64456

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЛАЗЕРНИХ І ГІБРИДНИХ ПРОЦЕСІВ НАПЛАВЛЕННЯ ТА МОДИФІКАЦІЇ ПОВЕРХОНЬ МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ

Автореферат

Физика

Саме до них належать нові гібридні технології спрямовані на розширення можливостей лазерної обробки за рахунок спільного використання лазерного випромінювання з іншими джерелами теплової енергії електричною дугою струменем плазми високочастотним...

Украинкский

2014-07-06

3.93 MB

5 чел.

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ХАСКІН

Владислав Юрійович

УДК 621.375.826:621.791.72

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЛАЗЕРНИХ І ГІБРИДНИХ ПРОЦЕСІВ НАПЛАВЛЕННЯ ТА МОДИФІКАЦІЇ ПОВЕРХОНЬ МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2010


Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий консультант:

член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук

Крівцун Ігор Віталійович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України,

заступник директора

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Коржик Володимир Миколайович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України,

завідувач відділом 

доктор технічних наук, професор

Головко Леонід Федорович

Національний Технічний Університет України

«Київський політехнічний інститут»,

заст. зав. кафедрою

доктор технічних наук, професор

Лихошва Валерій Петрович

Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, 

провідний науковий співробітник

Захист відбудеться «20» грудня 2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при НТУУ «Київський політехнічний інститут» за адресою 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ «КПІ»  за адресою  03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «28» жовтня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук

                Р.М. Рижов


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні тенденції розвитку науки і техніки, а також кризові явища останніх років чітко показали, що до найбільш актуальних проблем промислового виробництва відноситься проблема збереження ресурсів. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є подовження експлуатаційного ресурсу деталей машин і механізмів. Основними підходами тут є розробка і використання нових матеріалів або обробка поверхонь існуючих матеріалів, спрямована на максимальне підвищення їхніх властивостей (наприклад, міцності, зносо- і корозійної стійкості). Останній підхід є найбільш доцільним з економічної точки зору, однак його реалізація традиційними методами (об’ємної термообробки, обробки поверхонь деталей з використанням ТВЧ і дугових технологій) ускладнюється через обмеженості можливостей таких джерел тепла, які пов’язані із недостатньою концентрацією енергії.

Для розв’язання вказаної проблеми в останні роки розроблюються і використовуються такі нові способи обробки поверхні, як плазмові, електронно-променеві та лазерні. До переваг перших відносяться висока продуктивність і порівняно невелика собівартість (як показано, наприклад, в роботах Ю.С.Борисова), до переваг других (роботи О.К.Назаренка, Б.А.Мовчана) і третіх (роботи Л.Ф.Головка, В.П.Ліхошви) – висока стабільність і локальність термічного впливу на матеріал, що оброблюється. До переваг третього способу (на відміну від другого) належить також відсутність необхідності у вакуумуванні деталі, яка оброблюється. Зі сказаного слідує, що найбільший інтерес будуть становити такі способи поверхневої обробки (запропоновані в роботах E.Beyer, S.Sasaki), які поєднують переваги першого і третього. Саме до них належать нові гібридні технології, спрямовані на розширення можливостей лазерної обробки за рахунок спільного використання лазерного випромінювання з іншими джерелами теплової енергії – електричною дугою, струменем плазми, високочастотним електромагнітним полем (наприклад, роботи W.M.Steen, M.Hamasaki, U.Dilthey, C.L.M.Coddet, L.N.Jian тощо). Як показав в своїх трудах І.В.Крівцун, метою розробки гібридних процесів є збереження і, по можливості, підсилення характерних для кожної із складових переваг, при одночасному взаємному усуненні основних їх недоліків. При цьому лазерна потужність може частково замінятися більш дешевою дуговою або плазмовою, що дозволяє використовувати лазери меншої потужності (у сполученні з плазмовим або дуговим обладнанням), в результаті чого значно зменшується загальна вартість обладнання і експлуатаційні витрати.

В останнє десятиріччя відбувається підвищення зацікавленості дослідників у розробці і промисловому застосуванні лазерних технологій обробки поверхні. Це, зокрема, зв’язано із появою нової лазерної техніки, до якої відносяться компактні потужні лазери із підвищеним ККД і автоматизовані технологічні комплекси із комп’ютерним управлінням на їх основі. Технології лазерної обробки поверхні зазвичай застосовують для досягнення такого ефекту, якого неможливо одержати іншими методами. В першу чергу це стосується отримання дрібнокристалічних структур, високої зносо- і корозійної стійкості, прецизійної обробки, можливості наплавляти або модифікувати шари металу товщиною 0,1…3,0 мм, мінімізації залишкових деформацій, високої локальності термічного впливу на основний метал (ОМ) тощо. Процеси лазерної термічної обробки поверхонь металевих виробів детально вивчалися як вітчизняними (наприклад, школа проф. В.С.Коваленка), так і зарубіжними (наприклад, Y.Arata, G.Sepold) дослідниками. Нажаль, порівняно із станом досліджень інших лазерних технологій, процеси лазерного наплавлення і поверхневого легування на сьогодні вивчені ще недостатньо. В першу чергу це стосується систематизації наявних знань, відсутності узагальнюючих підходів до вибору режимів обробки тощо. Так, наприклад, в роботах дослідників московської школи А.Г.Григорьянца цим питанням приділена недостатня увага, а їх результати носять переважно констатуючий характер. У той же час, наприкінці ХХ сторіччя лазерне наплавлення одержало промислове застосування в країнах СНД завдяки роботам О.О.Величко (Україна), В.Е.Архипова (Росія) і О.Г.Девойно (Білорусія). Так, лазерне наплавлення стали застосовувати для відновлення голок і крючків у швейній промисловості, осей рокерів та самих рокерів у двигунах внутрішнього згоряння, колінчастих валів мотоциклів і компресорів, шарових пальців, зубців шестерень, посадочних місць вал-шестерень і автомобільних напівосей, матриць і пуансонів прес-форм та багатьох інших деталей. В результаті знання, що стосуються лазерного наплавлення і легування, набули характер недостатньо узагальнених і переважно емпіричних рекомендацій.

Не зважаючи на широкі можливості, які забезпечують лазерні технології зміцнення і відновлення деталей, в нашій країні за останнє десятиріччя спостерігається певна негативна тенденція зменшення об’ємів їх промислового застосування. На нашу думку, зниження показників впровадження вказаних технологій викликано низкою недоліків існуючих підходів до розв’язання промислових задач: недостатність об’єму знань про особливості протікання фізичних процесів, відсутність необхідних математичних моделей і, відповідно, можливості попереднього моделювання цих процесів, відсутність універсальної методики розв’язання типових практичних задач і, як наслідок, розробка технологічних процесів на основі застарілих емпіричних рекомендацій.

Тому дослідження, спрямовані на створення нових, науково обґрунтованих підходів і методів розв’язання широкого спектру задач в галузі процесів фізико-технічної обробки поверхні з використанням лазерного випромінювання, є актуальною науково-технічною проблемою. Вирішення цієї складної проблеми є неможливим без проведення комплексу досліджень процесів лазерної, гібридної та комбінованої обробки поверхонь деталей; розвитку наукових основ цих процесів з метою створення універсальної методики вибору параметрів технологічних режимів і прийомів, які забезпечують потрібні якість, функціональні характеристики і властивості деталей при наплавленні і модифікуванні їх поверхонь.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України відповідно до планів фундаментальних і прикладних робіт за такими темами: 77/4 «Дослідження оптимальних параметрів ВЧ-струму, лазерного та електронного пучків як джерел нагріву для зварювання та пайки і розробка на їх основі енергозаощаджуючого устаткування» (0197U014897); 77/5 «Розробка технології зварювання стикових швів конструкційних сталей та наплавки зносостійких шарів на тіла обертання з використанням взаємодії концентрованих джерел нагріву» (0100U004964); 77/1 «Розробка технології і технологічного комплексу для гібридного лазерно-дугового зварювання металів середніх та великих товщин з високочастотними джерелами живлення» (0103U005422); 77/33 «Дослідження взаємодії металів з лазерним випромінюванням різної довжини хвиль з метою розробки нових методів одержання покриттів із аморфних, квазіаморфних та композитних матеріалів, стійких проти стирання і їх нероз`ємних з`єднань» (0102U005846); 77/34 «Розробка гібридних лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів зварювання і обробки матеріалів, а також створення нових функціональних покриттів з наперед заданими властивостями» (0102U005772); 77/3 «Розробка технології та обладнання для лазерного різання та зварювання тонкостінних складнопрофільних конструкцій із сталей і кольорових сплавів» (0107U000511); 73,77,22/28 «Дослідження фізико-хімічних і теплових явищ, при нанесенні покриттів і модифікуванні в умовах гібридних і комбінованих лазерно-плазмових процесів» (0107U002631). Зазначені науково-дослідні роботи, виконавцем та відповідальним виконавцем яких був здобувач, стали основою для підготовки і представлення даної дисертації.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток науково-технологічних основ процесів наплавлення і модифікування поверхонь металевих виробів з використанням лазерного випромінювання шляхом дослідження теплових і фізико-металургійних явищ, що супроводжують вказані процеси; створення на цій базі узагальненої розрахунково-експериментальної методики попереднього оцінювання і вибору параметрів технологічних режимів, які забезпечують потрібні якість і функціональні характеристики поверхонь деталей, що оброблюються.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні завдання:

1. Аналіз сучасного стану і тенденцій розвитку процесів інженерії поверхні із використанням лазерного випромінювання.

2. Дослідження фізичних процесів при лазерній і гібридній обробці металевих поверхонь.

3. Дослідження фізико-металургійних особливостей процесів наплавлення і модифікування поверхонь металевих виробів з використанням лазерного випромінювання.

4. Побудова узагальненої розрахунково-експериментальної методики визначення параметрів режиму і вивчення впливу техніки лазерної та гібридної обробки на якість і функціональні властивості поверхні.

5. Розробка і впровадження технологічних процесів модифікування і наплавлення поверхонь металевих виробів з використанням лазерного випромінювання.

 

Об'єкт дослідження – технології наплавлення й модифікування поверхонь металевих виробів з використанням лазерного випромінювання.

