«Дослідження процесу зміцнення лазерним променем деталей машин»

Губерний, Руслан Олегович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8833

Title:	«Дослідження процесу зміцнення лазерним променем деталей машин»
Authors:	Коваленко, Юрій Іванович Губерний, Руслан Олегович
Keywords:	Процес зміцнення лазерним променем
Issue Date:	2024
Abstract:	АНОТАЦІЯ На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Дослідження процесу зміцнення лазерним променем деталей машин». Виконавець: студент групи мТМ-32 Губерний Руслан Олегович Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Юрій Іванович Кваліфікаційна робота містить 87 сторінку формату А4, 31 рисунків, 13таблиць, 39 літературних джерел. В кваліфікаційній роботі магістра було проведено аналіз сучасних методів поверхневого зміцнення деталей машин. Було встановлено, що на сьогоднішній день перспективним методом поверхневого зміцнення є метод лазерного термозміцнення. Проведено аналіз технологічного обладнання для лазерного термозміцнення, розглянуто принцип дії цього обладнання. Розглянуто технологію лазерного зміцнення, методики по визначенню мікротвердості та корозійної стійкості. Проведено аналіз впливу технологічних параметрів лазерного зміцнення на процес лазерного зміцнення. Визначено мікротвердість зміцненої поверхні. Досліджено зносостійкість обробленої поверхні, досліджено корозійну стійкість. В розділі охорона праці проведено аналіз умов праці при роботі на лазерній установці.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8833
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Губерний.pdf Restricted Access		2.42 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Дослідження процесу зміцнення лазерним променем деталей машин»
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології машинобудування»
Губерний Руслан Олегович
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Ю. І.
Рецензент: начальник виробництва ТОВ «МНВК»
«Станко-Груп» Васильківський О.В.
.
Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
___________Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________20___р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_____________ Губерний Руслан Олегович______________________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи: _Дослідження процесу зміцнення лазерним променем деталей
машин _________________________________________________________ __
Керівник роботи Коваленко Юрій Іванович, к.т.н., доцент ________
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«__16_» ___вересня___________ 2024_____р. №_272/04_____
2. Термін подання здобувачем роботи
3. Вихідні дані до роботи:______обладнання для лазерного зміцнення поверхні,
технологія лазерного зміцнення_
4. Зміст пояснювальної записки: вимоги до властивостей поверхневих шарів,
поверхневе зміцнення без зміни хімічного складу, зміцнення зі зміною
хімічного складу поверхні, електроіскрове легування, електронно-променеве
зміцнення, лазерне термозміцнення, технологічне обладнання, розробка
технології лазерного зміцнення, методика по вимірюванню твердості,
дослідження корозійної стійкості, визначення впливу технологічних параметрів
на процес лазерного зміцнення, визначення характеру розподілу мікротвердості
по глибині, дослідження зносостійкості отриманої поверхні, корозійна стійкість
поверхонь сталі до і після лазерної обробки, лазерне зміцнення деталей,
випромінювання оптичного, вплив лазерних випромінювань на людину,
контроль рівнів небезпечних і шкідливих факторів при роботі з лазерами,
сучасні технічні засоби дозиметричного контролю лазерного обладнання,
захист від впливу лазерних випромінювань
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо тема, обладнання для зміцнення
поверхонь деталей лазерним променем, вплив технологічних параметрів на
процес лазерного зміцнення, геометрія зони обробки, розподіл мікротвердості
по глибині зони, дослідження зносостійкості поверхні, режими зміцнення
зразків, приклади застосування лазерної модифікації поверхні
7. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Підпис, дата
Розділ Керівник завдання завдання
видав прийняв
1,2,3 Коваленко Ю.І.
4 Цікановський В.Л.

8. Дата видачі завдання _____16.09.24_________________
Календарний план
№ Термін виконання
Назва етапів кваліфікаційної роботи Примітка
з/п етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ
2 Написання І розділу КРМ
3 Написання ІІ розділу КРМ
4 Написання ІІІ розділу КРМ
5 Написання розділу з охорони праці
6 Оформлення пояснювальної записки
7 Оформлення графічної документації
8 Захист роботи

Здобувач ___________ _Руслан ГУБЕРНИЙ___
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ __Юрій КОВАЛЕНКО_____
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

АНОТАЦІЯ
На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Дослідження процесу
зміцнення лазерним променем деталей машин».
Виконавець: студент групи мТМ-32 Губерний Руслан Олегович
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Юрій Іванович
Кваліфікаційна робота містить 87 сторінку формату А4, 31 рисунків,
13таблиць, 39 літературних джерел.
В кваліфікаційній роботі магістра було проведено аналіз сучасних
методів поверхневого зміцнення деталей машин. Було встановлено, що на
сьогоднішній день перспективним методом поверхневого зміцнення є метод
лазерного термозміцнення. Проведено аналіз технологічного обладнання для
лазерного термозміцнення, розглянуто принцип дії цього обладнання.
Розглянуто технологію лазерного зміцнення, методики по визначенню
мікротвердості та корозійної стійкості.
Проведено аналіз впливу технологічних параметрів лазерного зміцнення
на процес лазерного зміцнення. Визначено мікротвердість зміцненої поверхні.
Досліджено зносостійкість обробленої поверхні, досліджено корозійну
стійкість.
В розділі охорона праці проведено аналіз умов праці при роботі на
лазерній установці.
ANNOTATION
For the master's qualification work on the topic: "Research on the process of
hardening machine parts with a laser beam".
Performer: student of the group MTM-32 Guberny Ruslan Olegovich
Supervisor: Ph.D., Associate Professor Kovalenko Yuriy Ivanovych
The qualification work contains 87 pages of A4 format, 31 figures, 13 tables,
39 references.
In the master's qualification work, an analysis of modern methods of surface
hardening of machine parts was conducted. It was established that today the
promising method of surface hardening is the method of laser thermal hardening. An
analysis of technological equipment for laser thermal hardening was conducted, the
principle of operation of this equipment was considered. The technology of laser
hardening, methods for determining microhardness and corrosion resistance were
considered.
