Способ термической обработки металлических изделий

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ воздействием на поверхность изделия луча лазера и дугового разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, воздействие осуществляют при отношении мощности дугового разряда к мощности луча лазера 0,2 - 10.

Изобретение относится к области термической обработки металлических изделий и может быть использовано в автомобильной, машиностроительной, электротехнической и других отраслях народного хозяйства.
Целью изобретения является повышение производительности процесса.
Сущность изобретения заключается в том, что обработку осуществляют при отношении мощности дугового разряда к мощности луча лазера 0,2-10.
Нижняя граница этого отношения приближается к нулю, т.е. дуговой разряд сколь угодно малой мощности можно ввести в пятно лазерной плазмы без дефокусировки разряда. Однако при отношении мощности дуги и луча меньше 0,2 дуговой разряд становится пульсирующим в связи со случайными газзодинамическими флуктуациями облака лазерной плазмы. В результате качество термообработки (твердость и глубина упрочненного слоя) резко падает, упрочненная зона становится прерывистой, неоднородной.
Верхняя граница отношения мощностей определяется тем, что дуга не удерживается в канале, которым является предварительно ионизированная лазером зона термообработки, выходит за пределы этой зоны, энергетические параметры плазмы столба дуги (температура, степень ионизации, концентрация электронов) становятся более высокими, чем параметры лазерной плазмы, и в результате фокусировка дуги нарушается. При этом излучение лазера поглощается в поверхностном слое столба дуги и реализуется практически чисто дуговое воздействие на обрабатываемое изделие с неконцентрированным потоком энергии.
В результате совмещения дугового и лазерного воздействий при предлагаемом соотношении их мощностей можно резко повысить энерговклад в зону обработки с сохранением концентрированности потока и тем самым повысить производительность процесса.
На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 график зависимости микротвердости (сплошная линия) и глубины уплотнения (пунктир) от скорости обработки для различных значений отношения мощности дугового разряда к мощности луча лазера параметр q.
Изобретение иллюстрируется двумя примерами реализации способа термической обработки металлических изделий в сравнении с базовым объектом, в качестве которого выбран традиционный способ лазерной термообработки, эксперименты проводились на чугунных, стальных изделиях, и, кроме того, на изделиях из цветных металлов принципиального различия здесь не имеется.
П р и м е р 1. Термическая обработка чугунных гильз тепловозного дизеля Д 100. Плотность мощности лазерного излучения 0,4 10⁵ Вт/см². Ширина обрабатываемой полосы 5 мм. На поверхность детали 1 (см. фиг.1) с помощью источника лазерного излучения 2, например СО₂-лазера, направляют луч 3 мощностью 1,2 кВт. Дополнительный источник питания дугового разряда 4, например комплектный тиристорный источник типа КТУ-230/50PP, с помощью электрода 5 позволяет создать в зоне взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым изделием электрический разряд 6 мощностью 3,6 кВт.
Режимы термической обработки представлены в таблице. Варьировались значения следующих параметров: отношение мощности дугового разряда к мощности лазерного излучения q 0-12; скорость термообработки V 25-700 мм²/с; полученные твердость упрочненного слоя Н (кг/мм²) и глубина слоя (мкм).
С целью более наглядного представления зависимостей микротвердости и глубины упрочненного слоя от скорости при различных значениях параметра на фиг. 2 приведены соответствующие графики. Видно, что при q 0, q 0,1 микротвердость и глубина упрочненного слоя ниже, чем при q 0,2 (нижняя граница параметра q), как и при q 12 характеристики ниже, чем при q 10 (верхняя граница q). В серии экспериментов наилучшим является режим при q 3.
Таблица позволяет сделать следующие выводы. Номинальный (базовый) чисто лазерный режим дает возможность получить микротвердость Н 600 кг/мм² при глубине упрочненного слоя = 500 мкм при невысокой скорости термообработки V 25 мм²/с. Увеличение энерговклада на 10% позволяет при удвоенной скорости обеспечить заданную микротвердость (600 кг/мм²) на глубине до 450 мкм, т.е. не обеспечивает требования заданного технологического режима. При дальнейшем увеличении скорости глубина упрочненного слоя резко падает до нуля. Начиная с режима при q 0,2, появляется возможность реального повышения производительности процесса термообработки (V 50 мм²/с) с сохранением требования Н 600 кг/мм², = 500 мкм. Разумеется, переход от q 0 к q 0,2 плавный, тем не менее проведенные эксперименты позволили назначить нижнюю границу параметра q 0,2.
При дальнейшем повышении параметра q (существенный отличительный признак) наблюдается возможность дальнейшего повышения скорости термообработки, и лишь начиная с q 10 за счет дефокусировки разряда становится заметным эффект неполного упрочнения слоя. Так q 3 и q 10 при V 100 мм²/с дают близкое качество обработки, однако для второго случая заданной твердости не достигается ( = 500, а не 600). С другой стороны, при V 50 мм²/с значения Н и одинаковы, однако режим при q 3 предпочтительнее, так как поверхность оплавлена частично и при последующей механической обработке (например, хонинговании) требуется удалить меньший слой материала изделия. Лучшим из приведенных режимов является режим, при котором q 3; требуемое качество с неоплавленной поверхностью получено при учетверенной скорости, т.е. производительность процесса увеличена в 4 раза.
П р и м е р 2. Термическая обработка изделий из штамповой стали 9Х (пильные зубья, пуансоны и др. изделия разных отраслей промышленности). Мощность лазерного излучения 2 кВт, диаметр пятна (или ширина обрабатываемых полос) 2 мм. Исходная твердость стали 240-260 кг/мм² (или в системе СИ 2600 МПа), структура сорбита отпуска.
Чисто лазерный режим: при скорости 1,7 м/мин получена глубина упрочненного слоя 470 мкм и твердость 530-810 кг/мм². Поскольку параметр q для типичных случаев упрочнения, как показали эксперименты, применительно к сталям лежит в диапазоне 2-4, то в опытах изменения его именно в этих границах. Для q 2,5 получены лучшие результаты: глубина упрочненного слоя 475 мкм, твердость 550-820 кг/мм² при скорости 5,9 м/мин. Таким образом, производительность термической термообработки увеличена более чем в три раза.
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ воздействием на поверхность изделия луча лазера и дугового разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, воздействие осуществляют при отношении мощности дугового разряда к мощности луча лазера 0,2 - 10.