Предмет дослідження – теплові та фізико-металургійні процеси, що відбуваються в оброблюваному шарі при лазерній та гібридній обробці поверхонь металів і сплавів.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених завдань і отримання основних результатів дисертаційної роботи використовувались такі сучасні методи дослідження, як: математичне моделювання, а також аналітичні і числові методи аналізу фізичних явищ, які супроводжують процеси наплавлення і модифікування металевих поверхонь, що розглядаються; акустичні та хронографічні методи контролю; оптичне і механічне вимірювання геометричних параметрів наплавлених та модифікованих шарів; металографічні дослідження одержаних структур за допомогою оптичної і електронної мікроскопії; вимірювання внутрішніх залишкових напружень шляхом рентгенофазового аналізу; мікродюрометричний аналіз; трибологічні дослідження властивостей наплавлених та модифікованих шарів методом вимірювання зносостійкості та коефіцієнта тертя в умовах сухого тертя і тертя із обмеженим змащуванням. У випадках вимірювання зносостійкості, коефіцієнта тертя і мікротвердості для підвищення достовірності показники, що отримували, усереднювали за кількома (від 3 до 10) зразками.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі проведено комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на забезпечення потрібних якості та функціональних характеристик поверхонь деталей при наплавленні і модифікуванні поверхневих шарів з використанням лазерного випромінювання. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- встановлено нові закономірності формування напружено-деформованого стану наплавлених і модифікованих за допомогою лазерного випромінювання шарів в залежності від характеру термічного циклу обробки і теплофізичних властивостей матеріалів, запропоновано шляхи управління ним за рахунок застосування спеціальних прийомів лазерної обробки та використання додаткових теплових джерел;

- в результаті теоретичних і експериментальних досліджень теплових процесів при лазерній обробці металевих поверхонь показано, що в умовах сталого режиму енергія, яка витрачається на нагрівання і зміну фазового стану системи «наплавлений або модифікований шар – основний метал», становить (по відношенню до енергії випромінювання, що падає) від 15% для сплавів на Fe-основі до 30% для сплавів на Ni-основі при довжині хвилі λ=10,6 мкм і від 40% для Fe-сплавів до 60% для Ni-сплавів при λ=1,06 мкм; у випадку гібридної обробки до цієї енергії додається енергія дугового джерела тепла, яка становить близько 50% електричної енергії дуги непрямої дії або близько 75% для дуги прямої дії;

- запропонована спрощена математична модель теплових процесів в системі «наплавлений або модифікований шар – ОМ», яка дозволяє враховувати поверхневе випаровування матеріалу, а також залежність коефіцієнту поглинання лазерного випромінювання від довжини хвилі, температури і складу присаджувального або основного металу, що дає можливість із достатньою точністю прогнозувати параметри режиму обробки із урахуванням критерію мінімізації тепловкладання;

- вперше за допомогою рентгеноструктурних вимірів залишкових напружень першого роду у наплавлених і модифікованих шарах встановлено, що за рахунок використання гібридних або комбінованих процесів, які дозволяють модифікувати термічний цикл лазерної обробки, залишкові напруження значно (на третину й більш) зменшуються, що в кінцевому результаті дозволяє підвищити зносостійкість на 15…25% та зменшити коефіцієнт тертя приблизно у 1,5 рази по відношенню до відповідної лазерної обробки;

- показано, що для збереження основних переваг лазерної обробки металевих поверхонь (високих локальності термічного впливу і швидкості обробки) із одночасним усуненням її характерних недоліків (в першу чергу тріщин) при реалізації гібридної або комбінованої обробки необхідно забезпечити певне співвідношення потужностей лазерного і допоміжного джерел енергії (наприклад, для лазерно-плазмового або лазерно-дугового процесів – в межах від 2:1 до 1:2);

- в результаті експериментальних досліджень схильності до утворення внутрішніх пор у наплавлених або модифікованих шарах, одержаних із використанням лазерного випромінювання, вперше встановлено, що необхідними умовами одержання бездефектних шарів є перевищення погонної енергії процесу рівня 80…100 Дж/мм, а часу існування рідкої ванни – 0,13…0,15 с;

- експериментально виявлено ефект заглиблення активної плями електричної дуги у вузьку розробку через створення покращених умов формування каналу струму дуги за рахунок лазерного випаровування матеріалу, що оброблюється;

- на основі проведених досліджень процесів обробки металевих поверхонь за допомогою лазерного випромінювання вперше запропонована універсальна розрахунково-експериментальна методика вибору оптимальних режимів цих процесів за критеріями мінімізації тепловкладання і кількості характерних дефектів.

Практичне значення. Встановлені в роботі закономірності процесів лазерної, гібридної та комбінованої обробки поверхні, а також вимоги до умов їх реалізації дозволили створити допоміжне обладнання, яке забезпечує технологічні прийоми і режими обробки, що гарантують одержання потрібної якості і функціональних характеристик поверхонь виробів. До такого обладнання відносяться: сканатор лазерного випромінювання, дозатор для подачі порошкових матеріалів, індуктори для супутнього ВЧ-підігріву, системи захисту і подачі газів у ванну розплаву, спеціалізовані лазерно-дугові пальники і гібридні плазмотрони. Практична цінність роботи міститься в наступному:

- за результатами лабораторних випробувань на зносостійкість і ходових випробувань деталей двигунів внутрішнього згоряння і ходової частини автомобільного транспорту, які працюють в парах тертя-ковзання в умовах рідкого та твердого змащування при навантаженнях до 1,0…1,5 МПа і швидкостях до 8 м/с, показана можливість використання таких деталей з наплавленими лазерним способом шарами, кількість мікротріщин в яких знаходиться в межах 25…60% за показником тріщиноутворення;

- для відновлення подібних деталей, які працюють в парах тертя-ковзання в умовах рідкого і твердого змащування при навантаженнях понад 1,0…1,5 МПа і швидкостях, більших ніж 8 м/с, потрібно забезпечити показник тріщиноутворення не вищий за 15%, і зменшити залишковий напружений стан в наплавлених шарах мінімум на 25…35%, що досягається за рахунок застосування гібридних або комбінованих процесів наплавлення (наприклад, лазерно-мікроплазмового або лазерного із супутнім ВЧ-підігрівом);

- розроблена технологія поверхневого лазерно-мікроплазмового легування сталевих шийок тепловозного колінчастого вала, яка дозволяє знизити коефіцієнт тертя (з 0,24…0,26 до 0,15…0,20 при навантаженнях 0,2…0,6 кН) і одночасно підвищити задиростійкість (до 0,8 кН на швидкості ковзання 1,3 м/с), що дає можливість підвищити ККД двигунів внутрішнього згоряння;

- розроблена технологія і визначені параметри режимів лазерно-дугового наплавлення поршнів двигунів внутрішнього згоряння з алюмінієвих сплавів, яка дозволяє без попередньої механічної обробки заплавляти канавки прямокутної форми зі швидкістю від 50 м/год і вище при використанні лазерного випромінювання з густиною потужності не меншою за 5·105 Вт/см2;

- розроблено і впроваджено спосіб лазерного зварювання нещільно прилягаючих тонких (0,5…1,0 мм) сталевих крайок для виготовлення трубчастих фільтруючих елементів з сітчастими стінками, яке здійснюється за технологічною схемою лазерного порошкового наплавлення на мідній підкладці й дозволяє з’єднувати як суцільні, так і перфоровані крайки (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», м. Чернівці);

- розроблені та впроваджені технології лазерної термообробки і лазерно-мікроплазмового модифікування довговимірних внутрішніх поверхонь виробів з комплексно легованих сталей (Завод ім. Малишева, м. Харків), комбінованого відновлювального лазерного наплавлення з ВЧ-підігрівом шийок осей і лазерної термообробки поверхонь катання колісних пар залізничних вагонів (вагоноремонтний завод, м. Нижній Удінськ, Росія), ремонтного лазерного наплавлення деталей автомобільних двигунів і ходової частини (ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАНУ), відновлювання штампового оснащення і прес-форм (ЗАО «Укрпласт», м. Київ, ООО «Костал Украина», м. Переяслав-Хмельницький), а також деталей поліграфічних машин (АО «Электронполиграфсервис», м. Київ).

Теоретичні положення і практичні рекомендації із зміцнення і відновлення деталей машин і механізмів модифікуванням та наплавленням із застосуванням лазерного випромінювання можуть бути використаними у навчальному процесі при підготовці студентів і аспірантів технічних спеціальностей.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі авторові належать: постановка мети і обґрунтування задач дослідження, вибір наукових підходів до їх вирішення, аналіз особливостей і тенденцій розвитку лазерних і гібридних технологій наплавлення і поверхневого зміцнення металів і сплавів [2, 3, 5, 25, 27], постановка і розв’язання теплофізичних задач наплавлення, нанесення покриттів, легування і зміцнення за допомогою лазерного випромінювання, створення алгоритму вибору параметрів режиму обробки, планування і проведення експериментів з лазерної, гібридної та комбінованої обробки поверхні, обробка результатів механічних випробувань. Автором проаналізована схема розподілу потужностей лазерного випромінювання при лазерному наплавленні, яка дозволила створити метод розрахунку термічних циклів процесу і розподілу температури по глибині системи “наплавлений шар – основний метал”. Особисто автором виконані обробка і аналіз усіх експериментальних даних, сформульовані висновки за результатами металографічних і механічних випробувань, спрогнозовано поведінку оброблених виробів в процесі експлуатації [6, 7, 9, 10, 12, 22, 25-27, 29, 33]. Автором проаналізовані причини та особливості утворення характерних дефектів досліджених процесів і запропоновані методи їх усунення [1-5, 11, 13-18, 23-25, 28, 30-33]. Шляхом поєднання розрахункового підходу з експериментальними дослідженнями і літературними даними автором розроблена розрахунково-експериментальна методика вибору параметрів режиму лазерної, гібридної або комбінованої поверхневої обробки. На підставі проведених досліджень автором розроблені та впроваджені процеси лазерного і лазерно-плазмового наплавлення і модифікування поверхонь сталевих та чавунних виробів.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації докладалися і обговорювалися на міжнародних та всеукраїнських науково-технічних конференціях і семінарах: Сonference «MESOMECHANICS'98» (Tel-Aviv, Israel, 31 may – 2 june, 1998); Міжнародна конференція «Сварка и родственные технологии – в XXI век» (24-27 листопада 1998 р., Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона); International Conference on Laser Technologies in Welding and Materials Processing (Ukraine, Crimea – 1-st in May 19-23, 2003; 2-nd in May 23-27, 2005; 3-rd in 29May-1June, 2007; 4-th in May 25-29, 2009); Конференція молодих вчених та спеціалістів «Отримання, властивості та застосування надтвердих матеріалів» (м. Київ, ІНМ ім. В.М.Бакуля, 12-13 листопада 2002 р.); Перша науково-практична конференція молодих учених «Металознавство та обробка металів» (м. Київ, ФТІМС НАН України, 26-28 лютого 2003 р.); Україно-російський семінар «Лазерные технологии и опыт их внедрения» (м. Київ, 31 жовтня 2003 р.); ІХ Міжнародна науково-технічна конференція «Проблемы сварки, металлургии и родственных технологий» (Грузія, Тбілісі, 21-22 жовтня 2004); Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (п.г.т. Ворзель, ІЕЗ ім. Є.О.Патона – 1-а 22-24 травня 2001 р., 2-а 25-27 червня 2003 р., 3-я 25-27 травня 2005 р., 4-а 23-25 травня 2007 р., 5-а 27-29 травня 2009 р.); 8-ий Міжнародний Конгрес «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (Україна, м. Харків, ННЦ «ХФТИ», ИПЦ «Контраст», 2007 р.); Сonference IWOTE’08 (BIAS, April 22-23, 2008, Bremen, Germany); Всеукраїнська науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих науковців «Зварювання та споріднені процеси і технології» (м. Миколаїв, НУК, 3-7 вересня 2008 р.); V Міжнародна науково-технічна конференція «Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок» (м. Запоріжжя-Алушта, 22-27 вересня 2008 р.); Четверта конференція молодих вчених та спеціалістів «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування»  (м. Київ, ІНМ НАНУ 15-16 жовтня 2008 р.); Всеукраїнська конференція молодих вчених «Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології. СММТ-2008» (м. Київ, 12-14 листопада 2008 р.); Міжнародна конференція «Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие» (м. Київ, ІЕЗ ім. Є.О.Патона, 24-26 листопада 2008 р.); IX Міжнародна молодіжна науково-практична конференція «Людина і Космос» (м. Дніпропетровськ, 2009 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 38 робіт, з них 29 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 491 сторінок, включаючи 38 таблиць, 221 малюнок, список літератури з 401 найменування на 28 сторінках і додатків на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні завдання досліджень, описано об'єкт і методи досліджень, зазначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок автора.

Перший розділ присвячено аналізу сучасного стану досліджень і тенденцій розвитку лазерних технологій в галузі інженерії поверхні. Ці дослідження, переважно, спрямовані на розв’язання проблеми ресурсозбереження шляхом підвищення експлуатаційного ресурсу деталей машин і механізмів. Для вирішення вказаної проблеми найбільш доцільно використовувати такі технології обробки поверхні матеріалів, які здатні максимально покращити властивості останніх (наприклад, підвищити міцність, зносо- і корозійну стійкість). До цих технологій, зокрема, відносяться процеси наплавлення і модифікування поверхонь деталей, основані на використанні лазерного випромінювання.

