391 / 530
Актуальные проблемы в машиностроении. 2016. №3
Материаловедение
в машиностроении
____________________________________________________________________
391
некоторые общие закономерности с превращениями происходящим в сталях [13]. В связи с
этим представляет интерес изучение влияния исходной структуры обрабатываемой стали на
результат лазерно-плазменного воздействия.
Для проведения лазерно-плазменной обработки (ЛПО) в ИЛФ СО РАН создана
лазерно-плазменная технологическая установка. Основой установки, определяющей её
технологические возможности, является импульсно-периодическая СО
2
-лазерная система
генератор-усилитель (СГУ) средней мощностью до 2 кВт и импульсной сотни кВт с
возможностью управления частотой следования (до 120 кГц) и длительностью лазерных
импульсов [14].
В зависимости от частоты следования лазерных импульсов, размера пятна облучения
и относительной скорости перемещения луча и детали цикл обработки включает
десятки/сотни воздействий лазерной плазмы на поверхность. Эффективный обмен энергией
высокой концентрации между лазерной плазмой и металлом обеспечивает скорость
локального нагрева, достигающую 10
5
-10
7
градусов в секунду, при этом производительность
лазерно-плазменной обработки в 7-10 раз выше по сравнению с традиционной лазерной
закалкой [13].
Режимы лазерно-плазменного воздействия были выбраны на основании литературных
данных [15] и результатов собственных предварительных исследований. Энергия лазерного
импульса составляла около 15 мДж при частоте следования импульсов 60 кГц. Излучение
фокусировалось в пятно диаметром 0,8 мм, длительность пика лазерных импульсов на
полувысоте составляла 0,2 мкс, таким образом пиковая интенсивность импульса достигала
14 МВт/см
2
. В качестве рабочего газа использовался азот, давление азота в форкамере 2 атм.
Скорость линейного перемещения образцов составляла 20 мм/сек. Обработка велась со
сканированием фокуса лазерного излучения в направлении перпендикулярном линейному
перемещению образцов частота и амплитуда сканирования составляли 300 Гц и 3 мм
соответственно.
В результате ЛПО получены упрочненные лазером дорожки на сталях с исходной
микроструктурой характерной для различных этапов технологического процесса
изготовления и ремонта деталей машин.
Материалом исследования служила низколегированная качественная
конструкционная сталь 40ХН ГОСТ 4543-71 в состоянии поставки и после термической
обработки закалкой с низким и высоким отпуском.
Результаты и обсуждение
Исследование микроструктуры и твёрдости по глубине зоны лазерно-плазменного
воздействия проводилось на Кафедре Технологии металлов и судостроения СГУВТ.
Микрошлифы образцов стали для исследования готовили под углом 12
0
к плоскости
обработанной поверхности, благодаря этому на представленных микрофотографиях
кажущаяся глубина рассматриваемого сечения и шероховатость поверхности увеличены в 5
раз. Твёрдость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор 20 г.
Структурные превращения в стали при ЛПО определяются градиентом температур.
Глубина закалённых слоёв и структура зон термического лазерно-плазменного воздействия
зависит от исходной структуры и параметров лазерно-плазменной обработки, но при этом
имеют место общие закономерности.