eng
Выпуск #3/2014
М.Волков, А.Кишалов, Н.Орлов, В.Серебряков, В.Смирнов, А.Филатов
Лазерная очистка и лазерный наклеп – технологии улучшения свойств поверхности
Лазерная очистка и лазерный наклеп – технологии улучшения свойств поверхности
Просмотры: 8574
Износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, герметичность соединений, прочность посадок – во многом эти свойства деталей и соединений определяют надежность и долговечность оборудования и конструкций. Рассмотрены результаты применения лазерных технологий улучшения свойств поверхности металлов и неметаллов – лазерной очистки и лазерного наклепа.
Теги: corrosion resistance fatigue strength laser cleaning laser shot peening wear resistance износостойкость коррозионная стойкость лазерная очистка лазерный наклеп усталостная прочность
Часто разрушение деталей механизмов начинается с поверхности. Поэтому, обеспечив заданное проектировщиком качество поверхностного слоя детали, можно уверенно прогнозировать надежность работы всего механизма. Таким образом, решение проблемы повышения качества механизмов, оборудования, конструкций и приборов лежит в области обеспечения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей. При этом вопрос касается как геометрических параметров, так и физико-химических свойств покрытий и самого поверхностного слоя. Лазерные технологии, все новые и новые варианты их использования в науке и технике способны повысить эксплуатационное качество поверхностного слоя детали.
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА
Лазеры только появились, и уже тогда технологи мгновенно обратили внимание на возможности использования "чистой лучевой энергии" в качестве средства для очистки. Импульсный высококонцентрированный световой пучок способен моментально нагреть тонкий поверхностный слой материала так, что тот просто испарится без заметного воздействия на материал, расположенный глубже. Заметим, в ряде случаев при этом материал покрытия даже не испытает термического разложения, а загрязнения, сопровождающиеся образованием и выделением токсичных или нежелательных веществ, не успеют появиться. В результате мы имеем уникальный по своим свойствам метод очистки, лишенный всех тех недостатков, которые присущи классическим механическим и химическим методам очистки. Отметим, что проявление дополнительных эффектов, связанных с генерацией в приповерхностном слое термоупругих напряжений и ударных акустических волн, повышает производительность процесса очистки, дополняя усилия по "отрыву" загрязнений от поверхности.
Развитию технологий лазерной очистки в основном препятствовали экономические проблемы (стоимость инструмента) и низкая производительность процесса. Интересно, что лазерные методы очистки уже давно успешно используют в реставрации для очистки музейных ценностей – области, где стоимость и производительность не играют такой определяющей роли.
Появление надежных, компактных и достаточно недорогих лазерных источников – иттербиевых волоконных лазеров с высоким КПД и большим сроком службы (до 100 000 ч) позволило совершить переход на новый качественный уровень технологиям лазерной очистки. Применение новых источников лазерного излучения в технологиях лазерной очистки обеспечивает выполнение высоких современных требований к экологичности производства. В ряде промышленно развитых стран работают компании, чьи функции связаны исключительно с разработками оборудования и методов лазерной очистки.
Схема процесса лазерной очистки (рис.1) предельно проста – излучение импульсного лазера фокусируют на поверхности детали. Причем размер пятна должен быть таким, чтобы плотность мощности излучения за время импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его разрушения (испарения или сублимации). Ориентировочная величина такой плотности мощности составляет 107–1010 Вт/см2 и более. При фокусировке излучения в пятно диаметром порядка 0,2 мм для достижения такой плотности мощности достаточно использовать импульсный волоконный лазер со средней мощностью всего 10 Вт.
В настоящий момент на базе импульсных волоконных лазеров производства IPG Photonics уже разработаны системы лазерной очистки. Наиболее компактным и доступным для конечного потребителя классом оборудования для лазерной очистки являются ранцевые устройства. Основным зарубежным производителем таких компактных систем лазерной очистки является немецкая фирма Clean-Lasersysteme GmbH. В России подобные системы разработала компания ООО "НПП ВОЛО".