Переваги застосування лазерних технологій обробки поверхні можна розглянути на прикладі лазерного наплавлення. Від інших наплавочних процесів воно відрізняється низькими значеннями погонної енергії, мінімальною товщиною стінки і малими розмірами деталі, що наплавляють, а також малою часткою основного металу в наплавленому (табл.1).

На підставі огляду літературних джерел визначені найбільш вірогідні дефекти шарів, що одержані при наплавленні з використанням лазерного випромінювання: утворення пор, тріщин, відшарування покриттів, дефекти їх геометрії. Встановлено, що пошук оптимальних режимів обробки металевих поверхонь за допомогою лазерного випромінювання доцільно вести в таких діапазонах варіювання параметрів: потужність Р=800…5000 Вт для випромінювання з довжиною хвилі λ=10,6 мкм, Р=100…4000 Вт – для λ=1,06 мкм і Р=50…2000 Вт – λ=0,808/0,940 мкм; швидкість V=20…300 м/год; діаметр плями фокусування dП=0,5…5,0 мм; масові витрати присаджувального матеріалу GП=0,1…1,0 г/с.

Таким чином, аналіз сучасного стану розвитку лазерних технологій в галузі інженерії поверхні показав, що наукові основи лазерних і гібридних процесів були закладені такими дослідниками, як W.M.Steen, Y.Arata, G.Sepold, C.L.M.Coddet, А.Г.Григорьянц, В.С.Коваленко, О.А.Величко та ін. Надалі роботи у цьому напрямку продовжували розвивати як вказані автори, так і інші дослідники (U.Dilthey, E.Beyer, L.N.Jian, S.Sasaki, І.В.Крівцун, О.Г.Девойно тощо). Однак, не дивлячись на значну кількість робіт в цьому напрямку, до цих пір відсутні систематизовані науково-технологічні підходи до розв’язання задач лазерного й, особливо, гібридного наплавлення і модифікування поверхонь, а також методики науково обґрунтованого вибору параметрів технологічних режимів. Це не дозволяє ефективно розробляти і впроваджувати нові технології лазерної обробки поверхні.

Другий розділ присвячено дослідженню фізичних процесів, що відбуваються при лазерній і гібридній обробці металевих поверхонь. Згідно літературним даним, в процесах лазерної поверхневої обробки використовуються густини потужності випромінювання в межах [Вт/см2]. Аналіз балансу енергії при лазерному наплавленні дозволив розробити схему, приведену на рис.1, згідно якої енергія лазерного джерела розподіляється наступним чином

.       (1)

Тут Рл – потужність сфокусованого лазерного випромінювання; Рф – потужність, поглинена в об’ємі плазмово-парового факелу;  – потужність лазерного випромінювання, що падає на поверхню оброблюваного матеріалу. Потужність Рф витрачається на теплове випромінювання і конвективно-кондуктивний теплообмін плазмово-парового факелу із оточуючим газом (Рф), а також на теплопередачу від лазерної плазми до оброблюваного матеріалу (Рпл):

.                                                    (2)

Таким чином, потужність, яка відводиться у виріб:

,                                                 (3)

де А – коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання поверхнею металу, що наплавляється. Відповідно, віддзеркалена потужність . У випадку гібридного наплавлення величина Рпл може бути вираженою наступним чином:

,                                                     (4)

де η – ефективний ККД нагрівання металу дуговою плазмою; I, U – струм і напруга на дузі.

Потужність, яка вводиться у виріб, витрачається на його нагрівання (), плавлення основного і присаджувального матеріалу, а також поверхневе випаровування шару, що наплавляється (Рисп). Для вибору параметрів режиму обробки необхідно оцінити динаміку зміни температурного поля в системі «наплавлений шар – ОМ», яке виникає в результаті дії лазерного (рис.2,а) або комбінованого лазерно-плазмового (лазерно-дугового) джерела тепла (рис.2,б) на оброблювану поверхню.

а) б)

Рис.2. Схеми розподілу: а) – температур T(z,t) по глибині z системи «наплавлений шар – ОМ» при лазерному наплавленні; б) – теплових потоків від лазерного qл (радіусом Rл=dП/2) і плазмового qпл (радіусом Rпл) джерел тепла при лазерно-плазмовому (лазерно-дуговому) наплавленні.

Для визначення розподілу температурного поля в системі «наплавлений шар – ОМ» товщиною Н (рис.2,а) використовуються наступні припущення:

  1.  висота наплавленого або модифікованого шару h, а також глибина, на якої відбувається помітна зміна температурного поля в системі «наплавлений шар – ОМ», є значно меншою за поперечні розміри теплового джерела dП (), що із достатньою точністю дозволяє розглядати процес теплопереносу в рамках одномірного (по глибині) наближення для одержання необхідної оцінки розподілу температур T(z,t);
  2.  при нагріванні поверхні металевого розплаву вище за температуру кипіння процес конвективного випаровування і розльоту металевої пари може бути описаний в рамках моделі, запропонованої Найтом [Найт Ч. Дж. Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавления // Ракетная техника и космонавтика. – 1979. – № 5. – C. 81-86].
  3.  час експозиції випромінювання на певній ділянці поверхні системи визначається залежністю

                                                         (5)

де dП=2Rл – діаметр плями фокусування лазерного пучка, V – швидкість наплавлення.

Інтенсивність випромінювання Wp, яке падає на оброблювану поверхню, визначається залежністю . Тоді тепловий вплив лазерного пучка на розглянуту ділянку поверхні металевого зразку можна представити у вигляді поверхневого джерела тепла густиною , яке діє на протязі часу τ.

У випадку, показаному на рис.2(б), складові часу експозиції

; ; .                                  (6)

Тоді інтегральний тепловий потік при комбінованому (лазерно-плазмовому або лазерно-дуговому) наплавленні становитиме

де  – тепловий потік, який вводиться дуговою плазмою.

З урахуванням зроблених наближень рівняння переносу тепла в розглянутій системі, при лазерному і комбінованому наплавленні, можна записати у вигляді

,                             (8)

де – ефективна теплоємність металу (з урахуванням прихованої теплоти плавлення), густина і коефіцієнт теплопровідності, відповідно. Надалі С1(Т), ρ1(Т), λ1(Т) – для металу наплавленого шару, С2(Т), ρ2(Т), λ2(Т) – для основного металу. На границі «наплавлений шар – ОМ» виконується умова ідеального теплового контакту

; .                         (9)

Граничні умови для рівняння (8) запишемо у вигляді

.                             (10)

Тут – втрати тепла на випромінювання з поверхні до навколишнього середовища,  – ступінь чорноти поверхні металу, постійна Стефана-Больцмана,  – температура навколишнього середовища,  – питомі втрати тепла на випаровування,  – питома теплота пароутворення, – питомий масовий потік пари, ,  – густина металевої пари і швидкість його розлітання поблизу поверхні випаровування. Початкові умови для рівняння (8) запишемо у вигляді

.                                             (11)

Для замкнення задачі (8) – (11) скористалися моделлю Найта, згідно якій поблизу поверхні випаровування металу існує кнудсенівський шар товщиною порядку кількох довжин вільного пробігу частинок пари, за межами якого (у газодинамічній області течії) встановлюється рівновага за поступальними ступінями свободи цих частинок. Використали наступні співвідношення, що пов’язують густину  і температуру  пари на межі кнудсенівського шару, із густиною насиченої пари  і температурою поверхні розплаву :

                                 (12)

                 (13)

Тут , – газова постійна, – показник адіабати пари, яку вважаємо одноатомним ідеальним газом, – число Маха на межі кнудсенівського шару. Тиск насиченої пари знаходиться з рівняння Клайперона-Клаузіуса, а густина з рівняння стану ідеального газу . Швидкість  і тиск  пов’язані із густиною  і тиском  у зовнішньому газі через співвідношення на ударній хвилі:

.                                          (14)

Для чисельного розв’язання задачі (8) (11), з урахуванням (12) – (14), використовували метод кінцевих різниць із залученням неявної різницевої схеми. Чисельна реалізація нелінійностей, обумовлених втратами тепла на випромінювання і випаровування, здійснювалася методом ітерацій нелінійного різницевого рівняння, яке є сітковим аналогом умови локального балансу енергії на поверхні пластини. В результаті для різних матеріалів, які нагріваються лазерним випромінюванням, було встановлено, що у досліджуваному діапазоні густин потужності максимально можливим є перегрів поверхні ванни розплаву вище температури кипіння приблизно на 20…60ºС.

Модель (8) (14) дозволяє розрахунковим способом визначати параметри режимів лазерного, гібридного та комбінованого наплавлення і поверхневого модифікування. Так, для випадку наплавлення оптимізацію розрахунку режиму пропонується вести за критерієм мінімізації тепловкладання:

T(h,t)=Тпл+Тпер ,                                                (15)

де Тпл – температура плавлення металу основи, Тпер – температура перегріву (Тпер0). Для випадків термічного зміцнення критерій оптимізації має вигляд

TAc1T(h,t)пл ,                                                (16)

де ТАс1 – температура фазового переходу в точці АС1 за відповідною для обраного основного матеріалу діаграмою стану.

Витрати присаджувального матеріалу GП в процесах наплавлення визначаються за залежністю

.                                      (17)

Для проведення розрахунків основні та присаджувальні матеріали були розділені на кілька характерних груп, обрані типові представники і визначені їхні теплофізичні характеристики. Для усіх груп матеріалів і запропонованих схем технологічних процесів лазерного, гібридного та комбінованого наплавлення і поверхневого модифікування проведені розрахунки і визначені оптимальні (з позицій мінімального тепловкладання) параметри технологічного режиму (для лазерних – Р, V, dП, GП, для комбінованих – додатково Рпл, Rпл). Розглянемо приклад лазерного наплавлення сталі 20ХН сплавом на Ni-основі з 8…16%Cr. Результати розрахунку наведено на рис.3 при наступних значеннях параметрів: h=0,8 мм, Р=2,5 кВт, dП=3 мм. Оптимізація розподілу Т(z,t) за критерієм (15) дозволила обрати швидкість V=52 м/год (рис.3,а). У зв’язку із малим часом нагрівання (τ=0,206 с) положення нижньої межі ЗТВ визначали за часом зміни кількості аустеніту і цементиту в твердої фазі згідно рівнянню Фіка (рис.3,б). Далі, згідно (17), визначали масові витрати присаджувального порошку – GП=0,24 г/с.

а) б)

Рис.3. Розподіл (а) температури по глибині при лазерному наплавленні сплаву на Ni-основі із 8…16%Cr на пластину із сталі 20ХН товщиною 5 мм і термічний цикл (б) в нижній частині ЗТВ (0,5 с від піку нагрівання до встановлення температури точки Ас3).

Для порівняння розрахункових результатів із експериментальними, засобами оптичної пірометрії та за допомогою термопар вимірювали температуру оброблюваної поверхні. Ці виміри дозволили побудувати гілки нагрівання і охолодження для термічних циклів лазерної та лазерно-мікроплазмової обробки (рис.4). Порівняння показало, що розбіжність між експериментом і розрахунком не перевищує 10%, що є прийнятним для подальшого використання розробленої математичної моделі в технологічних розрахунках.

а) б)

Рис.4. Термічні цикли лазерного (а) і лазерно-мікроплазмового (б) оплавлення поверхні сталі 20ХН (неперервна лінія – розрахунок, пунктирна – виміри): Р=2,5 кВт, V=60 м/год, dП=3 мм, dпл=5 мм, I=43 А, U=30 В.