An analysis of the influence of technological parameters of laser hardening on
the process of laser hardening was conducted. The microhardness of the hardened
surface was determined. The wear resistance of the treated surface was investigated,
and corrosion resistance was investigated.
In the occupational safety section, an analysis of working conditions when
working on a laser installation was conducted.
Зміст
ст.
Вступ…………………………………………………………………..........7
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА
1.1 Вимоги до властивостей поверхневих шарів………………….……9
1.2 Поверхневе зміцнення без зміни хімічного складу………………..12
1.3 Зміцнення зі зміною хімічного складу поверхні…………..……….17
1.4 Електроіскрове легування ……………………………………………19
1.5 Електронно-променеве зміцнення…………………………………. .21
1.6 Лазерне термозміцнення ……………………………………………..24
Висновки до розділу 1………………………………………………….…32
РОЗДІЛ 2. ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО
2.1 Технологічне обладнання …………………………………………….33
2.2 Розробка технології лазерного зміцнення ………………………..….37
2.3 Методика по вимірюванню твердості………………………………..43
2.4 Дослідження корозійної стійкості …………………………………..47
Висновки до розділу 2…………………………………………………….48
РОЗДІЛ 3. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1 Визначення впливу технологічних параметрів на процес лазерного
зміцнення ………………………………………………………………….49
3.2 Визначення характеру розподілу мікротвердості по глибині ……...57
3.3 Дослідження зносостійкості отриманої поверхні …………………..60
3.4 Корозійна стійкість поверхонь сталі до і після лазерної обробки …62
3.5 Лазерне зміцнення деталей …………………………………………..65
Висновки до розділу 3 …………………………………………………….66
5
РОЗДІЛ 4.ОХОРОНА ПРАЦІ
4. 1. Випромінювання оптичного діапазону …………………………….67
4.2 Вплив лазерних випромінювань на людину …………………………69
4.3 Контроль рівнів небезпечних і шкідливих факторів при роботі з
лазерами ………………………………………………………………………..…71
4.4 Сучасні технічні засоби дозиметричного контролю лазерного
обладнання ………………………………………………………………………..76
4. 5 Захист від впливу лазерних випромінювань ……………………….81
Висновки до розділу 4…………………………………………………….82
Висновки………………………………………………………………….83
Список використаної літератури ……………………………………..84
6
ВСТУП
Під час експлуатації обладнання машинобудівних підприємств і
авіаційної техніки найбільший механічний вплив зазнає поверхневий шар
деталей. Основною причиною виходу з ладу деталей та вузлів механізмів є
недостатня стійкість поверхонь до зношування.
Одним із ключових завдань науково-технічного розвитку є вдосконалення
та впровадження технологій лазерного зміцнення корозійностійких сталей, що
використовуються в деталях і вузлах машин, які працюють у складних
експлуатаційних умовах. Сучасний розвиток машинобудування спрямований на
скорочення витрат під час експлуатації та збільшення терміну служби
механізмів і вузлів. Це вимагає розробки нових технологій обробки, створення
сучасних матеріалів і вдосконалення методів модифікації поверхонь.
Лазерна обробка є локальним методом термічної обробки поверхонь
деталей і має низку переваг у порівнянні з традиційними методами:
висока концентрація енергії забезпечує обробку поверхневого шару на
необхідну товщину без нагрівання основного об'єму матеріалу, зберігаючи його
властивості та структуру, що дозволяє уникнути викривлення деталей.
швидке нагрівання та охолодження поверхневого шару за короткий час дає
змогу отримати структури з високими експлуатаційними характеристиками.
гнучке регулювання параметрів лазерної обробки дозволяє формувати
структуру поверхневого шару із заданими фізико-механічними властивостями,
шорсткістю та геометрією оброблених зон.
можливість обробки на повітрі та високий рівень автоматизації процесів.
дистанційна обробка забезпечує виконання робіт на значних відстанях і в
важкодоступних місцях із використанням складних траєкторій.
Розвиток теорії лазерів і створення сучасних установок, які працюють на
нових принципах генерації, вимагає адаптації технологічних процесів
лазерного зміцнення сталей з урахуванням можливостей цих інноваційних
комплексів. Технології лазерного зміцнення є пріоритетними направленнями
7
для підвищення зносостійкості та надійності вузлів тертя і робочих органів
машин.
Мета роботи: дослідити технологію зміцнення поверхонь деталей машин
лазерним променем
Задачі магістерської роботи:
1. Провести літературний огляд сучасних методів зміцнення
поверхонь деталей
2. Дослідити процес зміцнення поверхні деталей машин шляхом
використання лазерного променя
3. Визначити оптимальні методи дослідження зміцнених поверхонь
4. Провести дослідження поверхні, визначити мікротвердість,
пористість, зносостійкість, корозійну стійкість поверхонь
5. в розділі охорона праці провести аналіз умов праці при роботі на
лазерній установці.
Об’єкт дослідження: лазерне зміцнення поверхонь деталей машин
Предмет дослідження: поверхня деталей машин зміцнена лазерним
променем.
8
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА
На сьогоднішній день існує значна кількість методів поверхневого
зміцнення [1]. Методи поділяються на різні класифікації, які ґрунтуються на
різноманітних критеріях.
Кожен метод або їхня група дозволяють створити структуру з певними
необхідними характеристиками, такими як зносостійкість, жаростійкість,
твердість тощо. Вибір конкретного методу визначається його продуктивністю,
економічністю та іншими факторами. Усі відомі методи поверхневого
зміцнення можна умовно поділити на три основні групи [1]. Перша група
включає методи, які забезпечують зміцнення поверхні шляхом фазових і
структурних перетворень без зміни хімічного складу поверхні. Друга група
охоплює методи, де зміцнення досягається завдяки зміні хімічного складу
поверхні, введенню нових хімічних елементів у поверхневий шар або
утворенню нових сполук. Третя група складається з комбінованих методів, які
поєднують послідовне або одночасне застосування способів першої та другої
груп – так звані ступінчасті методи зміцнення.
