8 800 301-35-45
8 495 781-35-45
info@s-laser.ru
цены
 
   
       
ГлавнаяСтатьи Добавить сайт в избранное
 
 
  • Услуги
  • Продукция

Статьи, посвященные лазерной резке

 
С Днем России!  
09.06.2017
Пусть этот светлый, радостный день запомнится каждому яркими событиями, праздничными салютами и, конечно же, чувством патриотизма!
подробнее...
Поздравляем с 9 мая!
 04.05.2017
В преддверии этого великого праздника, прежде всего, хочется сказать спасибо нашим дорогим ветеранам за Победу!
подробнее...
Карта сайта

Особенности структурообразования в зонах лазерного оплавления металлов и сплавов в процессе лазерной резки

Использование лазерной резки металлических материалов в целях получения высокого уровня эксплуатационных свойств является весьма перспективным в связи с возможностью целенаправленной организации структуры поверхностных слоев за счет направленной кристаллизации, дисперсионного упрочнения, химикотермической обработки и, как следствие, получения нетривиального комплекса физических, химических и механических свойств.

Для увеличения толщины зоны лазерного воздействия при упрочняющей обработке, особенно при лазерном легировании, часто используют облучение материалов с плавлением поверхности. Высокоскоростная кристаллизация из расплава, полученного при воздействии лазерного луча, открывает новые возможности для получения качественно иного структурного состояния в сплавах по сравнению с традиционными металлургическими процессами.

При лазерной резке металла с плавлением поверхности конечная структура формируется на стадии охлаждения тонкого слоя жидкой фазы (10-30 мкм). В этой зоне наблюдаются, в основном, дендритные кристаллы различной формы, которые во многом определяют показатели качества и свойств поверхности после облучения.

Цель настоящей работы заключается в описании эффектов структурообразования в зонах плавления (ЗП) на поверхности различных металлических материалов под воздействием импульсного лазерного воздействия.

Исследовали стали У10А, У12, Х12М, Х12Ф1, Р18, Р6М5, 12Х18Н9Т, 08X13, а также никель и спла­вы на его основе. Импульсную лазерную поверхностную обработку осуществляли на технологических установках "Квант-16", "Квант-18" при изменении плотности мощности излучения в пределах 80 - 200 МВт/м2 путем дефокусировки луча (3-6 мм) и варьированием длительности импульса излучения (3-10~3-6-Ю-3 с). Микроструктурные исследования проводили на поперечных и продольных шлифах на микроскопах МИМ-7 и "Neophot-21", а также с использованием микроинтерферометра Линника (МИИ-4М). Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н.

Результаты исследований процесса лазерной резки и их обсуждение.

Металлографическим методом выявлено несколько типов строения лазернооплавленных зон. На микрофотографии стали Х12Ф1 в оплавленной части пятна хорошо просматривается дендритное строение, для никеля и его сплавов характерно ячеистое строение этой зоны, а для стали Р6М5 — мозаичное. Возможен также и недендритный рост кристаллов в оплавленной зоне. В зоне плавления сплавов ферритного класса возникает "игольчатая" структура. Она наблюдается на техническом железе и на легированных сталях типа 08X13. Такая структура нетипична для этих сплавов и не встречается при обычных скоростях охлаждения. Аналогичное строение а-фазы на техническом железе после воздействия излучения непрерывного СО2 лазера наблюдали авторы работы и связывали его с протеканием фазового у а-превращения в железе при скоростях охлаждения ~ 104 °С/с по сдвиговому мартенситному механизму.

Обращают на себя внимание также такие особенности строения оплавленной зоны на стали Р6М5, выявленные тепловым травлением, как зубчатость границ зерен и присутствие полос скольжения . Это может быть связано с протеканием процессов, аналогичных ВТМО, т.е. динамической высокотемпературной деформации. Искривленность границ зерен в виде зубчатости, повидимому, является следствием миграции границ за счет возникающих при лазерной обработке значительных микронапряжений и пластической деформации в микрообъемах металла. В случае лазерного плавле­ния поверхности, т.е. когда в центральной части пятна возникает слой застывшего расплава, основным источником локальной пластической деформации являются термические напряжения при кристаллизации, а также напряжения, возникающие на границе зоны расплава с твердым металлом. Таким образом, процесс практически мгновенного поглощения энергии при лазерной обработке приводит к генерации волн напряжений и к высокоскоростной локальной пластической деформации микрообъемов поверхностного слоя, что способствует фрагментации структуры, ускоряет процессы массопереноса элементов металла и оказывает большое влияние на свойства оплавленной зоны. Подтверждением сказанного выше служит смещение интерференционных полос на возникающем микрорельефе поверхности в центральной части пятна, которое отчетливо фиксируется при исследовании структуры с использованием микроинтерференционного микроскопа МИИ-4М. Дополнительный вклад в появление напряжений и формирование наблюдаемой мозаичной структуры, состоящей из субзерен (блоков), вносит гидродинамическое перемешивание расплава под действием термокапилярных сил, возникающих вследствие не­однородного нагрева поверхности, возникающего в ходе лазерной резки листового металла.

Формирующиеся при этом циркуляционные вихри, распадающиеся на ряд завихрений, обеспечивают аномальные потоки массопереноса и диспергирование растущих кристаллов, т.е. наноструктурные эффекты. Наиболее вероятной силой, приводящей в движение жидкость, может являться сила поверхностного натяжения. Ее появление обусловлено тем, что при нагреве лазерным лучом металлической поверхности температура оказывается зависящей от координаты вдоль поверхности. В центре пятна температура нагрева максимальна, а к краю пятна она уменьшается. Поверхностное натяжение зависит от температуры поверхности и уменьшается с ее повышением. Вследствие этого на поверхности возникает сила, направленная от центра пятна облучения к его краям. Если поверхность расплавлена, то из-за этой силы возни­кает движение жидкости. Сила, действующая на единицу поверхности металлического образца, уравновешивается вязкой силой трения. Таким образом, на поверхности жидкости оказывается заданным ротор скорости. Внутренние течения, возникающие в ванне расплава, кроме диспергирования кристаллов могут существенно ускорить процесс перемешивания и растворения избыточных фаз и легирующих добавок в поверхностном слое металла. Управляющим параметром является градиент колебательного давления на границе раздела твердаяжидкая фаза, который при достижении критического уровня становится параметром порядка, контролирующим конвективные и аномальные диффузионные потоки, обеспечивая диспергирование растущих кристаллов. Конвективное течение является ответственным за дисперсию в объеме ванны богатых растворенными элементами участков расплава. Малый размер кристаллитов оплавленного металла приводит к тому, что значительную долю материала (~ 50 %) занимают межкристаллитные границы, что коренным образом изменяет механизмы, ответственные за формирование макроскопических характеристик лазерно-оплавленного металла.