Лазерная обработка материалов, в том числе и термообработка, основана на использовании лазерного излучения, которое позволяет создавать на очень небольшом участке поверхности высокие плотности теплового поля, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления.
По своей сути, лазеры - это генераторы света. При их воздействии на поверхность обрабатываемых сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Количество отраженного излучения зависит от природы материала и предварительной подготовки поверхности.
Энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в поверхностном слое толщиной 10-6 -10-7 м. Вследствие этого температура резко повышается. Последующий нагрев металла осуществляется за счет теплопроводности материала. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и от коэффициента теплопроводности материала. Основным показателем, определяющим эффективность поглощения лазерного излучения металлами, является состояние поверхности. Для увеличения эффективности поглощения целесообразно применять нанесение покрытий с низкой отражающей способностью. В настоящее время используют химические, углеродистые, лакокрасочные и водорастворимые покрытия. В производственных условиях часто используется фосфатирование поверхностей.
Основные виды лазерной обработки можно расположить в следующей последовательности, в зависимости от количества передаваемой энергии: поверхностная термообработка, лазерная сварка, лазерная резка. Эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяется плотностью мощности лазерного излучения Е в зоне обработки. При Е=104 - 105 Вт/см2 происходит активный локальный разогрев материала без оплавления. Оплавление и испарение металла происходит при более высоких показателях - до 1010 Вт/см2.
Лазерная закалка
Лазерную закалку обычно делают при 103 - 104 Вт/см2. При этом сам процесс закалки происходит за счет интенсивного отвода тепла вглубь металла - процесс самозакалки. При лазерной закалке обычно используют лазеры непрерывного действия, они позволяют производить обработку со скоростью 102 - 104 мм/мин. После обработки на поверхности сплава получается закаленная полоса. При закалке больших площадей поверхностей сплавов закалку производят полосами, при этом рекомендуется делать небольшие отступы между этими полосами для предотвращения появления мягких пятен (зон отпуска). После закалки поверхностный слой состоит из зоны оплавления, зоны термического влияния, переходной зоны - зоны отпуска с низкой твердостью и зоны основного металла. Зона термического влияния может представлять собой слой мартенсита насыщенного углеродом и ниже слой неполной закалки. Насыщение азотом происходит из воздуха при воздействии высоких температур.
Лазерная закалка различных сталей
Заэвтектоидные стали рекомендуется упрочнять используя режимы, обеспечивающие получение структур с нерастворёнными карбидами, т.е. процесс лазерной термообработки необходимо проводить с наибольшими скоростями охлаждения. Для этих сталей эффективной считается импульсная закалка с оплавлением поверхности. В среднеуглеродистых легированных сталях типа 40Х, 38ХМ, 65Г, при обработке с минимальным оплавлением, твердость получается выше, чем в среднеуглеродистых сталях без легирующих элементов. Для получения наибольшей твердости в высоколегированных сталях, рекомендуется упрочнять их при малой длительности лазерного излучения. Высоколегированные инструментальные стали типа Х12 и Р18 рекомендуется обрабатывать в узком интервале режимов лазерной обработки, при которых в мартенсите содержится достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. При лазерной термообработке чугунов образуется зона оплавления и зона закалки, а переходная зона выявляется редко. При обработке с оплавлением, графит растворяется в расплаве, а после охлаждения в зоне оплавления формируется структура белого чугуна. Упрочнять чугуны следует при невысокой плотности и небольшой скорости обработки.
Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей: износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др.
Кроме лазерной термообработки, в зависимости от соотношения времени воздействия излучения и плотности мощности этого излучения, применяются и другие методы лазерной обработки. Например лазерное легирование, нанесение покрытий, резка, сварка и т.д.
Классификация лазеров
В зависимости от рабочего тела, лазеры могут быть твердотельные, жидкостные, полупроводниковые и газовые. В зависимости от типа воздействия могут быть импульсными и непрерывного действия.
Основные параметры лазерной обработки
В качестве технологических, при лазерной термообработке используют следующие параметры: когерентность и монохроматичность; интенсивность, измеряемая плотность тока в непрерывном режиме или энергия импульса в импульсном режиме; длина волны; угловая расходимость (обычно 0,01-0,1 градуса); время воздействия на металл.
