Lazerinio gesinimo technologija: tikslus metalinių komponentų paviršiaus grūdinimas

Lazerinis grūdinimas, dar žinomas kaip lazerinis transformacijos grūdinimas, yra terminio apdorojimo procesas, skirtas padidinti komponentų paviršiaus stiprumą ir ilgaamžiškumą. Jis naudoja didelio-energijos-tankio lazerio spindulį, kad šiluminę energiją selektyviai pritaikytų lokalizuotoms komponento paviršiaus sritims. Kai lazeris kerta paviršių, medžiaga greitai įkaista; idealiu atveju ši temperatūra viršija austenitinimo tašką. Lazeriui pajudėjus už tam tikro metalo tūrio, greitai savaiminis-gesinimas (ty aušinimas) vyksta per vidinį šilumos laidumą -, patobulindama mikrostruktūrą, padidindama dislokacijos tankį ir padidindama kietosios -tirpalo anglies kiekį. Dėl šių metalurginių pokyčių paviršiaus kietumas žymiai padidėja, todėl paviršius sutvirtinamas efektyviai.

1 pav. Scheminė lazerinio gesinimo schema

Gesinimas lazeriu yra procesas, kurio metu lazerio spindulys greitai (per milisekundes) įkaitina medžiagos paviršinį sluoksnį iki fazinės transformacijos temperatūros, o masinis substratas išlieka žemoje temperatūroje. Kai lazeris pasislenka, šiluma greitai išsisklaido į vėsesnę bazinę medžiagą ir sukuria savaime{1}}gesinimo efektą. Dėl to susidaro sukietėjęs paviršiaus sluoksnis, turintis didelį kietumą ir smulkiagrūdę-martensitinę mikrostruktūrą, išsaugant gerą šerdies kietumą. Gesinimas lazeriu sėkmingai pritaikytas metalurgijos, mašinų ir naftos chemijos pramonės -dėvėjimuisi linkusių komponentų paviršiui sustiprinti -, ypač prailginant naftotiekio vamzdžių sriegių, gręžimo strypų, kreipiamųjų bėgių ir kitų svarbių dalių - tarnavimo laiką, o tai duoda didelę ekonominę ir socialinę naudą.

Pagrindinės lazerinio gesinimo savybės:

(1) Tikslus valdymas: gesinimas lazeriu leidžia tiksliai valdyti grūdinimo gylį 0,1–2,0 mm diapazone. Reguliuojant tokius parametrus kaip lazerio galios tankis (10³–10⁵ W/cm²), nuskaitymo greitis (1,0–20,0 mm/s) ir dėmės dydis (1–10 mm), galima tiksliai valdyti karščio{10}}paveiktos zonos gylį.

(2) Minimalus ruošinio iškraipymas: dėl itin trumpo lazerio kaitinimo laiko (0,1–1,0 s), šiluma koncentruojama paviršiaus sluoksnyje, o biri medžiaga išlieka žemoje temperatūroje, todėl išvengiama terminio įtempio{3}}sukeliamos deformacijos dėl bendro įkaitimo. Gautas iškraipymas yra tik apie 1/10 to, kuris gaunamas naudojant įprastinius gesinimo metodus.

(3) Puiki apdorojimo kokybė: galima pasiekti aukšto-kietumo, smulkiagrūdę{2}}martensitinę mikrostruktūrą. Greitas šildymo ir aušinimo ciklas (10³–10⁵ laipsnis/s) slopina karbido šiurkštėjimą ir skatina itin smulkios grūdėtumo struktūros susidarymą, padidindamas atsparumą dilimui 2–3 kartus.

(4) Platus pritaikymas: gesinimas lazeriu leidžia tiksliai sukietinti tam tikras sudėtingų komponentų sritis. Valdant lazerio kelią per CNC sistemas, galima vietiškai sustiprinti sudėtingas geometrines savybes -, pvz., griovelius, skyles ir kitus kontūrus -, atitinkančius įvairius eksploatacinius reikalavimus.

2 pav. Lazerinio gesinimo ir įprastų gesinimo metodų charakteristikų palyginimas

Gesinimas lazeriu yra pažangi paviršiaus terminio apdorojimo technologija, kuria pasiekiamas vietinis sutvirtinimas greitai kaitinant medžiagos paviršių didelės-energijos lazerio spinduliu, o po to savaime-užgesinamas (aušinamas). Ši technika užtikrina tikslią šiluminę įvestį, minimalų iškraipymą ir vienodus sukietėjusius sluoksnius -, kurie žymiai padidina komponentų atsparumą dilimui ir nuovargio tarnavimo laiką. Jis buvo plačiai pritaikytas daugelyje pramonės sektorių. Atsižvelgiant į skirtingus eksploatacinius reikalavimus ir tikslinius komponentus, jo taikymas čia pristatomas trijose pagrindinėse srityse: sunkiosios mašinos, naftos chemijos ir energetikos bei tiksliosios gamybos.