Использование технологии
лазерной очистки
Область задач, в решении которых используются технологии лазерной очистки, простирается от операций удаления загрязнений до операций снятия покрытий, нанесенных на изделие в процессе его изготовления. Чаще всего лазерная очистка используется для:
удаления лакокрасочных покрытий,
удаления гальванических покрытий,
удаления эксплуатационных загрязнений,
удаления биологических загрязнений,
предварительной обработке поверхности перед склеиванием или нанесением каких-либо функциональных покрытий для увеличения ее адгезионных свойств,
удаления СОЖ,
удаления следов коррозии,
удаления консервационных покрытий и комбинированных загрязнений.
Многообразие применений лазерной очистки порождает многообразие лазерных устройств, предназначенных для решения этих задач. Для глубокого проникновения на рынок и широкого распространения подобные лазерные устройства должны обладать рядом достоинств. Во-первых, лазерное оборудование очистки должно иметь низкую стоимость. Во-вторых, обеспечивать низкую стоимость при эксплуатации. В-третьих, проявить высокую надежность в работе. В-четвертых, обладать компактностью, простотой устройства и удобством в работе.
Компании "НПП "ВОЛО" удалось в своих изделиях – ранцевом оборудовании для лазерной очистки (рис.2) выполнить эти условия. Во-первых, цена ранцевого оборудования для лазерной очистки примерно равна стоимости годовой эксплуатации пескоструйного оборудования. Во-вторых, оборудование для лазерной очистки практически не требует никаких эксплуатационных расходов. В-третьих, средний ресурс оборудования, который определяется ресурсом работы лазера, составляет более 50000 часов. Наши устройства не имеют изнашивающихся механических частей. В-четвертых, полный вес такого устройства, включая вес манипулятора (ручной инструмент), не превышает 15 кг.
Лазерная очистка в действии
Рисунок 3 иллюстрирует результаты лазерной очистки поверхностей различных материалов с помощью лазерного ранцевого устройства, произведенного компанией ООО "НПП ВОЛО". Для наглядной демонстрации результата была выбрана стальная пластина, загрязненная ржавчиной, крошками окалины и маслом. Нижнюю зону стальной пластины подвергли лазерной очистке, при этом верхняя зона специально была оставлена неочищенной и загрязненной. Затем и на очищенную, и на неподготовленную поверхность произвели наплавку стальной проволоки. Хорошо видна разница между результатом крайне нестабильного процесса наплавки в верхней зоне и результата, удовлетворяющего требованиям, в нижней зоне, подвергнутой предварительной лазерной очистке. Этот эксперимент хорошо показал применимость технологии лазерной очистки для подготовки, например, сварочных кромок непосредственно перед сваркой.
На рис.4 изображена турбинная лопатка газотурбинного двигателя (ГТД) до (слева) и после лазерной очистки (справа). В результате очистки были удалены поверхностные эксплуатационные загрязнения. Рис.5 демонстрирует резьбовой участок насосно-компрессорной трубы (НКТ) до очистки (изображение слева) и после лазерной очистки (изображение справа). Резьба НКТ была загрязнена остатками СОЖ, на которые налипли металлические заусеницы и другие цеховые загрязнения после нарезки резьбы. Простота лазерных очистительных устройств позволяет легко встроить их в технологические линии предприятий.
Результаты лазерной очистки каменных образцов от биологических и антропогенных загрязнений представлены на рис.6 и 7. Это образцы реальных объектов, которые долгое время находились в условиях открытых городских пространств Северной столицы. Для их реставрационной очистки не возникало необходимости переносить эти памятники в специальные мастерские. А низкие энергозатраты и высокая экологичность использования лазерного оборудования в совокупности с ранцевой формой комплекса позволяют оснастить ими любые городские коммунальные службы.
Опыт лазерной очистки с помощью оборудования, изготовленного в компании ООО "НПП ВОЛО", подтвердил основные преимущества лазерной очистки перед наиболее распространенной пескоструйной. Среди них:
возможность работы практически в любых помещениях, а не в специальных боксах,
отсутствие шума,
бесконтактность,
безабразивность,
легкий сбор продуктов очистки,
отсутствие дополнительных операций по уборке пыли с поверхности после очистки,
получение практически химически чистой поверхности,
низкие энергозатраты,
отсутствие абразивного износа поверхности,
возможность производить очистку тонких материалов,
высокая экологичность,
возможность интеграции оборудования в технологические линии предприятий.