1.1 Вимоги до властивостей поверхневих шарів
Розв’язання питань підвищення надійності, економічності та
довговічності деталей і вузлів машин вимагає використання матеріалів, здатних
працювати в різноманітних агресивних середовищах, за умов значних перепадів
температур і тиску, посиленої вібрації, а також змінних контактних, ударних і
статичних навантажень. Властивості деталей значною мірою залежать від стану
поверхневого шару матеріалу, з якого вони виготовлені. Основним критерієм
працездатності деталей машин є їх міцність. Поломка деталі може статися через
виникнення надмірних залишкових деформацій або її руйнування [1].
Виділяють два основні типи виходу деталей з ладу:
9
- Об’ємне руйнування (поломка), що відбувається через накопичення в
об’ємі матеріалу структурних дефектів, які призводять до макроскопічного
руйнування.
- Поверхневе (контактне) руйнування, яке виникає внаслідок утворення
численних вогнищ мікроскопічних пошкоджень на поверхні матеріалу.
Поверхневий шар деталі являє собою шар, структура, фазовий і хімічний
склад якого відрізняються від основного матеріалу деталі [2].
У цьому шарі виділяють кілька основних зон:
1. Шар адсорбованих молекул і атомів органічних і неорганічних речовин
з навколишнього середовища, товщиною 1 ± 0,001 мкм.
2. Шар продуктів хімічної взаємодії металу з середовищем, зазвичай
оксидів, товщиною 10 ± 1 мкм.
3. Гранична зона з товщиною кілька міжатомних відстаней, яка має іншу
кристалічну і електронну структуру порівняно з основним матеріалом.
4. Зона зі зміненими параметрами щодо основного металу.
5. Зона зі зміненою структурою, фазовим і хімічним складом, що виникає
в процесі виготовлення деталі та модифікується під час експлуатації.
Товщина і стан зазначених зон залежать від складу матеріалу, способу
обробки та умов експлуатації. Для оцінки стану поверхневого шару
застосовують методи хімічного, фізичного та механічного аналізу. Однак через
різноманіття параметрів стану поверхневого шару та методів їх визначення
неможливо виділити єдиний параметр, що повністю характеризує його якість
[2].
Одним із ключових чинників, що впливають на експлуатаційні
властивості деталей, є шорсткість робочих поверхонь. Вплив стану поверхні на
опір втомі визначається коефіцієнтами концентрації напружень, які залежать
від геометричних параметрів мікронерівностей [2]. Важливими
характеристиками мікронерівностей є висота, радіус заокруглення западин і
10
виступів, кут нахилу профілю та крок нерівностей.
У загальному випадку підвищення шорсткості поверхні негативно
впливає на опір зношуванню та втомну міцність деталей, знижуючи їх
експлуатаційні характеристики [2]. У зоні контакту поверхонь, що труться,
виникає комплекс складних і різноманітних контактних процесів. У контактній
зоні відбуваються такі явища, як адсорбція, адгезія, корозія, диспергування,
зміцнення та знеміцнення поверхневих шарів, дифузія, ерозія, окислення та
інші. Ці процеси визначають характер деформації та руйнування матеріалу,
спричиняють вібрації, виділення та поширення тепла, а також структурно-
фазові перетворення у поверхневих шарах. Явища, такі як хімічні реакції,
адгезія та дифузія, змінюють хімічний склад і механічні властивості
контактуючих поверхонь, впливаючи на інтенсивність зношування, а також на
якість і надійність деталей [2]. Поверхневий шар металу, відомий своєю
високою хімічною активністю, в умовах експлуатації, особливо в агресивних
середовищах, адсорбує атоми з навколишнього середовища, формуючи плівки
різних хімічних сполук. Через дифузійні процеси у поверхневому шарі можуть
утворюватися хімічні сполуки основного матеріалу з прониклими речовинами
[2]. Таким чином, характеристики поверхневого шару значною мірою
впливають на експлуатаційні властивості деталей машин. Відомо, що втрати,
пов'язані зі зносом і виходом з ладу машин та обладнання, є значними.
Використання дефіцитних, дорогих та важколегованих конструкційних
матеріалів у всьому об'ємі виробів є економічно невигідним. Тому важливим
завданням є підвищення експлуатаційних характеристик деталей без зміни
основного матеріалу. Це особливо актуально для сталей, які широко
застосовуються в серійному виробництві вузлів і деталей машин, таких як
підшипники, вали, засувки тощо [2].

11
1.2 Поверхневе зміцнення без зміни хімічного складу
Загартування є одним із найпоширеніших методів зміцнення, який
застосовується як для поверхневого, так і для об'ємного зміцнення матеріалів.
Це традиційний і універсальний спосіб, широко використовуваний у
промисловості. Проте метод має недоліки, зокрема високу енергоємність,
обмежену твердість поверхні для окремих видів сталей, тривалий цикл обробки
та значні деформації гартованих поверхонь.
Гартування струмами високої частоти (СВЧ) дозволяє досягти значного
підвищення твердості поверхневого шару. Завдяки скін-ефекту під час
індукційного нагрівання нагрівається тільки поверхневий шар, що забезпечує
швидкість нагріву до 1000 °C/с [3]. Відомо, що підвищення швидкості нагріву
спричиняє зсув критичних точок [4], величина якого пропорційна кубічному
кореню з швидкості нагрівання. Це може призвести до зсуву температури
завершення фазових перетворень на 100 – 300 °C і більше. Водночас широкий
температурний інтервал існування γ-фази дозволяє виконувати термообробку
навіть при нагріванні до 10⁵ °C/с.
Підвищення зносостійкості при гартуванні СВЧ забезпечується завдяки
високій твердості поверхневого шару [4]. Водночас метод має свої обмеження:
через значні залишкові напруження можуть виникати деформації (жолоблення)
деталей. У загартованих зонах залишкові напруження є стискуючими, а в
перехідних зонах – змінюють знак. Для зняття цих напружень використовують
процеси відпуску або самовідпуску.
Сьогодні гартування СВЧ є одним із найпоширеніших методів
поверхневого зміцнення, який дозволяє отримати поверхню з високими
експлуатаційними характеристиками. Ефективність теплопередачі на СВЧ-
установках перевищує 56%, що втричі більше порівняно з нагріванням у печах
з контрольованою атмосферою [5].