Подібні розрахунки і експериментальні дослідження проводилися для широкого кола основних та присаджувальних матеріалів. На основі порівняння одержаних розрахункових і експериментальних даних було оцінено складові наведеного вище енергетичного балансу процесів лазерного і гібридного наплавлення. В умовах сталого режиму сумарна енергія лазерного пучка поділяється на наступні частини. Енергія лазерного випромінювання, яка витрачається на нагрівання системи «наплавлений або модифікований шар – ОМ» і її поверхневе випаровування, становить від 15% для сплавів на Fe-основі до 30% для сплавів на Ni-основі при довжині хвилі λ=10,6 мкм і від 40% для Fe-сплавів до 60% для Ni-сплавів при λ=1,06 мкм. Енергія, що віддзеркалюється поверхнею рідкої ванна – від 60% для Ni-сплавів до 75% для Fe-сплавів при λ=10,6 мкм і, відповідно, від 40% для Ni-сплавів до 60% для Fe-сплавів при λ=1,06 мкм. Енергія лазерного випромінювання, що поглинається у плазмово-паровому факелі, при λ=10,6 мкм не перевищує 10%, частина якої передається від факелу ванні розплаву. У випадку гібридної лазерно-дугової обробки до енергії лазерного випромінювання, що йде на нагрівання системи «присаджувальний матеріал – ОМ», додається енергія дугового джерела тепла, яка становить близько 50% електричної енергії для дуги непрямої дії або близько 75% для дуги прямої дії.

Таким чином, створено математичну модель, що дозволяє проводити розрахункову оцінку розподілу температур по глибині системи «наплавлений або модифікований шар – ОМ». Така оцінка, з урахуванням критерію мінімізації тепловкладання, може бути використана для попереднього вибору параметрів режиму обробки і наступного корегування цих параметрів з використанням експериментальних даних. Даний підхід дозволяє суттєво скоротити необхідну кількість експериментів.

Третій розділ присвячено дослідженням фізико-металургійних особливостей процесів наплавлення і модифікування поверхонь металів і сплавів. В ході цих досліджень аналізувалися такі характерні дефекти оброблених шарів, як мікротріщини і пори. Для цього проводили металографічні дослідження наплавлених або модифікованих зразків, реєстрували кількість і характер розповсюдження мікротріщин, встановлювали наявність внутрішніх та зовнішніх пор. Також проводили дюрометричний аналіз зразків.

Зроблена за допомогою термопар реєстрація швидкостей охолодження сталей в діапазоні температур 800…500ºС (так звана швидкість V8/5) показала, що при переході від лазерної обробки до комбінованої лазерно-плазмової вони зменшуються з 400…700ºС/с до 200…400ºС/с. Це сприяє зниженню кількості мікротріщин. Для кількісної оцінки цього явища було введено показник тріщиноутворення α (, де L – середня відстань між тріщинами, мм). Для випадку лазерного наплавлення встановлено залежності експлуатаційних характеристик наплавлених самофлюсними сплавами системи Ni-Cr-B-Si шарів від нього (рис.5). Такий підхід дозволяє робити прогнози відносно експлуатаційних можливостей наплавленої поверхні за її візуальним оглядом, виміром значення L і визначенням параметра α.

Рис.5. Вплив кількості мікротріщин в наплавлених лазерним способом шарах, яка визначається показником тріщиноутворення α [%], на допустимі навантаження N [МПа] і експлуатаційну швидкість [мм/с] при роботі пар тертя-ковзання в умовах обмеженого змащування.

Дослідження процесів тріщиноутворення дозволили зробити припущення відносно їх зв’яжу із тимчасовими напруженнями, які виникають в процесі обробки. Фазовий рентгеноструктурний аналіз дозволив виявити характерні тверді фази (бориди, карбіди і карбобориди), а також визначити залишкові напруження першого роду в наплавлених шарах. Акустична реєстрація тріщиноутворення з одночасним хронометражем показала, що при лазерному наплавленні та поверхневому модифікуванні значна частина тріщин утворюється через 2…5 с після кристалізації ванни розплаву. Це свідчить про утворення не лише описаних в літературі (роботи А.Г.Григорьянца та ін.) гарячих, але й холодних тріщин. При цьому, як показали металографічні дослідження, мікротріщини можуть носити як міжкристалічний (руйнування крихких евтектик по границях зерен під впливом залишкових напружень), так і транскристалічний (руйнування зерен під дією залишкових напружень) характер. В певних випадках в наплавлених шарах спостерігалося утворення структурних складових двох або трьох типів із різними кристалічними решітками (табл.2). Для пояснення характеру тріщиноутворення висунуто гіпотезу, згідно якої утворення тріщин переважно обумовлено малим часом існування ванни розплаву (0,1…0,4 с) і можливістю утворення структурних складових із різними кристалічними решітками.

Аналіз експериментальних даних, які стосуються утворення внутрішніх пор в наплавлених шарах, дозволяє зробити висновок про те, що дане явище відбувається через недостатній захист ванни розплаву, невірний вибір режиму (зокрема, співвідношення Р і dП, а також швидкості V) і вологості наплавочних порошків (рис.6). Згідно цим причинам запропоновано методи їх усунення: введення додаткового газового захисту ванни у випадку використання сплавів, що не є самофлюсними, попередня підготовка наплавочних порошків (сушіння і сіяння), збільшення погонної енергії понад 80…100 Дж/мм та часу існування рідкої ванни понад 0,13…0,15 с.

Таблиця 2. Фазовий склад деяких сплавів, наплавлених лазерним способом.

Рис.6. Причини утворення внутрішніх пор в шарах, наплавлених лазерним випромінюванням.

Таким чином, були встановлені шляхи усунення пор в наплавлених або модифікованих шарах. Наступним кроком встановлювали шляхи усунення мікротріщин. При цьому походили з припущення про їх утворення під дією тимчасових та залишкових напружень. Для прогнозування напружень у наплавлених за допомогою лазерного випромінювання шарах можна скористатися теорією Гріффітса. Ця теорія дозволяє оцінювати напружений стан і умови руйнування крихких шарів. Відсутність площадки плинності в наплавлених лазерним способом сплавах з твердістю понад HRC 48…50 на основі Fe і Ni робить доцільним застосування до них цієї теорії. Проведені розрахунки і рентгенофазовий аналіз показали узгодження величин σпд і σизм для сплавів на основі Fe (табл.3). Для сплавів на основі Ni σизм є меншим за σпд, що свідчить про недостатність застосування до них лише однієї теорії Гріффітса. Для більш детального аналізу залишкового напруженого стану доцільно застосування тривимірних моделей.

Таблиця 3. Розрахунок напруженого стану за теорією Гріффітса і порівняння його із виміряними усередненими результатами для сплавів на основі Fe і Ni.

Примітки: Е – модуль Юнга; [σв] – межа міцності; β=0,38; С0 – швидкість пружної хвилі.

В якості мір із зниження залишкових напружень і попередження процесу тріщиноутворення запропоновано застосування гібридних або комбінованих процесів, в яких разом із лазерним використовуються інші енергетичні джерела (наприклад, мікроплазмове, плазмове, високочастотне, дугове). Так, результати рентгенофазового аналізу показали, що застосування комбінованого лазерно-мікроплазмового наплавлення дозволяє знижувати рівень залишкових напружень в наплавлених або модифікованих шарах на 30…35% і більше порівняно із лазерним наплавленням (рис.7), що одночасно призводить до значного зниження показника тріщиноутворення α (рис.8).

При дослідженні комбінованого процесу лазерного наплавлення з ВЧ-підігрівом циліндричних зразків була встановлена залежність швидкості процесу (V) від температури супутнього підігріву (Т) (рис.9). Дослідження показали, що вже починаючи з температур супутнього підігріву 400…500С досягається значний позитивний ефект в плані усунення таких недоліків, як несплавлення і тріщиноутворення, порівняно із лазерним наплавленням. Показник тріщиноутворення () знижується з 30…60% при лазерному наплавленні до 5…15% при лазерному наплавленні із ВЧ-підігрівом до 500С. Також встановлено, що за рахунок сукупного тепловкладання відбувається певне роззміцнення наплавленого шару шляхом укрупнення розмірів твердофазних евтектик (карбідів і боридів) (рис.10). Запропоновано усунення цього недоліку за рахунок динамічного регулювання потужності високочастотного джерела нагрівання з метою забезпечення постійної температури підігріву деталі в зоні впливу лазерного випромінювання.

Досліджєення процесу комбінованого лазерно-плазмового наплавлення проводилися згідно наведеної на рис.11 технологічної схеми. Вони показали можливість нанесення як тонких (до 0,5 мм, рис.12), так і достатньо товстих (порядку 1…3 мм, рис.13) шарів. У цих дослідженнях в якості значимих параметрів враховували густину потужності лазерного випромінювання (), швидкість процесу (V), масові витрати присаджувального порошку (GП) і коефіцієнт перекриття наплавлених валиків (КП). Показані на рис.12 залежності були одержані за наступних умов: h=f(V) при Wp=10,2 кВт/см2, GП=0,26 г/с, КП=37%; h=f(GП) при Wp=10,2 кВт/см2, V=30,6 мм/с, КП=24%; h=f(KП) при Wp=10,2 кВт/см2, V=30,6 мм/с, GП=0,26 г/с; h=f(Wp) при V=30,6 мм/с, GП=0,26 г/с, КП=62%. Показана на рис.13 структура була одержана на режимі Р=3,0 кВт, V=20 м/год., I=40 А, U=30 В, Qпл=80 л/год., Qзащ=240 л/год., h=1,0 мм, dП=5 мм, GП=0,2 г/с, амплітуда поперечного сканування лазерного пучка 2 мм, частота сканування 20 Гц. Встановлено, що при комбінованому наплавленні тонких шарів мікротріщини були відсутні, а при наплавленні шарів більших товщин кількість мікротріщин значно зменшується порівняно з лазерним наплавленням. Перше відбувається оскільки в шарах товщиною до 0,5 мм внутрішні напруження не перевищують межу міцності, а друге – за рахунок зниження внутрішніх напружень через модифікацію термічного циклу (зменшення швидкості охолодження до V8/5=200…400ºС/с). Зменшенню залишкових напружень і кількості мікротріщин також сприяє поперечне відносно напрямку обробки сканування лазерного випромінювання.

Експерименти з гібридного лазерно-дугового наплавлення доказали можливість наплавлення вузьких порожнин в алюмінієвих сплавах без попередньої розробки за рахунок заглиблення активної плями електричної дуги під дією сфокусованого лазерного випромінювання. Прикладом застосування цього явища може бути заплавлення канавок в автомобільних поршнях (рис.14). При цьому для усунення ефекту екранування лазерного випромінювання з довжиною хвилі λ=1,06 мкм металевим паром, який утворюється над рідкою ванною, використовували імпульсну модуляцію потужності лазерного випромінювання.

Окрім досліджень гібридних і комбінованих процесів, спрямованих на усунення дефектів, характерних для лазерного наплавлення, досліджувалися інші технологічні процеси з використанням лазерного випромінювання, а саме процеси наплавлення, легування і термообробки, що дозволяють підвищувати твердість та зносостійкість поверхонь виробу.

                           а)                                             б)                                               в)

Рис.14. Макроструктура наплавлених валиків, виконаних в канавках пластини зі сплаву АМг6 (=10 мм) електродним дротом Св-АМг6 (1,2 мм) із швидкістю 60 м/год. у захисті аргону: а) – дуговим способом при I=200 А, U=22,5 В, Vпр=12,7 м/хв.; б) – дуговим способом при I=220 А, U=23 В, Vпр=15 м/хв.; в) – гібридним лазерно-дуговим способом при Рср=2,34 кВт (Рmax=3,0 кВт), I=200 А, U=22,5 В, Vпр=12,7 м/хв.