ЛАЗЕРНЫЙ НАКЛЕП
Еще одна технология, позволяющая существенно усилить эксплуатационные характеристики не только поверхности, но и основного материала деталей на глубину до 1 мм, была освоена в компании ООО "НПП ВОЛО". Это – технология ударного лазерного упрочнения, или технология лазерного наклепа. Сам метод лазерного наклепа известен как один из методов повышения сопротивления усталости, длительной прочности, коррозионному растрескиванию деталей машин и конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенных температур и циклических нагрузок. Если детали, узлы машин и механизмов подвержены циклическим знакопеременным нагрузкам, равно как и значительным тепловым нагрузкам, то существует высокая вероятность образования микротрещин, рост которых может привести к разрушению детали. Метод упрочнения поверхности позволяет снизить вероятность образования микротрещин.
Методы и технологии наклепа
Наклеп металлов и сплавов – это изменение структуры и свойств металлов и сплавов под действием пластической деформации при температурах, лежащих ниже температуры рекристаллизации в состоянии "холодной" поверхности. Во время наклепа в металле происходит накопление части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решетки с образованием преимущественно ориентированных текстур и изменением положения дислокаций. Наклеп сопровождается повышением прочности, твердости и снижением пластичности материала. После обработки в поверхностном слое детали создается благоприятная система сжимающих остаточных напряжений, которая выражается в повышении предела усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Обычно наклеп осуществляют на специальном оборудовании при помощи обкатки роликами, дробеструйной обработки или ударными инструментами. Большие преимущества перед традиционными методами обработки металлов и сплавов в последние годы проявляет технология лазерного ударного упрочнения поверхности (лазерный наклеп).
Принцип лазерного ударного упрочнения
Лазерное упрочнение поверхности обеспечивается ударной волной большой амплитуды, которая генерируется в лазерной плазме при помощи лазерных импульсов высокой энергии. Эффект упрочнения достигается за счет механической деформации в холодном состоянии, производимой ударной волной, а не термическим нагреванием поверхности излучением лазера, как в случае лазерной закалки. В самом общем случае поверхность обрабатываемой детали (рис.8) покрывают слоем-поглотителем (слой краски или пленки, которая хорошо поглощает лазерное излучение), непрозрачным для лазерного излучения. Затем добавляют слой прозрачного для лазерного излучения материала, это может быть вода или другая жидкость (которая может течь по поверхности детали, течение должно быть ламинарным, не иметь пузырьков и видимых завихрений). Сфокусированное лазерное излучение направляется на поверхность, оно проходит через прозрачный слой и взаимодействует со слоем-поглотителем. При взаимодействии лазерная энергия адсорбируется внутри слоя-поглотителя, происходит его испарение и формируется плазменный факел. Давление в изолированной плазме быстро возрастает, вызывая ударную волну, которая идет в материал детали через остаток непрозрачного слоя-поглотителя и наружу через слой прозрачного материала.
Слой-поглотитель служит защитой от прямого контакта поверхности детали с плазмой. Прямое взаимодействие поверхности детали с плазмой, как правило, ведет к образованию расплава металла на поверхности на глубину до 15–25 мкм. Непрозрачный слой-поглотитель может быть сформирован из различных материалов: сухая или влажная краска, черная пленка, металлическая фольга, все они позволяют реализовать номинально одинаковые давления.
Прозрачный слой изолирует плазму от атмосферы и служит отражателем акустической волны для создания более мощной ударной волны. Самый простой прозрачный слой – ламинарный поток воды. Повторимся, что вода используется не для охлаждения, а для изоляции плазмы от легко сжимаемой атмосферы. В этом случае давление, созданное плазмой на поверхности детали, увеличивается в 10 раз.
