Повышение эффективности лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов, основанное на установленном механизме массопереноса легирующих элементов в зоне лазерного воздействия - Автореферат

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Повышение эффективности лазерной обработки деталей из железоуглеродистых сплавов, основанное на установленном механизме массопереноса легирующих элементов в зоне лазерного воздействия Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте). Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Защита состоится "25 "марта 2008 г. в 16-00 часов в учебном корпусе № 1, ауд.59 на заседании диссертационного совета Д 212.021.01 при Брянском государственном техническом университете, по адресу 241035, г.Разработать принципы выбора технологических параметров лазерной обработки для повышения ее эффективности, базирующиеся на установленном механизме перераспределения легирующих элементов, трансформации неметаллических включений в зоне лазерного воздействия, и связанного с этим получения заданных эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей. определить пути получения изделий с заданным качеством поверхностного слоя после лазерной обработки с использованием известных методик; Определены основные принципы, связывающие процессы перераспределения легирующих элементов и трансформации неметаллических включений с процессами формирования структуры ЗЛВ и обеспечиваемыми при этом эксплуатационными свойствами поверхностного слоя обработанной детали. Теоретически обоснованы принципы выбора технологических режимов лазерной обработки с целью получения деталей с заданными свойствами поверхностного слоя. После стендовых испытаний стойкость роликов и трубчатых направляющих из стали 35Л, обработанных лазером, стала в 4 раза выше стойкости изделий, изготовленных из стали 35ХГСА.На основе анализа публикаций российских и зарубежных ученых и разработок автора изложены научно-обоснованные технологические решения, заключающиеся в оптимизации режимов лазерного упрочнения на основе выявленного механизма массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое обрабатываемых деталей и позволяющие повысить их эксплуатационные свойства, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и повышение эффективности отечественного машиностроения. Установлено, что изменение концентрации элементов в зоне лазерного воздействия имеет место как при обработке с оплавлением поверхности, так и без оплавления. Определены режимы лазерной обработки, обеспечивающие повышение (понижение) концентрации легирующих элементов в зоне лазерного воздействия, что влияет на процесс формирования структуры зоны обработки, а, следовательно, и на свойства обработанных деталей. В результате анализа существующих моделей расчета температурного поля дано обоснование и разработана математическая модель одномерного распространения температурного поля в зоне лазерного воздействия, в основу которой положена теория релаксационных процессов. Экспериментально выявлены и теоретически обоснованы иглоподобные каналы-трещины, образующиеся в зоне термического влияния вследствие термических напряжений вблизи неметаллических включений, длиной соразмерной с зоной термического влияния, которые являются каналами миграции неметаллических включений и газов, а также жидкофазной диффузии элементов в зоне термического влияния.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Семенцев А.М. Массоперенос легирующих элементов в технологических процессах лазерной обработки. М: Машиностроение-1, 2006. - 159 с.

2. Семенцев А.М. Выбор режимов лазерной термообработки сталей различных классов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. - № 9. - С. 20-23.

3. Семенцев А.М. Особенности структурообразования в низколегированных сталях при лазерной обработке // Автоматизация и современные технологии. - 2006. - № 7. - С.34-36.

4. Семенцев А.М. Особенности лазерной обработки стали 20ГМЛ // Обработка металлов. - 2007. - № 1. - С.4-5.

5. Семенцев А.М. Повышение эксплуатационных характеристик стальных деталей // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2007. - №1. - С.40-43.

6. Семенцев А.М. Лазерная обработка высокоуглеродистых сталей // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - № 4. - С.46-47.

7. Семенцев А.М. Оптическая модель массопереноса элементов под действием лазерного излучения // Известия Вузов Сев. - Кавк. Регион. - Технические науки. - 2006. - Приложение № 2. - С.102-105.

8. Лазерное упрочнение отливок из низко - и среднеуглеродистых сталей. / А.М. Семенцев // Сварочное производство. - 2006. - № 1. - С.25-29.

9. Семенцев А. М, Семенцев М.А. Лазерная обработка стали Р6М5 // Известия Вузов Сев. - Кавк. Регион. - Технические науки. - 2006. - Приложение № 2 - С.99-102.

10. Семенцев А.М. Лазерная обработка литейных сталей // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - № 3. - С.49-51.

11. А.М. Семенцев, А.Ю. Смолин. Лазерная обработка стали 20ГМЛ // Изв. вузов Сев. - Кавк. регион - Технические науки. - 2004. - Спецвыпуск. - С.118-119.

12. А.М. Семенцев, А.Ю. Смолин. Перераспределение элементов в стали Р6М5 под действием лазерного излучения // Изв. Вузов Сев. - Кавк. регион - Технические науки. - 2004. - Спецвыпуск. - С.120-121.

13. А.М. Семенцев, С.П. Есипко. Неметаллические включения в зоне лазерного воздействия стали 20ГМЛ // Изв. Вузов Сев. - Кавк. регион - Технические науки. - 2004. - Приложение № 5. - С.90…92.

14. Семенцев А.М., Борисовская И.В., Волынкина Ю.С. Особенности процесса структурообразования в стали Р6М5 при лазерной обработке // Известия Вузов Сев. - Кавк. Регион. - Технические науки. - 2004. - Приложение № 5 - С.92-95.

15. Лазерное упрочнение отливок из стали 35Л. / А.М. Семенцев // Надежность и ремонт машин: Сборник материалов Международной науч. - техн. конф. - Орел: Изд-во ОРЕЛГАУ, 2004. - Ч.2. - С.47-50.

16. Поведение неметаллических включений в зоне лазерного воздействия сталей/ А.М. Семенцев // Машиностроение и техносфера XXI века. - Донецк: ДОННТУ, 2005. - Т.3. - С.164 - 168.

17. Механические свойства мало - и среднеуглеродистых сталей, упрочненных лазером/ А.М. Семенцев, Е.А. Семенцева // Надежность и ремонт машин: Сборник материалов 2-ой Международной науч. - техн. конф. - Орел: Изд-во ОРЕЛГАУ, 2005. - Ч.2. - С.93-97.

18. Семенцев А.М., Перелома В.А., Лихошва В.П., Шевченко А.Г. Неметаллические включения в зоне лазерного воздействия сталей // Металлы. - 1997. - № 2. - С.139-142.

19. Семенцев А.М., Лунин Л.С., Паук А.Г. и др. Формирование неметаллических включений при лазерной обработке опытной стали // Материаловедение. - 1997. - № 4. - С.22-23.

20. Исследование параметров жидкого и жидко-твердого состояния стали при внепечной обработке комплексными лигатурами/ В.Л. Найдек, В.А. Перелома, В.П. Лихошва, А.М. Семенцев // Новые литые материалы, технологии и методы их исследования. - Киев: ИПЛ АН Украины, 1991. - С.109-113.

21. Лазерная обработка алюминиевого сплава в жидко-твердом состоянии/ В.А. Перелома, В.П. Лихошва, Н.М. Кочегура, А.М. Семенцев // Применение лазерных технологий в машиностроении и приборостроении: Сб. науч. тр. междунар. конф. - М.: НИИЦТЛАН, 1991. - С.40-41.

22. Повышение эксплуатационной стойкости отливок для формовочного оборудования/ В.Л. Найдек, В.П. Лихошва, А.М. Семенцев // Литейное производство и окружающая среда. - Минск: НИИЛИТАВТОПРОМ, 1992. - С.59-61.

23. Влияние лазерного воздействия на распределение легирующих элементов в поверхностном слое изделий из железоуглеродистых сплавов/ В.Л. Найдек, В.А. Перелома, В.П. Лихошва, А.М. Семенцев, Р.Я. Ликер // Нетрадиционные и лазерные технологии. NALT’92. - М.: ФИРАН, 1992. - С.118-120.

24. Обработка расплава силумина/ В.П. Лихошва, А.М. Семенцев, Е.А. Бабченко // Строение металлических и шлаковых расплавов. - Екатеринбург: Ин-т металлургии УНЦ РАН, 1994. - С.18-20.

25. Повышение надежности и ресурса узлов летательных аппаратов посредством лазерной обработки/ А.М. Семенцев, А.Г. Шевченко, А.Ю. Смолин // 21 Гагаринские чтения. - М: МАИ, 1995. - С.52-53.

26. Семенцев А.М., Гладун К.К. Моделирование температурного и концентрационного полей при лазерном воздействии на металл // Проблемы современных технологий: Сб. науч. тр. / Волгодон. ин-т Новочерк. гос. техн. ун-та. - Новочеркасск: Набла, 1996. - С.49-54.

27. Технологические особенности лазерной обработки стали 20ГМЛ/ А.М. Семенцев // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Сборник статей VII междунар. науч. - техн. конф. - Пенза, 2003. - Ч.2. - С.74-76.

28. Трансформация неметаллических включений в сталях при лазерной обработке/ А.М. Семенцев // Машиностроение и техносфера XXI века. - Донецк: ДОННТУ, 2003. - Т.3. - С.111-114.

29. Массоперенос элементов при лазерной обработке стали 20ГМЛ/ А.М. Семенцев, М.А. Семенцев // Инновации в машиностроении. - Пенза, 2003. - С.34-36.

Размещено на .ru

1. На основе анализа публикаций российских и зарубежных ученых и разработок автора изложены научно-обоснованные технологические решения, заключающиеся в оптимизации режимов лазерного упрочнения на основе выявленного механизма массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое обрабатываемых деталей и позволяющие повысить их эксплуатационные свойства, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и повышение эффективности отечественного машиностроения.

2. Впервые установлена связь между характером перераспределения легирующих элементов в зоне лазерного воздействия и длительностью импульса. Установлено, что изменение концентрации элементов в зоне лазерного воздействия имеет место как при обработке с оплавлением поверхности, так и без оплавления. Определены режимы лазерной обработки, обеспечивающие повышение (понижение) концентрации легирующих элементов в зоне лазерного воздействия, что влияет на процесс формирования структуры зоны обработки, а, следовательно, и на свойства обработанных деталей.

3. Предложена принципиально новая физическая модель аномального массопереноса элементов при воздействии лазерного излучения на поверхность детали, основанная на разнице оптических свойств неметаллических включений, находящихся в основном металле, и самой матрицы. Установлено, что основную роль в процессе переноса играет скорость нагрева, обеспечивающая переход твердая фаза - газ.

4. В результате анализа существующих моделей расчета температурного поля дано обоснование и разработана математическая модель одномерного распространения температурного поля в зоне лазерного воздействия, в основу которой положена теория релаксационных процессов. Расчет, произведенный по данной модели, подтвердил гипотезу о более высокой интенсивности нагрева детали лазерным излучением, чем это было принято считать, исходя из известных математических моделей.

5. Выявлено, что перенос включений к поверхности расплава зависит от геометрических размеров и формы ванны расплава, которые, в свою очередь, определяются энергетическими параметрами лазерного излучения и местом расположения включения в ванне расплава.

6. Установлено, что основным источником аномального массопереноса элементов в зоне оплавления и в зоне термического влияния являются неметаллические включения (оксиды, сульфиды, карбиды и комплексные соединения на их основе). Перераспределение элементов в зоне лазерного воздействия обеспечивается за счет миграции неметаллических включений в зоне термического влияния, их распадом и диффузией элементов в расплаве.

7. Экспериментально выявлены и теоретически обоснованы иглоподобные каналы-трещины, образующиеся в зоне термического влияния вследствие термических напряжений вблизи неметаллических включений, длиной соразмерной с зоной термического влияния, которые являются каналами миграции неметаллических включений и газов, а также жидкофазной диффузии элементов в зоне термического влияния.

8. Предложена модель, утверждающая, что фактором образования аномалий перераспределения и массопереноса элементов и фаз в зоне лазерного воздействия является магнитное поле, индуцируемое лазерным излучением. Со стороны этого поля на компоненты сплава (парамагнетики и диамагнетики) в зоне оплавления и зоне термического влияния действуют силы, имеющие различные направления вектора, которые зависят от магнитных свойств компонентов.

9. Установлено, что под действием лазерного излучения происходит изменение количества, формы, размеров, химического состава и характера распределения неметаллических включений. В зоне лазерного воздействия характерно наличие высокодисперсных (менее 1 мкм) неметаллических включений, имеющих глобулярную форму. Эти включения расположены равномерно, без скоплений. Количество их на 2 порядка меньше, чем в исходном металле. Включения в значительной степени обеднены неметаллической составляющей.

10. Для деталей из различных сталей определены режимы лазерной обработки, обеспечивающие наибольшее повышение микротвердости поверхностного слоя.

11. Так как лазерная обработка приводит к изменению морфологии, размеров и характера распределения неметаллических включений, они перестают играть роль концентраторов напряжений при динамических нагрузках. Однако получаемые после облучения внутренние напряжения в зоне лазерного воздействия не позволяют увеличить работу разрушения при испытании прочностных характеристик детали.

12. Теоретически обоснованы принципы выбора технологических режимов лазерной обработки деталей с целью получения поверхностных слоев с заданными эксплуатационными свойствами.

13. На основании результатов исследований разработаны технологии лазерной обработки, внедрение которых в производство позволило повысить эксплуатационные характеристики деталей при работе в условиях интенсивного износа. Экономический эффект от внедрения результатов работы, подтвержденный актами внедрения, составил 120 000 рублей в ценах 1992 года и 412 000 в ценах 2003…2005 гг.