12
До недоліків методу відносять можливість утворення гартівних тріщин і
мікротріщин. Мікротріщини виникають через нерівномірне охолодження
поверхневого шару, що зумовлено неоднорідністю потоку охолоджуючого
середовища. Тріщини також можуть з’являтися в місцях концентрації
напружень на деталях складної форми. Крім того, можливі неоднорідності
твердості та глибини зміцненого шару через технологічні фактори [5].
Поверхневе пластичне деформування (ППД) є методом зміцнюючої
обробки, який поєднує кілька технологічних процесів, спрямованих на
зниження шорсткості поверхні, зміцнення поверхневого шару за рахунок
наклепу, створення спеціального рельєфу та підвищення зносостійкості деталей
[6].
Фізичні процеси, що відбуваються під час деформації поверхневих шарів,
значно відрізняються від макродеформацій у об’ємних шарах матеріалу.
Процес передбачає взаємне переміщення частинок у поверхневому шарі, що
супроводжується складними фізико-механічними змінами. Це призводить до
суттєвого перетворення структури та властивостей поверхневого шару [6].
Завдяки цьому метод ППД забезпечує поліпшення експлуатаційних
характеристик деталей, таких як зносостійкість, втомна міцність і контактна
витривалість, із загальним підвищенням їхніх властивостей на 20-50% [6].
Для традиційних методів ППД, як-от накочення, розкочування та
випрасовування, характерні значні зусилля деформування. Це обмежує їх
застосування для обробки тонкостінних і нежорстких деталей через ризик
геометричних похибок. Застосування ультразвукових коливань у зоні обробки
знижує опір пластичній деформації та сили тертя на контактних поверхнях, що
суттєво зменшує статичні зусилля під час обробки. Ці переваги сприяли
виникненню нового напряму ППД – фінішно-зміцнюючої обробки з
використанням інструментів, що працюють на ультразвукових частотах.
Ультразвукова зміцнююча обробка (УЗО) реалізується шляхом
механічного наклепу поверхні деталі твердим інструментом, який коливається з
частотою 18–44 кГц. Ущільнення поверхневого шару під час пластичної
13
деформації призводить до значного зростання його твердості, а також
зменшення шорсткості. Основним чинником процесу є імпульсний вплив
інструменту на поверхню оброблюваної деталі, що забезпечує високу
ефективність зміцнення [6].
Цей метод застосовують для формоутворення зовнішніх і внутрішніх
поверхонь деталей з тугоплавких металів, твердих сплавів і твердих крихких
матеріалів (кераміка, скло, кварц і ін.) [6]. Точність УЗО може досягати 7-6-го
квалітетів, шорсткість поверхні - Rа 0,1-0,4 мкм. В результаті УЗО зростає
твердість, зносостійкість і довговічність оброблених деталей.
Рисунок 1.1 Схема поверхневого пластичного деформування при
ультразвуковій зміцнюючій технології [6]
Механічні методи поверхневого зміцнення дозволяють формувати
рельєф, оптимальний для фрикційної взаємодії, а також зменшувати висоту
мікронерівностей на оброблених поверхнях. Завдяки процесу поверхневого
пластичного деформування в поверхневому шарі створюється високий рівень
деформацій і залишкових стискуючих напружень, що підвищує його міцність.
Проте такий метод має обмеження: ППД знижує пластичний ресурс
поверхневого шару, обмежуючи його здатність до подальшого накопичення
14
деформацій під час тертя. Це може прискорювати процес руйнування та
зношування поверхневого шару, знижуючи довговічність деталі [6].
Вибухова обробка забезпечує так зване «специфічне зміцнення», яке
досягається через «множинне спотворення» структури матеріалу при тисках,
що сягають десятків кілобар [7]. У результаті цього значно зростають твердість
і зносостійкість підкладки.
Проходження фронту вибухової хвилі спричиняє сильні деформації
кристалічної решітки та великі зсувні напруги, що викликають утворення й
переміщення дислокацій. Для кожного матеріалу існує оптимальний діапазон
тисків, який забезпечує максимальне зміцнення. Нижню межу визначає
динамічний опір зсуву та початок фазових перетворень, тоді як верхню
обмежує тепловий компонент тиску, який може спричинити відпал дефектів у
структурі [8].
Рисунок 1.2 Схема процесу зміцнення деталей вибухом [7]
Наразі можна виділити чотири основні напрямки використання
вибухового зміцнення металів [7,8]:
1. Зміцнення поверхневих шарів виробів для підвищення їх
зносостійкості, корозійної та жаростійкості.
15
2. Об'ємне зміцнення металевих виробів за допомогою високошвидкісної
пластичної деформації.
3. Комбінування імпульсного навантаження та термічної обробки для
покращення фізико-механічних і експлуатаційних властивостей металів.
4. Підготовка поверхні вибуховою обробкою для створення
високоактивованої поверхні, що дозволяє отримати зносостійкі шари з
високими адгезійними властивостями.
Метод поверхневого зміцнення є найбільш широко застосовуваним у
промисловості [7,8].
При вибуховому зміцненні середньолегованих, загартованих і
відпущених сталей з різною початковою твердістю спостерігалося незначне
підвищення їх твердості. Так, для сталі з початковою твердістю 1290 МПа після
обробки вибухом твердість зросла до 2000 МПа, а для сталі з початковою
твердістю 1630 МПа — до 2000-2200 МПа. Згідно з даними [8], при вибуховому
зміцненні бар'єри для переміщення дислокацій мають менше значення
порівняно зі статичною пластичною деформацією; значно зростає роль
двійникування, утворення скидів і інших механізмів; підвищується схильність
до множинного ковзання по непаралельним площинам зсуву [8].
Крім безпосереднього зміцнюючого ефекту, вибухова обробка створює
сприятливі умови для подальших видів обробки. При наступному нагріванні та
зварюванні не відбувається значного збільшення зерен, що сприяє створенню
більш міцних з'єднань. Крім того, підвищена дефектність структури сприяє
покращенню дифузійних процесів. Тому дослідження зі створення шаруватих
поверхонь шляхом нанесення зносостійких покриттів на попередньо оброблені
вибухом поверхні є дуже перспективними [8].