Ударная волна, распространяясь в материале, приводит к улучшению свойств материала. Пластическая деформация от ударной волны при лазерном наклепе распространяется гораздо глубже, чем при дробеструйном упрочнении. Поэтому и сжимающие остаточные напряжения находятся на большей глубине материала. Более глубоко расположенные остаточные напряжения определяют улучшение свойств материала. В случае большой мощности ударной волны на поверхности детали можно наблюдать характерные отпечатки (рис.9) после обработки глубиной до нескольких микрон.
Наиболее востребована технология лазерного наклепа в машиностроительных отраслях промышленности: авиационной (двигателестроение, упрочнение лопаток, упрочнение различных деталей планера); автомобильной (упрочнение деталей двигателей); энергетической (упрочнение лопаток парогазовых турбин); атомной энергетике (обработка сварных швов и стенок реакторов, в том числе и восстановление работавшей аппаратуры, эти мероприятия препятствуют образованию трещин); нефтегазотопливной отрасли (обработка сварных швов, в том числе труб, предназначенных для прокладки в области арктического шельфа). В медицине, где объекты протезирования несоизмеримо малы по сравнению с объектами машиностроения, технология наклепа (обработка протезов суставов) открывает большие перспективы для сохранения и восстановления здоровья человека.
Преимущества технологии
лазерного наклепа
Применение лазерного упрочнения помогает избежать затрат, связанных с заменой деталей механизмов при их ремонте. Основными достоинствами лазерного наклепа являются:
повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей,
повышение ресурса деталей,
сохранение свойств после нагрева в процессе эксплуатации,
повышение микротвердости поверхности,
отсутствие деформации деталей после обработки и исключение финишных операций,
комнатная температура обработки, благодаря чему в металлах и сплавах не происходит структурных превращений,
экологическая чистота,
повышение культуры производства,
отсутствие рабочих газов,
отсутствие изотермических выдержек, а следовательно, снижение энергозатрат,
улучшение санитарно-гигиенических условий производства,
полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.
Заключение
Технология ударного упрочнения поверхности родилась еще в прошлом веке, а с появлением твердотельных лазеров она начала интенсивно развиваться и преобразовалась в технологию лазерного ударного упрочнения (лазерный наклеп). Заказчику остается только сделать правильный выбор разработчика конечной системы. Компания ООО "НПП ВОЛО" разрабатывает и производит лазерное оборудование под разные промышленные задачи очистки материалов. В своей работе, опираясь как на мировой опыт, накопленный в этой области, так и на свои разработки, ООО "НПП ВОЛО" создает лазерное оборудование, реализующее методы улучшения качества поверхности. У промышленных предприятий появляется возможность модернизировать свое производство, интегрировав лазерное оборудование компании ООО "НПП ВОЛО" в свои технологические линии. ▪
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА
Лазеры только появились, и уже тогда технологи мгновенно обратили внимание на возможности использования "чистой лучевой энергии" в качестве средства для очистки. Импульсный высококонцентрированный световой пучок способен моментально нагреть тонкий поверхностный слой материала так, что тот просто испарится без заметного воздействия на материал, расположенный глубже. Заметим, в ряде случаев при этом материал покрытия даже не испытает термического разложения, а загрязнения, сопровождающиеся образованием и выделением токсичных или нежелательных веществ, не успеют появиться. В результате мы имеем уникальный по своим свойствам метод очистки, лишенный всех тех недостатков, которые присущи классическим механическим и химическим методам очистки. Отметим, что проявление дополнительных эффектов, связанных с генерацией в приповерхностном слое термоупругих напряжений и ударных акустических волн, повышает производительность процесса очистки, дополняя усилия по "отрыву" загрязнений от поверхности.
Развитию технологий лазерной очистки в основном препятствовали экономические проблемы (стоимость инструмента) и низкая производительность процесса. Интересно, что лазерные методы очистки уже давно успешно используют в реставрации для очистки музейных ценностей – области, где стоимость и производительность не играют такой определяющей роли.