Так, було досліджено процес співвісного гібридного лазерно-плазмового наплавлення, який здійснювався шляхом плазмового напилювання із одночасним лазерним оплавленням покриття. Було встановлено, що через неспівпадіння розмірів плям напилювання і фокусування лазерного випромінювання валики, що наплавляли, мали неоднорідну структуру. В центральній частині вона була близькою до структури лазерного наплавлення, а на периферійній – до структури плазмового напилювання. Для усунення цього недоліку було запропоновано поперечне напрямку наплавлення сканування випромінювання, яке здійснювалося за рахунок коливань фокусуючої лінзи. Такий гібридний спосіб дозволив мінімізувати внутрішню пористість при наплавленні самофлюсних сплавів, однак дія лазерного випромінювання призвела до укрупнення твердих фаз і, відповідно, певного зниження твердості наплавлених шарів порівняно із лазерним наплавленням.

З метою підвищення зносостійкості у сполученні із жаростійкістю поверхні сталі 38ХН3МФА використовували лазерне легування порошковими матеріалами. Найкращі результати дозволило одержати легування сумішшю порошків 50%Cr+44%WC+6%Co. При цьому була досягнута твердість HV1 – 580…640, яка знизилася після 6-годинної витримки при температурі 1200ºС до значень HV1 – 400…480.

Вперше був запропонований процес комбінованого лазерно-мікроплазмового легування, як спосіб зменшення кількості пор і мікротріщин, які можуть утворюватися при лазерному легуванні. За допомогою випробувань легованих зразків на машині тертя 2070СМТ-1 встановлено, що такий процес легування знижує коефіцієнт тертя із одночасним підвищенням порогу задіроутворення порівняно із основним металом (рис.15). При цьому результати тим кращі, чим менші залишкові напруження в легованих шарах. Найкращі результати були одержані при лазерно-мікроплазмовому легуванні сумішшю 50%Cr+44%WC+6%Co.

Дослідження особливостей процесів лазерної термообробки сталей із оплавленням і без показали, що товщина зміцненої зони без оплавлення поверхні не перевищує 0,7 мм, у той же час поверхневе оплавлення на глибину до 0,3 мм дозволяє збільшити цю товщину приблизно до 1,2 мм (рис.16).

В цілому, проведені дослідження дозволили скорегувати параметри режимів, проаналізувати характерні дефекти і встановити шляхи їх усунення, визначити особливості застосування тих або інших способів поверхневої обробки, в яких застосовується лазерне випромінювання. Комплекс описаних досліджень було покладено в основу створення емпіричного базису для подальшої розробки розрахунково-експериментальної методики вибору параметрів технологічного режиму. Крім того, ці дослідження дозволили створити кілька нових схем технологічних процесів лазерного, гібридного або комбінованого наплавлення, зміцнення і нанесення покриттів для підвищення службових властивостей наплавленої або модифікованої поверхні та зменшення кількості (до повного усунення) встановлених дефектів (табл.4). Так, при розщепленні лазерного променя на два і проведенні двопроменевого лазерного наплавлення, першим променем підігрівається і модифікується поверхня ОМ, а другим – здійснюється наплавлення порошкового матеріалу. Це дозволяє підвищити міцність зчеплення наплавленого шару з ОМ і знизити в цьому шарі кількість внутрішніх пор і мікротріщин. Повздовжнє сканування пучка дозволяє знижувати швидкість охолодження обробленого шару і, як наслідок, кількість мікротріщин. Пропускання наплавочного порошку через лазерний пучок поблизу фокуса також дозволяє знизити ефект тріщиноутворення при наплавленні шарів товщиною до 0,8…1,0 мм.

Результати проведених досліджень дозволяють зробити висновки про те, що найбільш перспективними методами усунення таких характерних дефектів, як утворення пор, мікротріщин і відшарування покриттів, є:

  •  вибір присаджувального матеріалу за критеріями твердості, зносостійкості та близькості коефіцієнтів термічного розширення, а також, при необхідності покращення відповідності вибраного матеріалу вимогам вказаних критеріїв, легування його додатковими елементами (наприклад, хромом, молібденом, карбідом вольфраму, міддю тощо);
  •  застосування гібридних або комбінованих процесів (сполучення лазерного випромінювання із супутнім ВЧ-підігрівом, струменем мікроплазми або електричною дугою);
  •  використання додаткових технологічних прийомів (наприклад, сканування випромінювання, розщеплення одного лазерного променя на два, підігрів присаджувального порошку в пучку, попереднє лазерне модифікування оброблюваної поверхні);
  •  підбір режиму обробки з урахуванням критерію мінімізації тепловкладання.

В четвертому розділі проводилося вивчення впливу техніки лазерної та гібридної обробки на функціональні властивості (твердість, зносо- і корозійна стійкість) та якість обробленої поверхні металевих виробів. Критеріями якості поверхні обрали: різнотовщинність наплавленого шару або нерівність модифікованої поверхні згідно допуску під фінішну механічну обробку повинна становити не більш 0,3 мм, наявність пор на поверхні – не більш 2…3% її загальної площини, кількість мікротріщин – згідно умови α≤20%.

Експериментальні дослідження процесів наплавлення і модифікування поверхні проводилися згідно запропонованим у попередньому розділі технологічним схемам. Перед проведенням досліджень було встановлено порядок дій із забезпечення якості лазерної та гібридної обробки, який був сформульований у вигляді алгоритму, приведеного на рис.17. Далі стабілізацію роботи обладнання і контроль одержуваних результатів проводили згідно цьому алгоритму.

При проведенні технологічних експериментів в якості базового процесу було прийняте лазерне наплавлення за розробленою в ІЕЗ ім. Є.О.Патона схемою. Така схема характеризується дією випромінювання на наплавочний порошок, що насипається на поверхню ОМ. Експериментально було встановлено залежності геометричних характеристик наплавленого валика від параметрів технологічного режиму (рис.18). Визначено вплив довжини хвилі λ лазерного випромінювання на величину потужності, необхідної для наплавлення (рис.18,б). Експерименти показали, що найбільш доцільно за один прохід наплавляти валики висотою h≈0,8 мм і шириною b≈3,0 мм.

Для вирішення задач із відновлення деталей, що працюють в умовах підвищених (до 700ºС и 1000ºС) температур, проводили дослідження жаростійкості шарів, одержаних лазерним наплавленням. Використовували порошки ПГ-АН9 і ПГ-АН6, які мають жаростійкість до 800ºС, а також механічні суміші 50%ПГ-АН6+50%ВК6, 50%Cr+50%ВК6, 50%Cr+50%Релит, у зв’язку із високою жаростійкістю хрому і карбіду вольфраму. В результаті експериментів було встановлено, що найбільш придатним для розв’язання поставлених задач є сплав 50%Cr+50%ВК6.


Рис.17. Алгоритм дій із забезпечення якості обробки металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання.

 

а) б)

в) г)

Рис.18. Вплив параметрів технологічного режиму лазерного наплавлення на геометричні характеристики наплавленого валика і розмір ЗТВ.

При встановленні експлуатаційних можливостей нанесених різними способами шарів однією з важливіших задач є визначення їх зносостійкості. Для умов сухого тертя і тертя із обмеженим змащуванням зносостійкість вимірювали за допомогою машини тертя власної розробки і стандартної машини 2070СМТ-1. Одержані для різних наплавлених сплавів результати визначали у відсотках відносно зносостійкості нормалізованої сталі 38ХН3МФА (рис.19). Вибір цієї сталі в якості еталону пов'язаний із її широким технічним застосуванням (наприклад, для виробництва колінчатих валів, штампового інструменту тощо). Встановлено, що для одного й того ж сплаву (наприклад, сплав ПГ-12Н-02 на рис.19) комбіноване наплавлення може забезпечити більшу зносостійкість, ніж лазерне наплавлення. Рентгенофазові вимірювання залишкових напружень першого роду дозволяють стверджувати, що підвищення зносостійкості прямо пропорційно зниженню рівня внутрішніх напружень в наплавлених шарах. Крім того, як показав огляд наплавлених поверхонь, зниження внутрішніх напружень призводить до зменшення кількості мікротріщин.

На базі одержаних експериментальних даних за допомогою статистичного методу Манна-Уітні було проведено верифікацію математичної моделі (8)-(14) і доведено, що значення параметрів режиму, визначених розрахунковим та експериментальним способами, є достатньо близькими. З метою перевірки величини похибки, яку дає запропонований у розділі 2 розрахунковий спосіб вибору режимів, проводили співставлення розрахункових і експериментальних результатів за величинами GП або V при повній відповідності всіх інших параметрів режиму. Для процесів лазерного і лазерно-плазмового наплавлення, а також легування, розбіжність значень масових витрат порошку GП не перевищує 15%. Для гібридного лазерно-дугового заплавлення порожнин в алюмінієвих сплавах розбіжність значень витрат дроту – до 15%, а для лазерної термообробки розбіжність у швидкості V – до 10%. Таким чином, похибки запропонованої розрахункової методики не перевищують втрат присаджувального матеріалу, характерних для плазмової, а відповідно і лазерно-плазмової, обробки. Крім того, похибки розрахунків близькі до похибок вимірювання геометричних та швидкісних параметрів досліджуваних процесів.

Проведений аналіз даних розрахунків і експериментів показав прийнятну для практичного застосування адекватність розробленої математичної моделі в обраних областях варіювання параметрів технологічного режиму для всіх вивчених процесів, а також довів широкі можливості її використання для попереднього оцінювання параметрів режимів.

Узагальнення описаних у розділах 2-4 досліджень дозволило розробити розрахунково-експериментальну методику вибору параметрів технологічного режиму для лазерних, гібридних і комбінованих процесів обробки поверхонь металів і сплавів (рис.20). В основу даної методики покладено комплексне урахування експлуатаційних вимог до виробу, його геометричних параметрів та фізико-хімічних показників основного металу. На підставі цих вхідних даних обирається процес обробки, а також присаджувальний матеріал (за винятком випадку термообробки). При виборі типу процесу (лазерний, гібридний або комбінований) враховуються можливість виникнення характерних дефектів, особливості наявного обладнання і техніко-економічні показники технологічного процесу. Надалі, за допомогою чисельного розв’язання задачі (8)-(14), оцінюються параметри режиму обробки. При виборі вхідних параметрів моделі (8)-(14) враховуються власні та літературні дані. Після прийняття мір із забезпечення якості обробки (рис.17) проводяться експерименти з корегування обраного режиму за одним-двома технологічними параметрами (наприклад, параметрами V і GП) без зміни інших. Таким чином, одержуємо сукупність параметрів режиму, які повністю визначають технологічний процес обробки з використанням лазерного випромінювання для певної деталі із заздалегідь врахованою мінімізацією ймовірності утворення характерних дефектів.

П’ятий розділ присвячено розробці та впровадженню процесів лазерного поверхневого модифікування і наплавлення. В ньому за допомогою створеної розрахунково-експериментальної методики розроблено низку технологічних процесів лазерної, гібридної та комбінованої обробки. Спочатку, було проведено вибір параметрів режиму лазерного наплавлення розподільчого вала легкового автомобіля, а також розроблено та практично реалізовано увесь технологічний ланцюг відновлення цього вала. Цей приклад довів, що запропонована методика може бути рекомендована для вибору параметрів режиму процесів лазерної обробки поверхні.


Рис.20. Розрахунково-експериментальна методика вибору параметрів технологічного режиму для лазерних і гібридних (комбінованих) процесів наплавлення та модифікування пласких і циліндричних металевих поверхонь.