16
1.3 Зміцнення зі зміною хімічного складу поверхні
Хімічний склад поверхні можна коригувати в певних межах через
дифузійне насичення поверхневого шару, коли поверхня взаємодіє з
середовищем, що містить елементи, що дифундують. Також хімічний склад
можна змінювати за допомогою введення модифікаторів під час виготовлення
відливки [9]. Крім того, легуючі елементи можуть бути введені в поверхневий
шар деталі за допомогою зовнішніх імпульсних джерел енергії, таких як
лазерне легування, легування за допомогою вибухової енергії, електроіскрове
легування та інші методи.
Хіміко-термічна обробка, хоча і поступається загартуванню СВЧ за
продуктивністю, має низку переваг. Вона дозволяє отримати зміцнені шари
незалежно від форми виробу, а також забезпечує точніше контролювання
глибини зміцненого шару. Перегрів поверхні може бути усунутий за
допомогою подальшої термічної обробки [9].
Найбільш поширеними видами хіміко-термічної обробки є цементація,
нітроцементація, азотування, борування та хромування. Цементація дозволяє
отримати зміцнений шар глибиною до 2 мм [9]. Однак основним недоліком
цього методу є його тривалість і високі енергетичні витрати. Середня швидкість
процесу цементації при температурах 920-950 °C становить 0,1-0,2 мм/год, що
може спричиняти температурні деформації виробів, особливо при подальшому
загартуванні.
При азотуванні поверхня виробу насичується азотом, що є більш новим
процесом, який проводиться при температурах 500-600°C після термообробки.
Тривалість процесу залежить від необхідної глибини зміцненого шару (шар
товщиною 0,2-0,3 мм формується за близько 50 годин) [9]. Цей метод має схожі
недоліки з цементацією, такі як тривалість процесу та можливі температурні
деформації. Мікротвердість зміцненого шару при азотуванні складає 8000-
10000 МПа. Найбільш підходящими для цього процесу є сталі, що містять
елементи, здатні утворювати нітриди з азотом [9].
17
При дифузійному боруванні насичення поверхні сталі бором призводить
до утворення боридних шарів і дифузійної перехідної зони. Борований шар має
голчасту структуру і складається з боридів FeB і Fe2B, з глибиною шару до 0,4
мм [9].
Зазначені методи хіміко-термічної обробки широко застосовуються в
промисловості. Однак їх значні недоліки, такі як висока енергоємність при
пічному нагріванні та можливі температурні деформації, що вимагають
подальшої механічної обробки, обмежують їх використання [9].
Високі експлуатаційні властивості сплавів багато в чому залежать від
методів їх нанесення на зміцнювані поверхні деталей. Удосконалення існуючих
методів нанесення покриттів і розробка нових технологій безпосередньо
пов'язані з фізико-механічними властивостями наплавочних матеріалів. У
літературі існують суперечливі дані щодо впливу методів та режимів нанесення
покриттів на експлуатаційні характеристики наплавочних твердих сплавів [9].
Як правило, армуючі твердосплавні покриття є високоякісними та
дорогими, що робить питання їх раціонального використання важливим для
народного господарства [9].
18
1.4 Електроіскрове легування
Зміна властивостей сталі може бути досягнута двома основними
способами: шляхом зміни хімічного складу сталі або зміною її структури під
впливом зовнішнього енергетичного впливу, який може здійснюватися різними
методами (механічними, тепловими, енергетичними або їх комбінаціями),
зокрема методом електроіскрової обробки (ЕІО) [10].
Формування зміцненого поверхневого шару та покриття при ЕІО
відбувається завдяки складним плазмохімічним, теплофізичним і
механотермічним процесам, що відбуваються на локальних ділянках поверхні
деталі під дією енергії іскрового розряду. Коли легуючий електрод-анод
наближається до оброблюваної поверхні деталі, відбувається іскровий розряд,
тривалістю від 10⁻⁶ до 10-3 с. У результаті цього на поверхнях анода та катода
утворюються локальні ділянки плавлення та випаровування матеріалу, що
призводить до їх електричної ерозії та взаємного масопереносу. У процесі
обробки на поверхні деталі формується тонке покриття з певними фізико-
механічними властивостями [10-11].
Окрім цього, імпульсне теплове навантаження викликає механотермічні
процеси, які призводять до створення напружених поверхневих шарів, що
можуть піддатися пластичній деформації або крихкому руйнуванню. Оскільки
електроди під час іскрового розряду знаходяться між собою в кінематичному
зв'язку, оброблювана поверхня деталі також піддається ударно-вібраційному
впливу. Кожен контакт між електродами утворює і руйнує мікролокальні
зварювальні містки, що разом із механічним ударно-вібраційним впливом
спричиняє пластичну деформацію поверхневих шарів. Такий енергетичний
вплив з високою щільністю потужності стимулює розвиток мікрометалургійних
процесів, таких як термохімічні, газодинамічні та дифузійні процеси, в умовах
електроіскрової обробки [10-11].
Поверхневий шар, сформований при електроіскровій обробці (ЕІО),
утворює нову композиційну структуру. Верхній тонкий шар складається з
матеріалу анода, модифікованого елементами матеріалу катода та
19
міжелектродного середовища. Товщина та суцільність цього шару залежать від
матеріальної структури, обраних режимів і часу обробки [9].
Безпосередньо під верхнім шаром розташовується зміцнений
модифікований шар, що складається з суміші матеріалів анода та катода. Цей
шар утворюється в результаті конденсації іонно-плазмової та крапельної фази, а
також через дифузію хімічних елементів матеріалу анода в матеріал катода.
Нижче цього шару знаходиться найбільший за товщиною шар, сформований
через імпульсний тепловий вплив, відомий як зона термічного впливу. Його
структура відрізняється від структури основного матеріалу деталі як за
будовою, так і за зернистістю. З глибиною структури поступово переходять до
структури основного матеріалу деталі [10].