Lazerinio grūdinimo mašina|Kietinimo lazeriu įranga

Sunkiųjų mašinų sektoriuje gesinimas lazeriu visų pirma skirtas paviršiaus sustiprinimui ir didelių pagrindinių komponentų vietiniam taisymui. Pavyzdžiui, plieno valcavimo įrangos ritinėliai, kreiptuvai ir kirpimo peiliai, taip pat kasybos mašinų{1}}dėvėjimosi dalys dažnai veikia sunkiomis sąlygomis, susijusiomis su didelėmis apkrovomis, aukšta temperatūra ir intensyviu dilimu -, todėl jos yra labai jautrios paviršiaus nuovargiui. Gesinimas lazeriu leidžia tiksliai vietiškai grūdinti šiuos didelius ruošinius, pasiekiant didesnį nei 2 mm apdorojimo gylį, o tai iš esmės pagerina paviršiaus kietumą ir atsparumą dilimui, tuo pačiu išvengiant didžiulės deformacijos, kurią paprastai sukelia įprastinis masinis terminis apdorojimas. Jau susidėvėjusioms sudedamosioms dalims gesinimas lazeriu gali būti derinamas su apkalimo procesais, skirtais restauruoti ir perdirbti, 2–3 kartus pailginant svarbiausių dalių tarnavimo laiką ir žymiai sumažinant įmonės priežiūros išlaidas bei prastovų nuostolius.

Naftos chemijos ir energetikos sektoriuose gesinimas lazeriu yra pagrindinė technologija, didinanti vamzdynų ir susijusių komponentų atsparumą dilimui ir korozijai. Tokios dalys, kaip naftos ir dujų perdavimo vamzdynai, gręžimo vamzdžių sriegiai, siurblio cilindrų įdėklai ir vožtuvų sandarinimo paviršiai, yra ilgai veikiami terpės erozijos, cheminės korozijos ir didelio slėgio ciklinių apkrovų. Įprastais terminio apdorojimo metodais sunku pasiekti vienodą plonasienių ar sudėtingų -struktūrinių komponentų sutvirtinimą. Gesinant lazeriu, ant vidinių vamzdynų sienelių, sriegių paviršių ir vožtuvų sandarinimo paviršių - gali susidaryti vienodi, smulkiagrūdžiai grūdinti sluoksniai, - žymiai padidina paviršiaus kietumą (pvz., daugiau nei du kartus pailgina siurblio cilindrų įdėklų tarnavimo laiką), išsaugant pagrindinės medžiagos kietumą. Be to, ši technika leidžia vietoje{11}}apdoroti eksploatuojamų vamzdynų susidėvėjusias vietas nereikalaujant jų visiškai pakeisti, o tai labai užtikrina naftos ir dujų transportavimo saugumą ir ekonominį efektyvumą.

Tiksliosios gamybos sektoriuje pagrindinė gesinimo lazeriu vertė yra sprendžiant vietinius grūdinimo iššūkius, kurių tradiciniai procesai negali išspręsti. Dėl tikslių savybių, tokių kaip vidinės mažų skylučių sienelės, gilių griovelių dugnai, plonų -sienelių dalių kraštai ir mikro-ertmės formose, gesinimas lazeriu padidina optinio pluošto tiekimo lankstumą, kad būtų galima tiksliai nukreipti lazerį į šias sritis, kad būtų galima akimirksniu įkaisti ir gesinti. Susidariusi šilumos-paveikta zona yra labai maža, o iškraipymas reguliuojamas ne daugiau kaip 0,05 mm -, taip įveikiant indukcinio gesinimo (kuris negali pasiekti tam tikros geometrijos) ir karburacinio gesinimo (kuris sukelia bendrą dalies deformaciją) apribojimus.

3 pav. Pagrindinės gesinimo lazeriu taikymo sritys

Gesinant lazeriu, naudojamas didelės{0}}energijos lazerio spindulys, greitai nuskaitantis metalinius paviršius, akimirksniu pakeldamas vietines sritis virš fazės transformacijos temperatūros. Greitas aušinimas ir sukietėjimas pasiekiamas dėl šilumos laidumo pačioje pagrindinėje medžiagoje, todėl galima tiksliai modifikuoti tik paviršinį sluoksnį. Ši technika siūlo tiksliai valdomą šilumos įvestį, veikiantį tik tam skirtose zonose, nesukeliant bendro ruošinio iškraipymo; sukuria vienodus, tankius sukietėjusius sluoksnius, kurie žymiai padidina atsparumą dilimui ir nuovargį. Sijos tiekimo lankstumas leidžia pasiekti sudėtingus kontūrus ir vidines ertmes. Be to, procesas yra švarus ir nereikalauja išorinės aušinimo terpės. Ateityje pagrindinis dėmesys bus skiriamas pažangiam-procesų valdymui realiuoju laiku, kelių-laukų kompozitų apdorojimui ir pažangioms tiksliųjų komponentų terminio apdorojimo programoms aukščiausios klasės gamybos sektoriuose, pvz., aviacijos ir kosmoso pramonėje.