Моделирование поверхностной закалки с использованием сканирующего оптоволоконного лазера

Показана возможность управления температурными полями в процессе сканирующей лазерной обработки оптоволоконным лазером. Разработана математическая модель процесса закалки сканирующим лазерным излучением при возвратно-поступательном движении лазерного луча и поступательном движении детали. Выполнен расчет температурного поля, возникающего при лазерной закалке с постоянной мощностью и с изменением мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча при его относительном перемещении. В результате математического моделирования процесса лазерной закалки при изменении мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча установлено, что применение сканирующей системы с программноизменяемой мощностью излучения позволяет снизить на 25 % энергетические затраты с сохранением заданной геометрии зоны упрочнения. Представлены результаты лазерной закалки поверхности стали 45 на газовом лазере 1,2 кВт и технологической установке на базе оптоволоконного лазера мощностью до 2 кВт, оснащенной сканирующей системой. За показатель производительности был принят объем закаленного материала в единицу времени. Анализ полученных результатов показывает, что использование излучения оптоволоконного лазера обеспечивает повышение производительности закалки в 3–5 раз по сравнению с применением излучения СО2 -лазера той же мощности. Полученный эффект объясняется изменением условий взаимодействия излучения с поверхностью металла при изменении длины волны излучения, а также изменением баланса распределения тепла в зоне воздействия лазерного луча. С учетом более высокого КПД энергоэффективность использования оптоволоконных лазеров для поверхностного упрочнения в 9–15 раз выше, чем при использовании СО2 -лазеров.

1. Югов, В. И. Высокоэффективная технология ресурсосбережения: лазерная поверхностная обработка / В. Югов // Фотоника. – 2012. – № 4. – С. 13–20.

2. Бирюков, В. П. Модификация поверхности с помощью лазерного излучения / В. П. Бирюков // Фотоника. – 2010. – № 3. – С. 18–21.

3. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В. Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. – 664 с.

4. Бирюков, В. П. Изменение структуры и свойств сталей при лазерном упрочнении / В. П. Бирюков // Фотоника. – 2012. – № 3. – С. 22–26.

5. Манако, В. В. Методика оценки размеров зоны закалки при обработке движущимся лучом лазера / В. В. Ма нако, В. А. Путилин // Физика и xимия обработки материалов. – 2010. – № 5. – С. 23–28.

6. Иванов, С. Ю. Моделирование тепловых процессов при сварке соединений с криволинейными швами / С. Ю. Иванов, В. А. Кархин, В. Г. Михайлов // Изв. ТулГУ. Техн. науки. – 2015. – Вып. 6, ч. 2. – С. 62–66.

7. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: cправочник / Н. Н. Рыкалин [и др.]. – М.: Ма шиностроение, 1985. – 496 с.

8. Манако, В. В. Аналитическое решение задачи нагрева образца движущимся лучом лазера / В. В. Манако, В. А. Путилин // Вестн. СамГТУ. Сер.: Физ.-мат. науки. – 2009. – № 1 (18). – С. 206–213.

9. Хирд, Г. Измерение лазерных параметров / Г. Хирд. – М.: Мир, 1970. – 540 с.