Таким чином, процеси модифікації та зміцнення поверхневого шару
включають такі етапи [11]:
- осадження (конденсація) матеріалу анода на поверхні катода;
- дифузія частинок матеріалу анода в поверхневий шар матеріалу катода,
що призводить до утворення твердих розчинів і хімічних сполук (оксиди,
карбіди, інтреметалліди);
- формування зони взаємної кристалізації металів, нерівноважних
структур і фаз, а також дрібнозернистої структури.
20
1.5 Електронно-променеве зміцнення
Технологія обробки матеріалів за допомогою пучків електронів детально
вивчена і має широкі можливості для застосування в різних галузях. Вона може
використовуватися для поверхневої термічної обробки металевих заготовок,
зварювання конструкцій або наплавлення захисних покриттів. Технологічні
можливості електронного пучка близькі до лазерних джерел, проте електронно-
променева обробка зазвичай здійснюється у вакуумі [13].
Однією з переваг, характерних для низькоенергетичних пучків, що
використовуються в вакуумних установках, є високий термічний ККД, що
досягає 0,75 (в той час як для лазерного нагріву ККД складає близько 0,15), а
також менша вартість обладнання при більш високій потужності джерела. Крім
того, електронний промінь дозволяє значно зменшити кількість утворених пор і
тріщин на обробленій поверхні[13-14].
Однак однією з основних проблем при роботі потужних електронно-
променевих установок є необхідність захисту персоналу від рентгенівського
випромінювання, яке генерується під час процесу обробки.
Електронно-променева наплавка (ЕПН) здійснюється у вакуумі за
допомогою енергії електронного променя, який плавить як основний, так і
присадочний матеріали. Як лазерний, так і електронний промінь є
високоенергетичними джерелами, однак електронно-променева наплавка має
значно вищий коефіцієнт корисної дії (ККД) порівняно з лазерною обробкою.
Якщо для лазерного нагріву ККД становить лише 3-7%, то для електронно-
променевої наплавки цей показник досягає 85-95%. Це дозволяє більш
ефективно використовувати енергію і зменшувати теплові втрати [16].
Електронний пучок має перевагу в тому, що дозволяє точно
контролювати нагрів і плавлення основного та присадочного матеріалів, а
також зводить до мінімуму їх перемішування. Наплавка проводиться з
використанням суцільного або порошкового дроту, при цьому в умовах
21
вакууму шихта порошкового дроту може складатися лише з легуючих
компонентів, що забезпечує високу чистоту матеріалу [16].
Установка для електронно-променевого наплавлення зносостійких
покриттів включає вакуумну камеру з відкачними засобами, механічний
маніпулятор з електроприводом, пристрій для дозованої подачі порошкового
матеріалу в зону розплаву та електронний джерело. Пристрій для живлення
електронного джерела складається з блоку живлення розряду, високовольтного
блоку, а також блоків живлення для фокусуючої котушки та відхилення
променя. Порошковий дозатор гарантує стабільну подачу матеріалу в зону дії
електронного променя, а блок управління дозволяє формувати розгортку
променя в одну або кілька ліній, орієнтуючи їх поперек напрямку руху
наплавляємого виробу [16].
Для електронно-променевої наплавки (ЕПН) у вакуумі оптимальними є
порошки з дисперсністю від 50 до 350 мкм. Порошки з дисперсністю менше 50
мкм мають недостатню сипкість у вакуумі, що ускладнює їх подачу в зону
розплаву. Порошки з дисперсністю більшими за 350 мкм потребують значно
більше енергії для розплавлення, що може призвести до непотрібного
проплавлення основи, збільшення залишкових напруг і росту зерна в покритті
[16].
Основне застосування покриттів, отриманих методом ЕПН, — це захист
поверхонь, що зазнають абразивного та ерозійного зношування. Оскільки
технологія ЕПН дозволяє наносити товсті покриття, її часто використовують
для відновлення деталей з товщиною зношеного шару до 10 мм. Завдяки цьому
розроблені технологічні процеси відновлення та зміцнення нових деталей
машин і інструментів широкої номенклатури [16].
Основні технологічні параметри електронно-променевих установок
включають струм (I), прискорювальну напругу (U), відстань від фокуса до
оброблюваної поверхні (l) і швидкість переміщення променя (V). Принцип
роботи електронно-променевої обробки базується на перетворенні кінетичної
енергії пучка електронів в теплову енергію. Це дозволяє точно дозувати
22
енергію, що вводиться в метал, регулюючи процеси нагрівання та плавлення як
основного, так і наплавляємого матеріалу. Змінюючи технологічні параметри,
можна отримувати покриття з потрібною якістю і хімічним складом [13].
Для електронно-променевого наплавлення характерні малі деформації
основного матеріалу та слабке розпилення розплавленого металу, що робить
цей метод придатним для фінішної обробки виробів. Проте, на відміну від
інших методів наплавлення, технологія дозволяє досягати високої точності та
якості без значних деформацій [16].
Існуючі способи наплавлення дозволяють легувати сплави різними
хімічними елементами, однак введення надмірної кількості феросплавів може
негативно вплинути на якість покриття. Надлишок феросплаву може призвести
до поганої дифузії або навіть відсутності сплавлення металу з основою. Крім
того, шкідливі домішки, такі як сірка або фосфор, що містяться в феросплавах,
можуть переходити в наплавлені шари і викликати утворення пір та інших
дефектів [16].
Для підвищення зносостійкості і якості наплавлених шарів, особливо в
умовах абразивного зношування, рекомендовано використовувати
твердосплавні покриття, які формуються під час наплавлення і утворюють
стійкі структури, зокрема карбідні, боридні або карбоборидні сплави. Практика
показала, що ці сплави найбільш ефективні для зміцнення та відновлення
деталей, що піддаються інтенсивному зношуванню [16].
