Роботизированное лазерное термоупрочнение

Лазерное упрочнение

Лазерное упрочнение (лазерный пининг) - это процесс улучшения поверхности металла при “холодной” обработке, используемый для создания сжимающих остаточных напряжений в широком спектре материалов. Сжимающие остаточные напряжения, вызванные лазерным упрочнением, предотвращают отказы из-за усталости и других эффектов разрушения поверхности, препятствуя зарождению трещин. Лазерное упрочнение обеспечивает точный контроль и возможность доступа к труднодоступным участкам компонента.
Лазерное упрочнение может применяться как для новых, так и для находящихся в эксплуатации деталей. Преимущества процесса позволяют увеличить срок службы, сократить интервал технического обслуживания и время простоя - и все это без изменения конструкции детали. Аэрокосмическая промышленность, электроэнергетика, автомобилестроение, судоходство, тяжелое оборудование и обрабатывающая промышленность также могут использовать компоненты с низким удельным весом, сохраняя при этом или повышая усталостную прочность металла.

Суммируя, лазерное упрочнение применяется для следующих процессов:

• повышение усталостной долговечности;
• повышение сопротивления коррозионному растрескиванию;
• повышение сопротивления коррозии;
• повышение усталостной прочности и долговечности;
• улучшение микроструктуры, механических свойств и твёрдости.
• Важность сжимающего остаточного напряжения

Лазерное упрочнение - это механический (холодная обработка) процесс, при котором на поверхность воздействуют лазерные импульсы с высокой интенсивностью и генерируются ударные волны. Эти волны пластически деформируют поверхность, и сжимающие напряжения распространяются на глубину. Эти динамические сжимающие напряжения максимальны на поверхности и уменьшаются с глубиной.
При определении усталостной прочности или устойчивости компонента к повреждениям чистое напряженное состояние представляет собой сумму всех существующих напряженных состояний, включая приложенные и остаточные напряжения. Как правило, большинство подверженных усталости компонентов выходят из строя, когда они испытывают высокое растягивающее напряжение или повторяющуюся растягивающую нагрузку, сосредоточенную на поверхности детали. Растягивающие напряжения усугубляют микроскопические трещины в материале, развивая крошечные трещины, пока они не превратятся в большие трещины. Когда компонент усилен сжимающими остаточными напряжениями, он может выдерживать большие растягивающие усилия до появления трещин и разрушения. Более сильные сжимающие остаточные напряжения обеспечивают больший буфер против деформации растяжения, а более глубокие сжимающие напряжения препятствуют возникновению и распространению трещин под поверхностью.

Схема процесса лазерного упрочнения

На текущий момент наиболее известным и распространенным способом получения сжимающих напряжений на поверхности деталей является дробеструйная обработка. За счёт своих достоинств дробеструйная обработка используется на многих металлообрабатывающих предприятиях при изготовлении шестерен, кулачков, пружин, валов, для удаления окалины, отделки поверхности отливок и т.д. Тем не менее у лазерного упрочнения есть свои преимущества по отношению к дробеструйной обработке.
Было показано, что лазерное упрочнение обеспечивает более чем 10-кратное увеличение срока службы компонентов, которые ранее подвергались только дробеструйной обработке. Этот тип продления срока службы не имеет себе равных среди улучшений поверхности и способен произвести революцию во многих отраслевых практиках. Детали, обработанные лазером, не только служат дольше, но и могут изготавливаться из меньшего количества материала, что снижает затраты и повышает эффективность.

Преимущества лазерного упрочнения

• большая глубина остаточных напряжений на поверхности металла, достигающая примерно в 4-5 раз большей глубины и большей интенсивности по всей поверхности по сравнению с дробеструйной обработкой;
• хорошая чистота поверхности по сравнению с дробеструйной обработкой, где шероховатость может быть уменьшена лишь путем шлифования или полировки;
• возможность обработки выемок и галтелей в отличие от дробеструйной обработки;
• возможность обработки сложных геометрических фигур из-за технологии доставки лазерного луча;
• возможность интеграции в производственную линию с высокой степенью автоматизации.

Для лазерного упрочнения деталей могут применяться роботизированные комплексы, позволяющие выполнять обработку в полностью автоматическом режиме. Типовая роботизированная ячейка будет иметь схему:

Для обеспечения упрочнения требуемой зоны заготовка перемещается относительно лазерного луча 6-ти осевым антропоморфным роботом.