Появление надежных, компактных и достаточно недорогих лазерных источников – иттербиевых волоконных лазеров с высоким КПД и большим сроком службы (до 100 000 ч) позволило совершить переход на новый качественный уровень технологиям лазерной очистки. Применение новых источников лазерного излучения в технологиях лазерной очистки обеспечивает выполнение высоких современных требований к экологичности производства. В ряде промышленно развитых стран работают компании, чьи функции связаны исключительно с разработками оборудования и методов лазерной очистки.
Схема процесса лазерной очистки (рис.1) предельно проста – излучение импульсного лазера фокусируют на поверхности детали. Причем размер пятна должен быть таким, чтобы плотность мощности излучения за время импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его разрушения (испарения или сублимации). Ориентировочная величина такой плотности мощности составляет 107–1010 Вт/см2 и более. При фокусировке излучения в пятно диаметром порядка 0,2 мм для достижения такой плотности мощности достаточно использовать импульсный волоконный лазер со средней мощностью всего 10 Вт.
В настоящий момент на базе импульсных волоконных лазеров производства IPG Photonics уже разработаны системы лазерной очистки. Наиболее компактным и доступным для конечного потребителя классом оборудования для лазерной очистки являются ранцевые устройства. Основным зарубежным производителем таких компактных систем лазерной очистки является немецкая фирма Clean-Lasersysteme GmbH. В России подобные системы разработала компания ООО "НПП ВОЛО".
Использование технологии
лазерной очистки
Область задач, в решении которых используются технологии лазерной очистки, простирается от операций удаления загрязнений до операций снятия покрытий, нанесенных на изделие в процессе его изготовления. Чаще всего лазерная очистка используется для:
удаления лакокрасочных покрытий,
удаления гальванических покрытий,
удаления эксплуатационных загрязнений,
удаления биологических загрязнений,
предварительной обработке поверхности перед склеиванием или нанесением каких-либо функциональных покрытий для увеличения ее адгезионных свойств,
удаления СОЖ,
удаления следов коррозии,
удаления консервационных покрытий и комбинированных загрязнений.
Многообразие применений лазерной очистки порождает многообразие лазерных устройств, предназначенных для решения этих задач. Для глубокого проникновения на рынок и широкого распространения подобные лазерные устройства должны обладать рядом достоинств. Во-первых, лазерное оборудование очистки должно иметь низкую стоимость. Во-вторых, обеспечивать низкую стоимость при эксплуатации. В-третьих, проявить высокую надежность в работе. В-четвертых, обладать компактностью, простотой устройства и удобством в работе.
Компании "НПП "ВОЛО" удалось в своих изделиях – ранцевом оборудовании для лазерной очистки (рис.2) выполнить эти условия. Во-первых, цена ранцевого оборудования для лазерной очистки примерно равна стоимости годовой эксплуатации пескоструйного оборудования. Во-вторых, оборудование для лазерной очистки практически не требует никаких эксплуатационных расходов. В-третьих, средний ресурс оборудования, который определяется ресурсом работы лазера, составляет более 50000 часов. Наши устройства не имеют изнашивающихся механических частей. В-четвертых, полный вес такого устройства, включая вес манипулятора (ручной инструмент), не превышает 15 кг.
Лазерная очистка в действии
Рисунок 3 иллюстрирует результаты лазерной очистки поверхностей различных материалов с помощью лазерного ранцевого устройства, произведенного компанией ООО "НПП ВОЛО". Для наглядной демонстрации результата была выбрана стальная пластина, загрязненная ржавчиной, крошками окалины и маслом. Нижнюю зону стальной пластины подвергли лазерной очистке, при этом верхняя зона специально была оставлена неочищенной и загрязненной. Затем и на очищенную, и на неподготовленную поверхность произвели наплавку стальной проволоки. Хорошо видна разница между результатом крайне нестабильного процесса наплавки в верхней зоне и результата, удовлетворяющего требованиям, в нижней зоне, подвергнутой предварительной лазерной очистке. Этот эксперимент хорошо показал применимость технологии лазерной очистки для подготовки, например, сварочных кромок непосредственно перед сваркой.