23
1.6 Лазерне термозміцнення
Використання лазерного випромінювання для зміни структури і складу
робочих поверхневих шарів є одним з найперспективніших напрямків у
технології зміцнення матеріалів. Однією з головних переваг лазерної обробки є
здатність транспортувати лазерний промінь на великі відстані і направляти його
на важкодоступні поверхні, що дозволяє автоматизувати процес. Лазерна
обробка забезпечує отримання унікального комплексу властивостей на
оброблюваній поверхні завдяки концентрованому впливу енергії, короткому
часу дії, а також високим швидкостям нагрівання і охолодження [17-23].
Під впливом лазерного випромінювання відбувається комплексне зміцнення
металу, що обумовлено дією дефектів тонкої кристалічної структури
(дислокації, вакансії та їх комплекси), а також мартенсітного перетворення і
включень дисперсної фази. При цьому, в кожному конкретному випадку,
переважний механізм зміцнення визначається не тільки хімічним складом
сплаву, але й попередньою підготовкою поверхні, а також вибором режимів
лазерної обробки. Ці фактори визначають кінцеві властивості зміцненого шару і
його здатність протистояти зношуванню та іншому механічному впливу [23-
25].
Рисунок 1.3 Схема лазерного зміцнення
24
Лазерне термозміцнення є високотехнологічним методом, який дозволяє
досягати значних покращень властивостей поверхні без значних деформацій
деталей. Оскільки цей процес здійснюється при короткому часі впливу, його
можна регулювати в широких межах за допомогою зміни параметрів лазерного
випромінювання і режимів обробки. Однією з основних переваг лазерного
гартування є відсутність необхідності в подальшому відпуску матеріалу, на
відміну від традиційного загартування, що значно знижує витрати часу і
покращує ефективність [27-29].
Процес лазерного термозміцнення полягає в створенні на поверхні
матеріалу високої щільності теплового потоку, що дозволяє досягти
інтенсивного нагріву або навіть розплавлення поверхневого шару. Це викликає
фазові і структурні зміни в тонкому поверхневому шарі (від 0,1 до 1 мм), що
сприяє зміцненню. Завдяки поверхневому характеру лазерного впливу,
утворюються стискаючі залишкові напруження, що знижують чутливість до
концентраторів напруги на поверхні, що, у свою чергу, збільшує зносостійкість
виробу [26].
Особливістю лазерного термозміцнення є його здатність до швидкого та
ефективного загартування сталі. В процесі цього впливу відбувається перехід
сталі в мартенсит, з подрібненням зерен і підвищенням концентрації вуглецю в
зоні термічного впливу. Цей процес забезпечує підвищену твердість і
зносостійкість поверхні, часто перевищуючи твердість, отриману за допомогою
традиційних методів зміцнення. Зазвичай для лазерного термозміцнення
використовують дво- або трьохстадійні термічні цикли, що дозволяє досягати
необхідних властивостей поверхні [26].
Глибина зміцненого шару є важливим параметром лазерної
термообробки, оскільки вона визначає ступінь зміцнення поверхні матеріалу та
його зносостійкість. Визначення цієї глибини за допомогою математичного
моделювання за допомогою ізотерму гартування дозволяє обчислити товщину
зміцненого шару, проте цей метод має обмеження. Одним із головних недоліків
25
є те, що він не враховує кінетику процесу, яка суттєво залежить від матеріалу та
швидкості зміни температури [27].
Кінетика фазових перетворень в матеріалі під час лазерного
термозміцнення є дуже важливою, оскільки вона визначає швидкість
охолодження і впливає на утворення мартенситу та інших зміцнюючих фаз. Це
може значно змінювати механічні властивості матеріалу в залежності від того,
наскільки швидко і рівномірно температура змінюється в оброблюваному шарі.
Тому, для узгодження експериментальних даних з теоретичними результатами,
вводиться поняття "зсуву початку і кінця фазових перетворень". Це дозволяє
точніше визначити, коли і як відбуваються зміни у структурі матеріалу під час
лазерної термообробки, і таким чином, більш точно прогнозувати глибину
зміцненого шару [29].
Зсув початку і кінця фазових перетворень є корисним інструментом для
корекції теоретичних моделей, забезпечуючи точніші дані для оптимізації
режимів лазерної обробки і досягнення бажаних властивостей поверхні
матеріалу [26].
Лазерне зміцнення, як за допомогою імпульсного, так і безперервного
випромінювання, дозволяє отримати унікальні структури, яких неможливо
досягти іншими методами термообробки. В результаті лазерної обробки
поверхня металів зазвичай має складну шарувату структуру, що складається з
кількох зон, кожна з яких має свої фізико-механічні характеристики.
Характерні зони, що утворюються в результаті лазерної обробки [17]:
1. Поверхневий шар (зона термічного впливу): Це зона, яка піддається
безпосередньому нагріву від лазерного променя, і в якій відбуваються найбільш
інтенсивні зміни структури. Тут формуються нові фази (наприклад, мартенсит)
внаслідок швидкого охолодження, що забезпечує високу твердість поверхні.
2. Модифікований шар: Під впливом високих температур лазерного
випромінювання може змінюватися структура металу. Цей шар може бути
характеризований наявністю дрібнозернистої структури або змішанням різних
фаз матеріалу, що значно підвищує його зносостійкість.
26
3. Зона термічного градієнта: В цій зоні температура змінюється
поступово, і саме тут відбуваються фазові перетворення. Тут можуть виникати
структури з низьким рівнем залишкових напруг, що важливо для підвищення
довговічності оброблених деталей.
4. Основний матеріал: У найглибших шарах зміни є менш виразними, але
тут також можуть спостерігатися залишкові зміни структури, що виникають
через різницю температур між поверхнею та глибиною.
Залежно від параметрів лазерного випромінювання (інтенсивність,
тривалість впливу, тип випромінювання) формуються різні характерні зони, які
можуть мати специфічні механічні властивості, такі як висока твердість,
зносостійкість та пластичність в різних частинах оброблюваної деталі. Це
дозволяє отримати багатофункціональні властивості на одній деталі,
підвищуючи її експлуатаційні характеристики в залежності від призначення.
Технічні характеристики лазерного зміцнення залежать від низки
факторів, серед яких особливо важливими є початковий стан матеріалу, вихідна
мікрогеометрія поверхні та вибір параметрів лазерного випромінювання.
