Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий Российский патент 2022 года по МПК C21D1/06 C21D1/09 B23K26/14 B82B3/00 

Изобретение относится к области упрочнения, улучшения механических свойств и стойкости к различным видам износа стальных изделий и может использоваться в различных отраслях машиностроения.

Известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки (Патент РФ № 2447012, МПК B82B 3/00, С23С 4/12, B23K 26/34, C21D 1/09, опубликовано 10.04.2012, Бюл. № 10), включающий воздействие перемещаемым лазерным лучом на обрабатываемую поверхность в герметичной камере, заполненной инертным газом, например, аргоном, и газом-модификатором, например, азотом, при этом воздействие лазерным лучом на обрабатываемую поверхность осуществляют с плотностью мощности лазерного пятна на поверхности детали, равной (10⁶-10⁷) Вт/см², и скоростью перемещения, равной 0,1-2 м/с при давлении газов в камере, равном 1,5-2 атм.

Недостатком известного технического решения является необходимость создания вакуумной камеры, заполненной газом под давлением.

Известен также способ лазерной закалки стали при широкой дорожке упрочнения (Патент РФ № 2703768, МПК C21D 1/09, опубликовано 22.10.2019, Бюл. № 30), включающий нагрев поверхности детали сфокусированным лучом лазера с широким пятном излучения до температуры в интервале А_С1^нач-А_С1^кон, последующее непрерывное охлаждение поверхности детали в массу металла охлаждающей жидкостью, подаваемой непосредственно на участок поверхности, температура нагрева которого находится в интервале А_С1^нач-А_С1^кон, с помощью трубок с формированием после охлаждения в поверхностном слое широкой дорожки упрочнения со структурой мартенсита, при этом трубки выполнены с возможностью регулирования расхода охлаждающей жидкости через каждую из них и установлены с возможностью изменения их взаимного положения по направлению относительного движения лазерного луча и объекта обработки.

Недостатком известного способа является необходимость дополнительной подачи охлаждающей жидкости, кроме того, при лазерном воздействии большим пятном на границе основного и упрочненного материалов возможно образование дефектов.

Технический результат – реализация процесса упрочнения стальных изделий, без необходимости применения дополнительной обработки и дополнительного оборудования, с возможностью регулирования глубины упрочнения.

Технический результат достигается тем, что способ лазерной обработки поверхности стальных изделий, включающий лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, согласно изобретению, лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 10⁸-10⁹ Вт/см², длительностью импульсов от 50 до 200 нс с частотой следования 20 кГЦ при наложении лазерных пятен свыше 97 %.

Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий осуществляется следующим образом.

Обработка поверхности стальных изделий производится на технологическом лазерном комплексе, оборудованном иттербиевым импульсным волоконным лазером, где плотность мощности составляет 10⁸-10⁹ Вт/см². Длительность импульсов меняется от 50 до 200 нс. Частота следования лазерных импульсов составляет 20 кГц. Наложение лазерных пятен свыше 97%. При таком способе воздействия на стальное изделие образуются узкие глубокие (50-70 мкм, до 600 мкм) зоны переплавленного материала с твердостью 720 HV (для стали 45), 1150 HV (для стали 40Х).

Для раскрытия сущности заявленного изобретения приводим сведения о возможности его осуществления на примерах.

1. Измерение микротвердости и исследование микроструктуры в зоне обработки и вблизи нее производили на изделиях из сталей марок 45 и 40Х. Воздействие на лазерном технологическом комплексе производилось с плотностью мощности 10⁸…10⁹ Вт/см², длительностью импульсов от 50 до 200 нс, частоте следования 20 кГц без наложения лазерных пятен. После изделия подвергли шлифовке и полировке, затем произвели травление поверхностей стальных изделий и исследовали структуру при помощи оптического микроскопа. При этом наблюдалось испарение стали глубиной 2-3 мкм в зоне лазерного воздействия.

