельного лазера на рубине приведена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема твердотельного лазера

 

В этой установке электроны атомов хрома, содержащихся в качестве активной примеси в твердотельной матрице, под действием света спиральной импульсной лампы подкачки 2 возбуждаются и достигают более высоких энергетических уровней. Затем атомы отдают часть своей энергии, в результате чего электроны переходят на промежуточный метастабильный уровень, излучают фотоны света характерной длины волны и возвращаются в невозбуждённое состояние. Рубиновый стержень 1 с посеребренными и отполированными строго параллельными торцами служит оптическим резонатором, а торцы играют роль параллельных зеркал. Индуцированное излучение, много раз проходя через активную среду, значительно усиливается Луч из лазерной головки поступает в оптическую систему и фокусируется линзами на поверхности обрабатываемой детали.

Импульсные лампы накачки питается за счет энергии, получаемой от источников тока высокого напряжения через специальные накопители 3. Разряд на лампу производится высоковольтным импульсом от электрода поджигающего устройства. Длительность поджигающего импульса не должна превышать 100... 150 мкс. Электрическая энергия, запасенная емкостным накопителем 3, преобразуется в световую энергию, излучаемую импульсной лампой.

В промышленности наиболее освоены технологические лазерные установки на базе твердотельных оптических квантовых генераторов типа «Квант», используемые для термоупрочнения поверхностей металлов на глубину до 0,1 мм.

В состав технологической установки «Квант-16» (рис. 5.14) входит специальный двухкоординатный рабочий стол 6 с числовым программным управлением. Программа перемещения стола может быть предварительно занесена в операционную память управляющей ЭВМ либо записана на магнитную ленту.

Установка состоит из излучателя 1, блока 3 поджига лампы, источника питания 4, программирующего устройства 5, оптического блока 8, системы 9 автоматической стабилизации выходной энергии, устройства дозирования энергии 10 и системы охлаждения 2.

Лазерное излучение в этой установке фокусируется в виде круглого пятна диаметром 2...5 мм. Установка обеспечивает производительность поверхностной обработки до 100 мм²/мин. Максимальные размеры обрабатываемого изделия 7 составляют 100x100x50 мм.

Лазерная технологическая установка «Квант-18» обеспечивает более высокую производительность (800...900 мм²/мин). Важным достоинством данной установки является возможность получать на обрабатываемой поверхности сфокусированное излучение не только в виде круглого пятна, но и квадратной или прямоугольной формы. Благодаря этому можно эффективно обрабатывать протяженные участки. Двухкоординатный стол позволяет обрабатывать детали размером 300x300x200 мм.

Рис. 5.14. Структурная блок-схема лазерной технологической установки с твердотельным технологическим лазером

 

Технологические установки с газовыми лазерами обеспечивают значительно большую производительность лазерной обработки. Активной средой в газовых лазерах является чистый газ, смесь нескольких газов или смеси газов с парами металлов, возбуждаемые электрическим разрядом, при протекании химических реакций либо в процессе адиабатического истечения нагретого газа через сверхзвуковое сопло. В соответствии с этим различают газовые лазеры электроразрядные, химические и газодинамические.

Химические лазеры сложны в эксплуатации и пока не находят широкого технологического применения, как и газодинамические лазеры, имеющие низкий КПД (0,1... 1,0%).

В настоящее время в промышленности используются универсальные установки с газовыми лазерами «Кардамон» и «Катунь» для технологических операций сварки, резки, термообработки, наплавки, легирования и др.

Схема СО₂-лазера с диффузионным охлаждением рабочей смеси показана на рис. 5.15.

Основной частью СО₂-лазера является водоохлаждаемая разрядная трубка 1, внутри шторой с помощью системы электродов 2 создается газоразрядная плазма 3. По торцам разрядной трубки размешаются зеркала резонатора: глухое зеркало 4 и полупрозрачное (или с отверстием) зеркало 5.

Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается путем слабой прокачки лазерной смеси или размещением внутри лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах используется, как правило, смесь COr-Nr-H₂ в соотношениях 1:1:3 или 1:1:6 (или близко к этому) при полном давлении до 2...4 кПа.

 

Рис. 3.15. Схема СО₂-лазера с диффузионным охлаждением

 

Газовая смесь возбуждается путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания высокочастотного генератора на электроды. Для зажигания разряда в трубке используется наружный электрод, на который подается импульсное напряжение 10 кВ, получаемое при разряде конденсатора емкостью 1...2 мкф.

В производственных условиях лазерная термическая обработка деталей типа валов может быть проведена непосредственно на токарном станке после изготовления детали. Лазерная головка устанавливается на кронштейнах, закрепленных на суппотре. После окончания токарных работ луч лазера при помощи системы телескопических труб и поворотных зеркал направляется на обрабатываемую поверхность. Поскольку сталь отражает луч лазера, на поверхность обрабатываемой детали предварительно наносится покрытие с высоким коэффициентом поглощения (черная краса иди пленка коллоидного графита). Устройство для нанесения покрытия установлено рядом с лазерной головкой. Луч от СО₂-лазера фокусируется выше поверхности заготовки. Меняя расстояние от фокуса луча до поверхности заготовки, можно получить различную плотность энергии я обеспечить необходимый нагрев для поверхностной закалки. Твердость закалённого слоя после лазерной обработки на несколько единиц превышает твердость слоя, полученного индукционной закалкой. Термическая обработка с помощью лазера дает возможность применять более дешевые низкоуглеродистые стали, а закалка по спирали поверхностей типа шейки вала уменьшает трение и улучшает условия смазки в процессе эксплуатации вала.

За рубежом основной вклад в разработку и создание промышленных технологических лазеров внесли фирмы «Спектра физикс», «Фотон соурсиз», «Кохерент рэйдиэйшн» (США), «Ферранти» (Великобритания). Фирма «Спектра физикс» разработала и выпускает полностью автоматизированные технологические CО₂-лазеры мощностью от 1,5 до 6 кВт для всех операций термической лазерной технологии.

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: