Введение к работе
Актуальность проблемы. Лазерная сварка, резка и термическая обработка являются перспективными технологическими процессами в нефтяном и газовом машиностроении. Однако применение, в частности, лазерной обработки (ЛО) для модифицирования рабочих поверхностей деталей делает необходимым определение параметров качества упрочненного слоя: его толщины и твёрдости, распределения остаточных напряжений, шероховатости поверхности и других. Использованию лазеров для сварки, резки и упрочнения, изучению влияния ЛО на свойства металлов было посвящено много работ различных авторов: Анисимова СИ., Большова Л.А., Вейко В.П., Григорьянца А.Г., Коваленко B.C., Крапошина B.C., МиркинаА.И., Рыкалина Н.Н., Сафонова А.Н., Углова А.А., Араты И., Дьюли У., Ли У.В., Реди Дж., Басса М. и ряда других учёных.
Исследование микрорельефа поверхности после лазерной резки, сварки и ЛО проводили в основном экспериментально, так как теоретическое описание эволюции профиля поверхности затруднено. Недостаточная разработка данной проблемы не позволяет прогнозировать микрогеометрические характеристики поверхности деталей после лазерных технологических процессов и, следовательно, определять необходимость и вид последующей финишной обработки.
Таким образом, развитие методов определения закономерностей эволюции микрорельефа поверхности металлов и, в частности, железоуглеродистых сплавов после ЛО в сварочном и других режимах является актуальной задачей машиностроения.
Диссертация выполнена в рамках научных исследований, проводимых кафедрой "Сварки и защиты от коррозии нефтегазовых сооружений" ГАНГ им.И.М.Губкина по межвузовской программе "Сварочное производство", Подраздел За "Разработка лазерной технологии обработки конструкционных сталей и сварных соединений с целью повышения трибодогических свойств" за 1992-1994 г.
Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных характеристик деталей из железоуглеродистых сплавов путём формирования заданной топографии рабочих поверхностей лазерным излучением (ЛИ).
Задачи работы.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Определение основных физических процессов, определяющих
пользовании непрерывного лазерного излучения.
-
Разработка моделей формирования и эволюции профиля микронеровностей при ЛО в различных технологических режимах.
-
Экспериментальная проверка применимости моделей.
-
Разработка технологических рекомендаций по формированию заданной топографии поверхности ЛО в различных режимах.
Методы исследования. В ходе исследований использовали современное оборудование. ЛО экспериментальных образцов проводили на лазерных технологических установках с длиной волны 10,6 мкм -Хебр 1 А и ЛТ-1-2М, а также с длиной волны 1,06 мкм - ЛТН-103. Параметры микрорельефа поверхности исследовали на профиломет-ре-профилографе модели "Калибр-252" и автоматизированном профило-метре "Perthometer S8P" фирмы Feinpruef. Фотографии поверхности образцов получали с помощью сканирующего электронного микроскопа "Scan BS-300" фирмы "Тесла". Микротвёрдость поверхностных слоев металла определяли на микротвердомере ПМТ-3, а твердость определяли по методу Роквелла. Теоретические исследования проводились с использованием персональных IBM-совместимых компьютеров.
Научная новизна.
- Установлено, что ведущими процессами, влияющими на характеристики микрорельефа стали при лазерном оплавлении непрерывным излучением с длиной волны 10,6 мкм, являются образование приповерх-
ностного факела и плазмы, приводящее к модулированию лазерного излучения, и распространение на поверхности расплава капиллярных волн.
Предложены двухмерная нестационарная и трехмерная квазистационарная модели тешюмассопереноса, решавшиеся численно в рамках гидростатического приближения, позволяющие оптимизировать' лазерную обработку поверхности металлов в широком диапазоне режимов.
Установлена зависимость амплитуды крупномасштабных периодических микпонеповностем на поверхности желеяпуг.лепллисшх сплавов от режимов лазерного оплавления и свойств металла.
Практическая ценность работы.
Разработан комплекс интерактивных программ для персональных ЭВМ системы IBM с дружественным интерфейсом, позволяющий прогнозировать размеры микронеровностей после лазерного микрооплавления поверхности металлов и форму каналов, получаемых с помощью "лазерного гравирования", а также оптимизировать указанные режимы лазерной обработки.
На основе проведенных исследований предложен ряд технологических приемов для улучшения микрогеометрических характеристик качества поверхности при использовании технологии лазерного оплавления непрерывным излучением.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Научно-практическом семинаре "Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях" (Челябинск, май 1990 г.), на научно-техническом симпозиуме "Методы и применение голографической интерферометрии" (Куйбышев, июль 1990 г.), на научно-техническом семинаре "Лазеры в народном хозяйстве" (Москва, декабрь 1991 г.), на Российской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении" (Рыбинск, май 1994 г.), на научно-техническом семинаре кафедры "Сварки и защиты от коррозии", ГАНГ им.И.М.Губкина (Москва, 1994 г.),на научно-технической кон-
ференции, посвященной 70-летию первого выпуска российских инженеров-нефтяников "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", (Москва, октябрь 1994 г.), на Российском научно-техническом семинаре "Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин" (Москва, май 1995 г.), на 5-й международной конференции "Лазерные технологии '95" (Шатура, июнь 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных литературных источников, 2 приложений. Содержит 142 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 57 рисунков, 125 наименований литературных источников.