2. Измерения микротвердости и исследования микроструктуры в зоне обработки и вблизи нее, производили на изделиях из сталей марок 45 и 40Х. Воздействие на лазерном технологическом комплексе производилось с плотностью мощности 10⁸…10⁹ Вт/см², длительностью импульсов от 50 до 200 нс, частоте следования 20 кГц и наложением лазерных пятен свыше 97%. После изделия подвергли шлифовке и полировке, затем произвели травление поверхностей и исследовали структуру при помощи оптического микроскопа. Исследования показали, что при перемещении импульсного лазерного излучения с плотностью мощности ~ 10⁹ Вт/см² при длительности импульса 50-200 нс со скоростью меньше 10 мм/с и наложением лазерных пятен 97% и более, наблюдается глубокое «кинжальное» проплавление (~ 600 мкм при воздействии лазерным пятном диаметром ~ 60 мкм). Образуемая область переплавленного материала имеет высокую микротвердость: сталь 45 – 720 HV (при твердости основного материала 220 HV), сталь 40Х – 1150 HV (при твердости основного материала 230 HV).

Для исследования механических свойств стальных изделий были изготовлены цилиндрические образцы, длиной 20 мм и диаметром 6 мм из сталей марок 45 и 40Х. На расстоянии одного лазерного пятна друг от друга были нанесены линии накладываемых импульсов с длительностью 50 - 200 нс со скоростями сканирования лазерного луча 1 - 10 мм/с. Исследование процессов трения и изнашивания произвели на универсальной испытательной машине УМТ-3. Испытание на трение проводили под нормальной нагрузкой 23 Н, скорости скольжения - 0,2 м/с, дистанции 600 м, в качестве контртела использовали диск из стали марки 95Х18, твердость которого составляет 60 HRC. Наименьший износ наблюдается у образцов, подвергнутых лазерному воздействию при перемещении лазерного излучения 1 мм/с и длительности импульсов 200 нс. Износ образца из стали марки 40Х уменьшился с 1,58 мг/мин необработанного до 0,5 мг/мин подвергнутого лазерному воздействию образца. Также данный обработанный образец имеет наибольший коэффициент трения, что говорит о его высокой твердости. С течением времени коэффициент трения данного образца не изменился, что говорит о стабильности образованной структуры.

За счет создания «макрокомпозитов» из чередующихся линий, полученных с помощью «кинжального» проплавления, в широких пределах можно изменять механические свойства изделия. Возможно снижение интенсивности изнашивания материала до трех раз (с 1,58 мг/мин до 0,5 мг/мин для стали марки 40Х). Благодаря полученной форме закаленной области, образованная приповерхностная структура из чередующихся областей основного и закаленного материала, является стабильной и более износостойкой.

Предложенный способ доказывает возможность обработки поверхности стальных изделий, в процессе воздействия на технологическом лазерном комплексе, оборудованном иттербиевым импульсным волоконным лазером. Преимуществом предложенного способа является локализация воздействия, возможность обработки труднодоступных мест на значительном расстоянии. В результате такой обработки получаем глубокое «кинжальное» проплавление металла, без необходимости дальнейшей механической обработки изделия. Таким образом, с помощью лазерных комплексов, оборудованных волоконными лазерами с длительностью импульса десятки-сотни наносекунд, возможно проводить не только гравировку и маркировку поверхностей изделий, но и влиять на приповерхностную структуру материала, изменяя свойства всего изделия.

Изобретение относится к способу лазерной обработки поверхности стальных изделий. Способ включает лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, при этом лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 10⁸-10⁹ Вт/см², длительностью импульсов от 50 до 200 нс, с частотой следования 20 кГц при наложении лазерных пятен свыше 97%. Технический результат заключается в реализации процесса упрочнения стальных изделий без необходимости применения дополнительной обработки и дополнительного оборудования, с возможностью регулирования глубины упрочнения.

Способ лазерной обработки поверхности стальных изделий, включающий лазерное воздействие на поверхность стальных изделий, отличающийся тем, что лазерное воздействие производят посредством технологического лазерного комплекса, оборудованного иттербиевым импульсным волоконным лазером с плотностью мощности 10⁸-10⁹ Вт/см², длительностью импульсов от 50 до 200 нс, с частотой следования 20 кГц при наложении лазерных пятен свыше 97%.