Надалі, спираючись на створену методику, було розроблено і впроваджено технології лазерної термічної обробки і лазерно-мікроплазмового модифікування внутрішніх поверхонь довговимірних виробів з комплексно легованих сталей (Завод ім. В.О.Малишева, м. Харків), комбінованого відновлювального лазерного наплавлення з ВЧ-підігрівом шийок осей і зміцнення поверхонь катання колісних пар залізничних вагонів (вагоноремонтний завод у м. Нижній Удінськ, Росія), ремонтного лазерного наплавлення деталей автомобільних двигунів і ходової частини (відновлювальна дільниця у від.№77 ІЕЗ ім. Є.О.Патона), лазерне відновлення штампового оснащення і прес-форм (ЗАО «Укрпласт», м. Київ, ООО «Костал Украина», м. Переяслав-Хмельницький), а також деталей поліграфічних машин (АО «Электронполиграфсервис», м. Київ). Шляхом застосування технологічної схеми лазерного наплавлення з порошковою присадкою вирішена проблема лазерного зварювання тонкостінних трубчастих фільтруючих елементів із сітчастими стінками (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», м. Чернівці).

Також було розроблено й випробувано процес лазерно-дугового заплавлення без попередньої механічної розробки вузьких канавок прямокутної форми в алюмінієвих сплавах для відновлення поршнів циліндрів двигунів внутрішнього згоряння. Розроблено спосіб лазерно-плазмового нанесення керамічних покриттів на сталі, який дозволяє усунути попередню струминно-абразивну підготовку оброблюваної поверхні та підвищити міцність зчеплення шарів, що наносяться, за рахунок їх вплавлення у поверхню основного металу. В ході розробки процесів лазерної та гібридної поверхневої обробки була встановлена можливість підвищення ККД пар тертя через зниження коефіцієнту тертя з одночасним підвищенням задиростійкості шляхом лазерно-мікроплазмового легування шийок валів.

Проведені під час відпрацювання вказаних технологій досліди показали, що розроблена розрахунково-експериментальна методика дозволяє обрати саме ті спосіб обробки та параметри режиму, які мінімізують ймовірність виникнення таких дефектів, як утворення мікротріщин і пор, відшарування нанесених шарів тощо. Це дозволяє одержувати наплавлені та модифіковані шари потрібної якості із підвищеними відносно властивостей основного металу функціональними характеристиками. Точність розрахункового вибору параметрів режиму за допомогою математичної моделі (8)-(14) становить 10…15%. В свою чергу, точність вимірів певних технологічних чинників (наприклад, параметра GП і коефіцієнту використання матеріалу) також може доходити до 15%. Це робить точність розрахунку прийнятною і усуває потребу у додатковому корегуванні розрахункових результатів. Натомість, одержані за моделлю (8)-(14) результати слід вважати оціночними, а параметри технологічного режиму остаточно корегувати шляхом експериментального уточнювання одного-двох параметрів (найкраще V і GП).

Таким чином, запропонована розрахунково-експериментальна методика є достатньо перспективною для подальшого розвитку процесів модифікування поверхні і нанесення покриттів з використанням лазерного випромінювання.

ВИСНОВКИ

1. З метою підвищення якості та службових властивостей поверхонь металевих виробів створено науково-технологічні засади для вибору найбільш ефективного способу наплавлення або модифікування поверхні з використанням лазерного випромінювання, які базуються на управлінні формуванням напружено-деформованого стану оброблених шарів за рахунок цілеспрямованого змінення термічного циклу обробки, з урахуванням теплофізичних властивостей матеріалів, шляхом застосування спеціальних технологічних прийомів, використання додаткових теплових джерел тощо.

2. Створена узагальнена розрахунково-експериментальна методика визначення параметрів технологічних режимів процесів лазерного, гібридного і комбінованого наплавлення або модифікування поверхонь металевих виробів дає можливість обирати найкращу схему обробки, умови її реалізації, а також тип присаджувального матеріалу на підставі експлуатаційних вимог до виробу і техніко-економічних показників процесу; забезпечує прийнятну точність попередньої розрахункової оцінки параметрів режиму і можливість його остаточного експериментального корегування за одним-двома технологічними параметрами.

 

3. Дослідження балансу енергії у випадку сталого режиму, а також теплових процесів при лазерній та гібридній обробці металевих виробів, дозволили запропонувати спрощену математичну модель, яка була покладена в основу розрахунково-експериментальної методики, і за допомогою якої можна виконувати розрахункові оцінки параметрів режиму обробки шляхом оптимізації розподілу температури по глибині системи «наплавлений або модифікований шар – основний метал» за критерієм мінімізації тепловкладання.

4. Аналіз характерних дефектів лазерних процесів наплавлення і модифікування поверхні, таких як утворення пор і мікротріщин, а також несплавлення з основним металом, дозволив запропонувати наступні способи і шляхи їх усунення: підбір присаджувального матеріалу та (в разі необхідності) його легування додатковими елементами; застосування додаткових технологічних прийомів (наприклад, сканування випромінювання, розщеплення лазерного пучка, підігрів присаджувального порошку у пучку випромінювання, попереднє лазерне модифікування оброблюваної поверхні тощо); використання гібридних та комбінованих технологій обробки. 

5. На підставі фізико-металургійних досліджень особливостей процесів наплавлення і модифікування металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання було доведено, що застосування гібридної технології замість лазерної дає можливість суттєвого зниження залишкових напружень оброблених шарів за рахунок модифікації термічних циклів (зокрема, зниження швидкостей охолодження у діапазоні 800…500ºС з 400…700ºС/с при лазерній обробці до 200…400ºС/с при гібридній), яке призводить до мінімізації (усунення) тріщиноутворення; були визначені найбільш прийнятні шляхи усунення внутрішніх пор (зокрема, перевищення погонною енергією процесу рівня 80…100 Дж/мм, а часу існування рідкої ванни – 0,13…0,15 с) і відшарування покриттів (зокрема, забезпечення температури в зоні сплавлення вищої за температуру плавлення основного металу).

6. Розроблені схеми технологічних процесів лазерного, лазерно-мікроплазмового та лазерного із ВЧ-підігрівом легування і наплавлення, лазерно-дугового наплавлення, лазерної термічної обробки, а також лазерно-мікроплазмового нанесення покриттів, було покладено в основу створення спеціалізованого обладнання для практичної реалізації цих процесів, що в сукупності створило експериментальну базу для подальшого дослідження, удосконалення і промислового впровадження комплексу високоефективних технологічних процесів лазерного, гібридного і комбінованого наплавлення та модифікування поверхонь металевих виробів.

7. За результатами експериментальних досліджень впливу техніки лазерної та гібридної обробки на функціональні властивості поверхонь металевих виробів було розроблено схему дій із контролю та забезпечення якості, а також показано, що гібридні процеси порівняно із лазерними забезпечують значно нижчий рівень залишкових напружень (приблизно на третину) і коефіцієнта тріщиноутворення (в 3-4 рази) в наплавлених та легованих шарах, знижають припуск під фінішну механічну обробку (до п’яти разів), а також коефіцієнта тертя оброблених поверхонь (до 0,15…0,20) з одночасним підвищенням їх задиростійкості (на 25…30% відносно основного металу, обробленого традиційними методами об’ємної термічної обробки).

8. Експериментально виявлений ефект заглиблення активної плями дуги до вузької розробки під впливом лазерного випромінювання з густиною потужності, не нижчою за (4…5)·105 Вт/см2, продемонстрував можливість лазерного управління горінням зварювальної дуги в гібридному процесі наплавлення. Цей ефект було покладено в основу запропонованого способу лазерно-дугового заплавлення вузьких порожнин у алюмінієвих сплавах без їх попередньої механічної розробки.

9. Вивчення сучасного стану і тенденцій розвитку технологічних процесів лазерної та гібридної поверхневої обробки металів і сплавів дозволило визначити наступні три основні області їх застосування: отримання поверхневих шарів із підвищеними фізико-механічними характеристиками для використання у серійному виробництві нових виробів; відновлення зношених деталей машин і механізмів, подовження ресурсу їх експлуатації; синтез тривимірних об’єктів шляхом пошарового лазерного порошкового наплавлення. Для промислово розвинених країн перспективними насамперед є синтез тривимірних об’єктів, нанесення тонких плівок й наноструктурних покриттів. Для промисловості України і країн ближнього зарубіжжя актуальними є технології нанесення функціональних покриттів у процесах відновлення або з цілеспрямованою модифікацією поверхневих шарів матеріалу у процесах створення нових виробів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Хаскин В.Ю. Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали / Хаскин В.Ю. // Доповіді НАН України. – №8, 2007. – С. 99-102.

2. Хаскин В.Ю. Современное состояние и перспективы развития лазерных технологий нанесения покрытий и поверхностного упрочнения (обзор) / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. – 2008. – №2 – С. 38-44.

3. Хаскин В.Ю. Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (обзор) / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. – 2008. – №12 – С. 24-33.

4. Хаскин В.Ю. Использование лазерно-дуговой наплавки для заплавления полостей в алюминиевых сплавах / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. – 2009. – №2 – С. 41-45.

5. Хаскин В.Ю. Комбинированные лазерно-дуговые процессы / Хаскин В.Ю. // Сварщик. – 2003. – №6(34) – С. 18-19.

6. Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Машин В.С., Пашуля М.П., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Автомат. сварка. – 2009. – №12 – С. 28-35.

Автору належить встановлення ефекту стиснення зварювальної дуги і заглиблення активної плями під впливом лазерного випромінювання при лазерно-дуговому процесі.

7. Laser welding of titanium alloys / Paton B.E., Shelyagin V.D., Akhonin S.V., Topolsky V.F., Khaskin V.Yu., Petrichenko I.K., Bernatsky A.V., Mishchenko R.N., Siora A.V. // The Paton Welding Journal. – 2009. – N7. – P. 30-34.

Автору належать визначення вмісту нітриду титану у зварних швах і розробка нової конструкції системи захисту шву.

8. Зварювання аморфних матеріалів та нанесення аморфізованих покриттів за допомогою лазерного випромінювання / Хаскін В.Ю., Никитенко Ю.О., Сіора О.В., Бернацький А.В. // Металлофиз. новейшие технол., 2008, т.30, спецвыпуск. – С. 645-651.

Автору належать розробка методики проведення експериментів з лазерного зварювання і аналіз результатів електроннозондового дослідження.

9. Разработка технологических приемов лазерного упрочнения поверхностных слоев деталей из стали 38ХН3МФА / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Вісник двигунобудування. – 2008 – №2(19). – С. 94-97.

Автору належать розробка техніки та методики проведення експериментів і аналіз одержаних результатів.

10. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых сплавов / Кривцун И.В., Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Шулым В.Ф., Терновой Е.Г. // Автомат. сварка. – 2007. – №5 – С. 49-53.

Автору належать опис проведення досліджень і аналіз одержаних результатів.

11. Лазерная и лазерно-дуговая сварка сталей в защитных газах / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Сиора А.В., Бернацкий А.В., Гончаренко Е.И., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. – 2007. – №1 – С. 34-38.

Автору належать розробка методики проведення експериментів із лазерного та лазерно-дугового зварювання і аналіз одержаних результатів.

12. Остаточные напряжения в соединениях тонколистового сплава АМг6, вызванные дуговой и лазерно-дуговой сваркой / Шонин В.А., Машин В.С., Хаскин В.Ю., Недей Т.Н. // Автомат. сварка. – 2006. – №9 – С. 26-31. 

Автору належать дослідження впливу погонної енергії процесу на залишковий напружений стан зразків.