На рис.4 изображена турбинная лопатка газотурбинного двигателя (ГТД) до (слева) и после лазерной очистки (справа). В результате очистки были удалены поверхностные эксплуатационные загрязнения. Рис.5 демонстрирует резьбовой участок насосно-компрессорной трубы (НКТ) до очистки (изображение слева) и после лазерной очистки (изображение справа). Резьба НКТ была загрязнена остатками СОЖ, на которые налипли металлические заусеницы и другие цеховые загрязнения после нарезки резьбы. Простота лазерных очистительных устройств позволяет легко встроить их в технологические линии предприятий.
Результаты лазерной очистки каменных образцов от биологических и антропогенных загрязнений представлены на рис.6 и 7. Это образцы реальных объектов, которые долгое время находились в условиях открытых городских пространств Северной столицы. Для их реставрационной очистки не возникало необходимости переносить эти памятники в специальные мастерские. А низкие энергозатраты и высокая экологичность использования лазерного оборудования в совокупности с ранцевой формой комплекса позволяют оснастить ими любые городские коммунальные службы.
Опыт лазерной очистки с помощью оборудования, изготовленного в компании ООО "НПП ВОЛО", подтвердил основные преимущества лазерной очистки перед наиболее распространенной пескоструйной. Среди них:
возможность работы практически в любых помещениях, а не в специальных боксах,
отсутствие шума,
бесконтактность,
безабразивность,
легкий сбор продуктов очистки,
отсутствие дополнительных операций по уборке пыли с поверхности после очистки,
получение практически химически чистой поверхности,
низкие энергозатраты,
отсутствие абразивного износа поверхности,
возможность производить очистку тонких материалов,
высокая экологичность,
возможность интеграции оборудования в технологические линии предприятий.
ЛАЗЕРНЫЙ НАКЛЕП
Еще одна технология, позволяющая существенно усилить эксплуатационные характеристики не только поверхности, но и основного материала деталей на глубину до 1 мм, была освоена в компании ООО "НПП ВОЛО". Это – технология ударного лазерного упрочнения, или технология лазерного наклепа. Сам метод лазерного наклепа известен как один из методов повышения сопротивления усталости, длительной прочности, коррозионному растрескиванию деталей машин и конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенных температур и циклических нагрузок. Если детали, узлы машин и механизмов подвержены циклическим знакопеременным нагрузкам, равно как и значительным тепловым нагрузкам, то существует высокая вероятность образования микротрещин, рост которых может привести к разрушению детали. Метод упрочнения поверхности позволяет снизить вероятность образования микротрещин.
Методы и технологии наклепа
Наклеп металлов и сплавов – это изменение структуры и свойств металлов и сплавов под действием пластической деформации при температурах, лежащих ниже температуры рекристаллизации в состоянии "холодной" поверхности. Во время наклепа в металле происходит накопление части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решетки с образованием преимущественно ориентированных текстур и изменением положения дислокаций. Наклеп сопровождается повышением прочности, твердости и снижением пластичности материала. После обработки в поверхностном слое детали создается благоприятная система сжимающих остаточных напряжений, которая выражается в повышении предела усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Обычно наклеп осуществляют на специальном оборудовании при помощи обкатки роликами, дробеструйной обработки или ударными инструментами. Большие преимущества перед традиционными методами обработки металлов и сплавов в последние годы проявляет технология лазерного ударного упрочнения поверхности (лазерный наклеп).
Принцип лазерного ударного упрочнения
Лазерное упрочнение поверхности обеспечивается ударной волной большой амплитуды, которая генерируется в лазерной плазме при помощи лазерных импульсов высокой энергии. Эффект упрочнения достигается за счет механической деформации в холодном состоянии, производимой ударной волной, а не термическим нагреванием поверхности излучением лазера, как в случае лазерной закалки. В самом общем случае поверхность обрабатываемой детали (рис.8) покрывают слоем-поглотителем (слой краски или пленки, которая хорошо поглощает лазерное излучение), непрозрачным для лазерного излучения. Затем добавляют слой прозрачного для лазерного излучения материала, это может быть вода или другая жидкость (которая может течь по поверхности детали, течение должно быть ламинарным, не иметь пузырьков и видимых завихрений). Сфокусированное лазерное излучение направляется на поверхность, оно проходит через прозрачный слой и взаимодействует со слоем-поглотителем. При взаимодействии лазерная энергия адсорбируется внутри слоя-поглотителя, происходит его испарение и формируется плазменный факел. Давление в изолированной плазме быстро возрастает, вызывая ударную волну, которая идет в материал детали через остаток непрозрачного слоя-поглотителя и наружу через слой прозрачного материала.