13. Лазерные способы: Машиностроение. Энциклопедия. Технология сварки, пайки и резки. Т. ІІІ-4. / Гаращук В.П., Величко О.А., Хаскин В.Ю., Тихомиров А.В. – М.:Машиностроение, 2006, 768 с. – С. 276-280.

Автору належить опис технології лазерного наплавлення.

14. Легирование поверхностей: Машиностроение. Энциклопедия. Т. ІІІ-4. / Борисов Ю.С., Пауков Ю.Н., Величко О.А., Хаскин В.Ю. – М.:Машиностроение, 2006, 768 с. – С. 316-322.

Автору належить опис технології лазерного легування.

15. Шелягин В.Д. Лазерно-микроплазменное легирование и нанесение покрытий на стали / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Переверзев Ю.Н. // Автомат. сварка. – 2006. – №2 – С. 3-6.

Автору належать розробка методики проведення експериментів і аналіз одержаних результатів.

16. Многопроходная сварка сталей больших толщин с использованием лазерного излучения / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Шитова Л.Г., Набок Т.Н., Сиора А.В., Бернацкий А.В., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. – 2005. – №10 – С. 48-52.

Автору належать вибір режимів зварювання, дослідження ефекту заглиблення активної плями електричної дуги під впливом лазерного випромінювання і металографічні дослідження одержаних швів.

17. Laser-Arc and Laser-Plasma Welding and Coating Technologies / Shelyagin V.D., Krivtsun I.V., Borisov Yu.S., Khaskin V.Yu., Nabok T.N., Siora A.V., Bernatsky A.V., Vojnarovich S.G., Kislitsa A.N., Nedej T.N. // The Paton Welding Journal. – 2005. – №8. – P. 44-49.

Автору належать розробка методики і аналіз результатів досліджень з наплавлення і нанесення покриттів, що виконувалися за допомогою лазерного випромінювання.

18. Гибридная лазерно-дуговая сварка углеродистых сталей и алюминиевых сплавов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Набок Т.Н., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Доповіді НАН України. – №7, 2005. – С. 97-102.

Автору належать розробка методики проведення експериментів, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів досліджень.

19. Шелягин В.Д. Резка излучением СО2-лазера корпусов дисковых пил / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Лукашенко А.Г. // Автомат. сварка. – 2005. – №2 – С. 47-49.

Автору належать компоновка лазерного комплексу і розробка конструкції лазерної ріжучої головки.

20. Аморфные металлические структуры / Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Никитенко Ю.А., Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Проблемы металлургии, сварки и материаловедения. – 2004. – №4(6) – С. 12-17.

Автору належать розробка експериментального обладнання і металографічні дослідження одержаних структур.

21. Практика применения инверторного источника электропитания для лазерно-дуговой сварочной установки / Шелягин В.Д., Набок Т.Н., Хаскин В.Ю., Спивак В.М. // Технічна електродинаміка, тематичний випуск. – К., 2004. – С. 33-34.

Автору належить обробка результатів практичного застосування інверторного джерела живлення дугової складової в гібридному процесі зварювання сталей і алюмінієвих сплавів.

22. Хаскин В.Ю. Лазерное термоупрочнение комплексно легированных сталей / Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Процессы литья. – 2003. – №3 – С. 93-95.

Автору належать одержання експериментальних даних, їх обробка, металографічні дослідження і остаточний аналіз результатів досліджень.

23. Лазерная сварка тонколистовых сталей с использованием специальных приемов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Сиора А.В., Сахарнов А.В., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. – 2003. – №1 – С. 41-44.

Автору належить розробка таких спеціальних прийомів зварювання, як застосування лінз із різними фокусними відстанями, подача присаджувального дроту, розробка і використання зварювальних флюсів.

24. Гибридная сварка излучением СО2-лазера и дугой плавящегося электрода в углекислом газе / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Гаращук В.П., Сиора А.В., Бернацкий А.В. Сахарнов А.В. // Автомат. сварка. – 2002. – №10 – С.38-41.

Автору належить встановлення ефекту резонансу масопереносу від дуги з плавким електродом із автоколиваннями рідкої ванни, які відбуваються під дією лазерного випромінювання, а також вплив даного ефекту на зміну глибини проплавлення.

25. Шелягин В.Д. Тенденции развития лазерно-дуговой сварки / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. – 2002. – №6 – С.28-33.

Автору належить аналіз описаних в літературі тенденцій розвитку гібридних процесів.

26. Хаскин В.Ю. Лазерная наплавка доэвтектоидных комплексно-легированных сталей / Хаскин В.Ю., Гаращук В.П. // Автомат. сварка. – 2002. – №3 – С.53-54. 

Автору належать описи проведення експериментів і металографічних досліджень.

27. Гаращук В.П. Перспективы использования лазерных технологий в промышленности Украины / Гаращук В.П., Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. – 2001. – №12 – С.18-20.

Автору належить аналіз перспектив використання технологій лазерного наплавлення у вітчизняної промисловості.

28. Лазерная сварка стыковых соединений с высокочастотным подогревом кромок / Хаскин В.Ю., Шелягин В.Д., Гаращук В.П., Сидорец В.Н., Сахарнов А.В., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. – 2001. – №11 – С.28-31.

Автору належать розробка експериментального обладнання, методики проведення експериментів, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів.

29. Козубенко И.Д. Технология лазерной наплавки и термообработки деталей колесных пар подвижного состава / Козубенко И.Д., Хаскин В.Ю., Черниенко В.Д. // Автомат. сварка. – 2001. – №3 – С.35-37.

Автору належать компонування лазерного комплексу для наплавлення осей залізничних вагонів і термічної обробки коліс, а також вибір технологічних режимів проведення вказаних процесів.

30. Особенности сварки тонколистовых низкоуглеродистых сталей импульсно-периодическим излучением СО2-лазера / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. – 2001. – №2 – С.42-45.

Автору належать розробка методики проведення експериментів і визначення оптимальних параметрів формування імпульсу лазерного випромінювання за критерієм досягнення максимальної глибини провару.

31. Свойства доэвтектоидных комплексно-легированных сталей после лазерной термообработки / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Царюк А.К., Соломийчук Т.Г., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. – 2000. – №5. – С. 53-57.

Автору належать металографічні дослідження властивостей комплексно легованих сталей після проведення лазерної термічної обробки і вибір режимів цього процесу.

32. Лазерное термоупрочнение комплексно легированных сталей с низким и средним содержанием углерода / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Царюк А.К., Чижская Т.Г. // Доповіді НАН України – 2000. – №2. – С. 102-106.

Автору належать розробка методики проведення експериментів із лазерного термозміцнення, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів.

33. Хаскин В. Ю. Оптимизация лазерной наплавки сталей самофлюсующимися сплавами / Хаскин В.Ю., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. – 1999. – №4 – С.50-53.

Автору належить створення методики оптимізації процесу лазерного наплавлення за економічним критерієм.

АНОТАЦІЯ

Хаскін В.Ю. Науково-технологічні основи лазерних і гібридних процесів наплавлення та модифікації поверхонь металевих виробів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки. – Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертацію присвячено розвитку наукових основ процесів наплавлення і обробки металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання шляхом дослідження теплових і фізико-металургійних явищ, що супроводжують вказані процеси; побудові на цій основі узагальненої розрахунково-експериментальної методики попередній оцінки та вибору параметрів технологічних режимів, які забезпечують потрібні якість і функціональні характеристики поверхонь деталей, що оброблюються

.

В роботі проаналізовано сучасний стан розвитку лазерних технологій в галузі інженерії поверхні і показано відсутність систематизованих наукових основ лазерного та гібридного наплавлення і модифікування. Це не дозволяє розвивати нові технологічні підходи і розширювати спектр задач, які доцільно вирішувати методами лазерної поверхневої обробки. Для подолання цієї проблеми виконано наступні дослідження. Дослідження теплових процесів лазерної та гібридної обробки металевих поверхонь дозволили на базі схеми розподілу енергій при режимі, що встановився, створити математичну модель, за допомогою якої можна визначати параметри режиму обробки шляхом оптимізації розподілу температури по глибині системи «наплавлений (оброблений) шар – основний метал» за критерієм мінімізації тепловкладання. Дослідження фізико-металургійних особливостей процесів наплавлення і модифікування металевих поверхонь дозволили за рахунок оптимізації термічних циклів знизити залишкові напруження оброблених шарів, що призвело до мінімізації (усунення) тріщиноутворення, а також встановити критерії усунення внутрішніх пор і відшарування покриттів. Вивчення впливу техніки лазерної та гібридної обробки на якість металевої поверхні дозволило запропонувати схему дій із забезпечення та контролю даного параметру. Встановлено, що гібридні процеси сприяють значному зниженню рівня залишкових напружень і коефіцієнта тріщиноутворення в наплавлених (легованих) шарах, зниженню припуску під фінішну механічну обробку у кілька разів, а також зниженню коефіцієнта тертя оброблених поверхонь з одночасним підвищенням їх задиростійкості. Створено узагальнену розрахунково-експериментальну методику вибору параметрів технологічного режиму для процесів лазерного і гібридного (комбінованого) наплавлення і модифікування металевих поверхонь. За допомогою цієї методики розроблено низку процесів лазерної інженерії поверхні.

 

Результати роботи знайшли промислове застосування для лазерного зміцнення довговимірних внутрішніх поверхонь виробів з комплексно легованої сталі (Завод ім. Малишева, м. Харків), ремонтного лазерного наплавлення деталей поліграфічних машин (АО «Электронполиграфсервис», м. Київ), відновлення прес-форм (ЗАО «Укрпласт», м. Київ, ООО «Костал Украина», м. Переяслав-Хмельницький), зварювання фільтруючих елементів за способом лазерного наплавлення (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», м. Чернівці) тощо.

АННОТАЦИЯ

Хаскин В.Ю. Научно-технологические основы лазерных и гибридных процессов наплавки и модификации поверхностей металлических изделий. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. – Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена развитию научных основ процессов наплавки и обработки металлических поверхностей с использованием лазерного излучения путем исследования тепловых и физико-металлургических явлений, сопровождающих указанные процессы; построению на этой основе обобщенной расчетно-экспериментальной методики предварительной оценки и выбора параметров технологических режимов, которые обеспечивают необходимые качество и функциональные характеристики поверхностей обрабатываемых деталей. 

В работе изучено современное состояние промышленного применения лазерных технологий поверхностной обработки, включающих в себя легирование, упрочнение, наплавку и нанесение покрытий. Проведен анализ недостатков лазерных процессов наплавки и поверхностного модифицирования, показаны возможности их устранения за счет применения различных технологических приемов, в том числе совместного использования действия лазерного излучения с такими тепловыми источниками, как высокочастотный, плазменный и дуговой. Проведен анализ целесообразности перехода от лазерных технологий к комбинированным и гибридным. Определены наиболее перспективные направления дальнейшего внедрения процессов обработки поверхности. Установлены наиболее широко употребляемые области варьирования значений параметров режимов изучаемых процессов.

На основании анализа литературных данных выбраны и доработаны базовые технологические схемы лазерных процессов поверхностной обработки, согласно которым проводились дальнейшие исследования. К ним относятся: лазерная наплавка (в т.ч. двухлучевая и с подогревом наплавочного порошка), комбинированная наплавка с сопутствующим ВЧ-подогревом, комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка, лазерно-микроплазменное поверхностного легирования, гибридная лазерно-дуговая наплавка, гибридное лазерно-плазменное нанесение покрытий, микроплазменное осаждение испаренных лазерным излучением материалов, сварка по технологической схеме лазерной порошковой наплавки. Изучены физические процессы, происходящие при лазерной и гибридной обработке металлических поверхностей. Это позволило на базе схем распределения энергий для случая установившегося режима создать математическую модель, позволяющую определять параметры режима обработки путем оптимизации распределения температуры по глубине системы «наплавленный (обработанный) слой – основной металл» по критерию минимизации тепловложения. Предложен алгоритм выбора параметров режима обработки, согласно которому проведены соответствующие расчеты и определены режимы для всех рассматриваемых процессов поверхностной обработки.

Для корректировки математических моделей проведено экспериментальное исследование указанных процессов поверхностной обработки. Для этого разработано соответствующее технологическое оборудование и созданы лабораторные стенды для проведения экспериментов. С их помощью изучены физические и технологические особенности рассматриваемых процессов, проанализированы их достоинства и недостатки. Выполнены металлографические исследования и механические испытания полученных образцов, установлены характерные дефекты и предложены методы их устранения.

Проведено сравнение результатов экспериментов с расчетными данными для изучаемых процессов поверхностной обработки, а также верификация математических моделей. Определена точность расчетного способа определения параметров режима и установлено отсутствие необходимости корректировки математических моделей. Разработана универсальная расчетно-экспериментальная методика выбора параметров технологических режимов для этих процессов. С использованием данной методики разработан ряд технологических процессов для решения некоторых промышленных задач модифицирования и наплавки, в частности лазерного и лазерно-микроплазменного модифицирования длинномерных внутренних поверхностей изделий из комплексно легированных сталей, а также лазерно-микроплазменной наплавки шеек осей железнодорожных вагонов, лазерного восстановления деталей автотранспорта и полиграфических машин. Выполнен прогноз относительно перспектив дальнейшего развития лазерных процессов наплавки и поверхностного модифицирования на основе предложенной расчетно-экспериментальной методики.

Результаты работы нашли промышленное применение для лазерного упрочнения длинномерных внутренних поверхностей изделий из комплексно легированной стали (Завод им. Малышева, г. Харьков), ремонтной лазерной наплавки деталей полиграфических машин (АО «Электронполиграфсервис», г. Киев), восстановления пресс-форм (ЗАО «Укрпласт», г. Киев, ООО «Костал Украина», г. Переяслав-Хмельницкий), сварки фильтрующих элементов по способу лазерной наплавки (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», г. Черновцы) и др.

SUMMARY

Khaskin V.Yu. Scientific and technological basis of laser and hybrid welding processes and surface modification of metal products. – Manuscript.

Thesis for a Doctor of Sciences degree on speciality 05.03.07 – The processes of physical and technical processing. – The E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to developing the scientific basis of deposition and processing of metal surfaces using laser light through the study of thermal, physical and metallurgical phenomena that accompany these processes, building on this basis, the generalized calculation and the experimental procedure of the provisional assessment and selection of parameters of technological regimes, which provide the necessary quality and functional characteristics of the workpieces.

The paper analyzes the current state of development of laser technology in the field of engineering surfaces and shows the lack of systematic scientific basis of laser and hybrid welding and modification. This makes it impossible to develop new technological approaches and expand the range of problems solved by methods of laser surface treatment. To overcome this problem a number of studies. Studies of thermal processes of laser and hybrid treatment of metal surfaces allowed on the basis of power-distribution circuit at steady state to create a mathematical model with which to determine the parameters of the processing by optimizing the temperature distribution in the depth of "weld (processed) layer - base metal" according to the criterion of minimizing heat input. Studies of physical and metallurgical characteristics of the processes of surfacing and modification of metal surfaces allowed by optimizing the thermal cycles to reduce residual stress of processed layers, leading to the minimization of cracking, as well as establish criteria for elimination of internal pores and delamination of coatings. The influence of laser technology and hybrid processing on the quality of the metal surface has provided the framework for action on enforcement and monitoring of this parameter. Found that hybrid processes that substantially reduce the level of residual stresses and coefficient of cracking in the clad (doped) layers, reduction of allowance for finish machining a few times, and also reduce the coefficient of friction of treated surfaces with a simultaneous increase in their resistance to scoring. A generalized computational-experimental procedure for selecting parameters of the technological regime for the processes of laser and hybrid (combined) surfacing and modification of metallic surfaces. Using this technique developed a number of laser surface engineering.

Results of work have found industrial application for laser hardening of lengthy internal surfaces of products from in a complex alloyed steel (Factory of Malysheva, Kharkov), repair laser cladding details of polygraphic cars (Joint-Stock Company «Электронполиграфсервис», Kiev), restoration of compression moulds (Joint-Stock Company «Укрпласт», Kiev, Open Company «Kostal Ukraine», Perejaslav-Khmelnitskiy), welding of filtering elements on a way laser cladding (Joint-Stock Company «Chemical Factory of Chernovtsy», Chernovtsy), etc.

Підписано до друку 19.10.2010 р. Формат 60×84/16. Пап. офс. №1. Офс. друк.

Ум. друк. арк. 1,88. Ум. фарбо-відб. 1.0. Тираж 100 прим. Зам. № І-10108

ПОД ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України, 03680, Київ-150, МПС, вул. Антоновича, 69


Рис.19.
Порівняння зносостійкості нанесених різними способами сплавів системи Ni-Cr-B-Si, що мають твердість поверхні HRC, зі стійкістю сталі 38ХН3МФА до сухого тертя (відхилення параметрів зносостійкості ±4%, HRC ±6%).

б)

Вплив оточуючого ванну розплаву середовища, наявність і вид захисту ванни

а)

Рис.13. Структура шару порошкового сплаву ПГ-12Н-02, наплавленого лазерно-плазмовим способом на сталь Ст.3пс із поперечним скануванням лазерного випромінювання:

а) – 25; б) – 200.

Рис.12. Вплив параметрів комбінованого лазерно-плазмового наплавлення на висоту h [мм] шару, наплавленого порошками ПГ-АН9 і ПГ-Н1.

Рис.10. Розподіл мікротвердості HV1 [МПа] по висоті h [мм] шарів порошку ПГ-Н1, наплавлених на Ст.3пс без підігріву (крива 1) і з підігрівом до ~500ºС (крива 2) (Р=2,5 кВт, V=90 м/год., h=0,5 мм, dп=3 мм, Gп=0,2 г/с).

Рис.9. Вплив температури Т супутнього ВЧ-підігріву на швидкість V наплавлення шару порошку ПГ-АН9 (Р=3 кВт, h=0,5 мм, dП=3 мм, GП=0,2 г/с).

Рис.16. Структура поперечного перерізу доріжок лазерної термообробки сталі 38ХН3МФА: а) – доріжка з литою зоною і зоною зміцнення без оплавлення; б) – доріжка, що складається із зони зміцнення без оплавлення.

Рис.1. Схема витрат потужності при лазерному наплавленні: 1 – лазерне випромінювання; 2 – основний метал; 3 – сопло подачі присаджувального порошку; 4 – зона плавлення; 5 – наплавлений валік; 6 – факел плазмово-крапельних викидів.

Підвищений вміст вологи в порошковому наплавочному матеріалі

Контроль службових властивостей наплавленого або модифікованого шару (руйнівний або неруйнівний)

Рис.15. Вплив ступінчастого навантаження Р [кН] на зміну коефіцієнту тертя μ, виміряного на шліфованих поверхнях за допомогою машини тертя 2070 СМТ-1 на швидкості ковзання 1,3 м/с: 1 – основний метал (сталь 38ХН3МФА); 2 – комбіноване легування хромом; 3 – комбіноване легування сумішшю 50%Cr+44%WC+6%Co.

)

б)

Рис.11. Схема комбінованого лазерно-мікроплазмового наплавлення: 1 – випромінювання; 2 – мікроплазмотрон; 3 – порошковий дозатор; 4 – зразок; L, a і b – дистанція  і кути наплавлення.

Рис.8. Значення показника тріщиноутворення α [%] (розкид значень ±8%) і твердості HRC (розкид ±6%) шарів, наплавлених лазерним і комбінованим лазерно-мікроплазмовим способами.

Рис.7. Величини залишкових напружень в шарах висотою 1,0…1,5 мм, наплавлених лазерним і комбінованим лазерно-мікроплазмовим способами (розкид значень σ±5%).

Прийняття мір із забезпечення якості обробки

Урахування способів усунення основних дефектів наплавлення і модифікації

Перехід до виконання промислового технологічного алгоритму виготовлення виробу

Одержання потрібного режиму обробки

Експеримен-тальне корегування режиму і остаточне визначення параметрів V і GП без зміни інших

Порівняння розрахункових даних із емпіричними рекомендаціями, необхідне корегування

Вибір способу лазерної, гібридної або комбінованої обробки з урахуванням економічного критерію

Області варіювання параметрів режиму технологіческого процесу

Визначення величини GП (залежність (17))

Визначення величини h на основі розподілу T(z,t) за критерієм мінімізації розміру ЗТВ при фіксованій величині ПЗ (урахування критерію T(h,t)=Тпл+Tпер при Тпер→0)

Розв’язання теплофізичної задачі (8) – (14) із визначенням Ts

Визначення величини q(t) і Т0 (для кожного випадку окрема)

Теплофізичні характеристики присаджувального і основного матеріалів (данні, взяті з літератури)

Межі варіювання параметрів P, V, dП (визначаються за літературними даними)

Критерії вибору:

- забезпечення потрібних фізико-механічних характеристик оброблюваної поверхні;

- можливість сплавлення з основним металом;

- близькість коефіцієнтів термічного розширення у основного і присаджувального матеріалів;

- урахування зниження поро- і тріщиноутворення (як при виборі, так і за рахунок введення додаткових елементів);

- урахування поглинальної здатності;

- визначення грануляції порошку або діаметра дроту;

- попередня орієнтація на той або інший спосіб обробки.

інші

Віхреструмовий

Рентгенівський

Ультразвуковий

 (7)

qΣ(t) =

qпл , t2<t<t3  ,

qпл + qл , t1<t<t2 ;

qпл ,  0<t<t1  ;

Допустимість різнотовщин-ності шарів (до 0,3 мм)

Наявність зовнішніх пор і свищів

Величина шорсткості (от Ra 50…100 мкм до Ra 200…300 мкм)

Неруйнівний

Руйнівний, за зразками-свідками

За зовнішнім виглядом

Контроль одержаних результатів

Проведення процесу обробки з контролем технологічних параметрів в режимі реального часу

Вибір оптимального режиму обробки (з урахуванням способів усунення характерних недоліків)

Контроль стану присаджуваль-ного матеріалу (у разі його застосування)

Контроль стану оброблюваної поверхні

Контроль роботи обладнання

Забезпечення якості поверхневої обробки, яка проводиться із використанням лазерного випромінювання

Вибір присаджувального або легуючого матеріалу, визначення його хімічного складу і теплофізичних характеристик (1, С1, 1)

Вхідні данні:

- умови експлуатації оброблюваного виробу;

- хімічний склад основного металу;

- теплофізичні характеристики (2,С2,2);

- потрібні твердість, зносо- і корозійна стійкість оброблюваної поверхні (службові властивості);

- потрібні геометрія і шорсткість оброблюваної поверхні після наплавлення або модифікування та після фінішної обробки;

- міцність зчеплення нанесеного шару з основним металом;

- геометрія виробу в цілому.

Вигоряння окремих хімічних елементів наплавочного матеріалу

Вигоряння неметалевих включень наплавочного матеріалу і основного металу

Перехід в режим кинджального проплавлення (Wp≥106 Вт/см2), схлопування парогазового каналу

Причини утворення внутрішніх пор при лазерному наплавленні


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62287. Словарная работа на уроках русского языка в начальной школе 26.47 KB
  Овладение словарным составом литературного языка является необходимым условием освоения учащимися родного языка: его орфоэпии орфографии грамматики правильного словоупотребления и наконец связной речи вообще.