Слой-поглотитель служит защитой от прямого контакта поверхности детали с плазмой. Прямое взаимодействие поверхности детали с плазмой, как правило, ведет к образованию расплава металла на поверхности на глубину до 15–25 мкм. Непрозрачный слой-поглотитель может быть сформирован из различных материалов: сухая или влажная краска, черная пленка, металлическая фольга, все они позволяют реализовать номинально одинаковые давления.
Прозрачный слой изолирует плазму от атмосферы и служит отражателем акустической волны для создания более мощной ударной волны. Самый простой прозрачный слой – ламинарный поток воды. Повторимся, что вода используется не для охлаждения, а для изоляции плазмы от легко сжимаемой атмосферы. В этом случае давление, созданное плазмой на поверхности детали, увеличивается в 10 раз.
Ударная волна, распространяясь в материале, приводит к улучшению свойств материала. Пластическая деформация от ударной волны при лазерном наклепе распространяется гораздо глубже, чем при дробеструйном упрочнении. Поэтому и сжимающие остаточные напряжения находятся на большей глубине материала. Более глубоко расположенные остаточные напряжения определяют улучшение свойств материала. В случае большой мощности ударной волны на поверхности детали можно наблюдать характерные отпечатки (рис.9) после обработки глубиной до нескольких микрон.
Наиболее востребована технология лазерного наклепа в машиностроительных отраслях промышленности: авиационной (двигателестроение, упрочнение лопаток, упрочнение различных деталей планера); автомобильной (упрочнение деталей двигателей); энергетической (упрочнение лопаток парогазовых турбин); атомной энергетике (обработка сварных швов и стенок реакторов, в том числе и восстановление работавшей аппаратуры, эти мероприятия препятствуют образованию трещин); нефтегазотопливной отрасли (обработка сварных швов, в том числе труб, предназначенных для прокладки в области арктического шельфа). В медицине, где объекты протезирования несоизмеримо малы по сравнению с объектами машиностроения, технология наклепа (обработка протезов суставов) открывает большие перспективы для сохранения и восстановления здоровья человека.
Преимущества технологии
лазерного наклепа
Применение лазерного упрочнения помогает избежать затрат, связанных с заменой деталей механизмов при их ремонте. Основными достоинствами лазерного наклепа являются:
повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей,
повышение ресурса деталей,
сохранение свойств после нагрева в процессе эксплуатации,
повышение микротвердости поверхности,
отсутствие деформации деталей после обработки и исключение финишных операций,
комнатная температура обработки, благодаря чему в металлах и сплавах не происходит структурных превращений,
экологическая чистота,
повышение культуры производства,
отсутствие рабочих газов,
отсутствие изотермических выдержек, а следовательно, снижение энергозатрат,
улучшение санитарно-гигиенических условий производства,
полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.
Заключение
Технология ударного упрочнения поверхности родилась еще в прошлом веке, а с появлением твердотельных лазеров она начала интенсивно развиваться и преобразовалась в технологию лазерного ударного упрочнения (лазерный наклеп). Заказчику остается только сделать правильный выбор разработчика конечной системы. Компания ООО "НПП ВОЛО" разрабатывает и производит лазерное оборудование под разные промышленные задачи очистки материалов. В своей работе, опираясь как на мировой опыт, накопленный в этой области, так и на свои разработки, ООО "НПП ВОЛО" создает лазерное оборудование, реализующее методы улучшения качества поверхности. У промышленных предприятий появляется возможность модернизировать свое производство, интегрировав лазерное оборудование компании ООО "НПП ВОЛО" в свои технологические линии. ▪
Отзывы читателей