Вплив початкового стану матеріалу [22]:
1. Загартовані сталі: Сталі, які вже були попередньо загартовані, мають
більш високу твердість в порівнянні з незагартованими сталями при однакових
лазерних обробках. Це пояснюється тим, що загартовані матеріали мають вже
зміцнену структуру, і при лазерному впливі утворюється більш жорстка і
тверда поверхня. Крім того, підвищення товщини зміцненого шару також
пов'язане з різною теплопровідністю окремих структурних складових сталі:
фазові перетворення і тепло відводяться від поверхні на різні глибини в
залежності від структури матеріалу [28-30].
Вихідна мікрогеометрія поверхні:
1. Мікрогеометрія та лазерне випромінювання: На ефективність лазерної
обробки значною мірою впливає вихідний стан поверхні оброблюваної деталі.
Для металевих поверхонь, які мають нерівності або дефекти, застосування
спеціальних поглинаючих покриттів може покращити ефективність лазерного
27
впливу, забезпечуючи рівномірне поглинання енергії та більш стабільну
термічну обробку.
Технологічні параметри лазерної обробки [27-30]:
1. Короткий потужний імпульс: Для максимального використання тепла
під час лазерного впливу, особливо в умовах високої теплопровідності,
застосування короткого, але потужного імпульсу є оптимальним вибором. Це
дозволяє досягти високих температур на поверхні з мінімальним відводом
тепла вглиб металу, що сприяє швидкому та ефективному зміцненню.
2. Безперервне випромінювання: Використання безперервного лазерного
випромінювання дає значний виграш в енерговитратах. Тривале впливання без
перерви дозволяє досягти більш рівномірного та глибокого прогріву матеріалу,
що в свою чергу забезпечує краще проникнення тепла в товщу матеріалу,
покращуючи зміцнення.
Загалом, для досягнення оптимальних результатів лазерного зміцнення
необхідно враховувати взаємодію між початковим станом матеріалу,
параметрами лазерного випромінювання та технологічними умовами,
включаючи тип лазерного випромінювання (імпульсне або безперервне), а
також вихідну геометрію оброблюваної поверхні.
Процес лазерної обробки металів, зокрема лазерного зміцнення, має
специфічні особливості, які визначають якість поверхневих шарів, їх структуру
та фізико-механічні властивості.
Вплив перекриття сліду лазерного впливу [30-35]:
1. Оптимальний коефіцієнт перекриття: При лазерному обробленні
поверхні з перекриттям слідів лазерного впливу (тобто коли новий лазерний
пучок перекриває попередній), виникає зона відпуску, що призводить до
деякого ослаблення поверхневих напруг. Для сферичної оптики оптимальний
коефіцієнт перекриття становить 0,8. Це означає, що 80% площі, обробленої
одним слідом, накладається на наступний, що забезпечує більш рівномірний
вплив і покращує якість зміцнення.
28
2. Відпуск при перекритті: Перекриття слідів лазерного променя може
призводити до незначного відпуску в зоні впливу, що допомагає знижувати
рівень внутрішніх напруг і покращує механічні властивості поверхневих шарів.
Напружений стан поверхневих шарів:
1. Локальність зміцнення та неоднорідність структури: Лазерне зміцнення
викликає локальне нагрівання і швидке охолодження, що створює
неоднорідність структури та властивостей поверхні. Це значно ускладнює
теоретичне обґрунтування формування напруженого стану поверхневих шарів,
оскільки механічні властивості та твердість змінюються по глибині матеріалу.
2. Високі напруги стиснення та розтягнення: В зоні одиничної плями
лазерного впливу формуються високі напруги стиснення, які переходять у
розтягуючі напруги в периферійних зонах термічного впливу. Це є важливим
фактором для забезпечення зміцнення поверхні, оскільки стиснення на поверхні
допомагає знизити чутливість до утворення тріщин.
3. Вплив перекриття зон: При перекритті зон на 50% на поверхні можуть
виникати розтягуючі напруги, які можуть знизити рівень залишкових стиснення
і, відповідно, змінити механічні властивості обробленої поверхні.
Вплив на механічні властивості [30-34]:
1. Твердость і втомна міцність: Підвищення твердості поверхневого шару
є основним чинником, що підвищує стійкість інструментів та деталей до
зношування. Однак при цьому відзначено, що втомна міцність матеріалу може
знижуватися, оскільки високі залишкові напруги і нерівномірне охолодження
можуть створювати умови для появи тріщин і деформацій під впливом
циклічних навантажень.
Загалом, технологія лазерного зміцнення є потужним інструментом для
підвищення твердості поверхневих шарів, однак для досягнення оптимальних
результатів необхідно враховувати взаємодію параметрів обробки, таких як
перекриття слідів, вихідний стан матеріалу та характер термічних напружень.
Лазерне зміцнення, як технологія, застосовується для підвищення
зносостійкості різних матеріалів, зокрема як для конструкційних, так і для
29
інструментальних сталей. Однак ця технологія також успішно
використовується для зміцнення чавуну, що підтверджує її універсальність та
ефективність при різних матеріалах.
Основні ефекти лазерного зміцнення [30-34]:
1. Зміна структури металу: Лазерна обробка змінює структуру
поверхневих шарів, створюючи більш дисперсну і розвинену дислокаційну
структуру. Це забезпечує покращення механічних властивостей металу, таких
як твердість і зносостійкість.
2. Розподіл легуючих елементів: Лазерне зміцнення може також
спричинити специфічний розподіл легуючих елементів у поверхневому шарі.
Це дозволяє отримувати характеристики, які відрізняються від рівноважних
структур, отриманих традиційними методами, що є важливим для досягнення
оптимальних властивостей, зокрема підвищеної зносостійкості.
3. Застосування лазерної обробки:
Фінішна операція: лазерне зміцнення може застосовуватися як кінцева
операція для підвищення зносостійкості вже готових деталей. Це дозволяє
покращити експлуатаційні характеристики без суттєвих змін основних
властивостей матеріалу.
Попередня операція: лазерна обробка також може бути використана для
підготовки підложки, створюючи потрібну структуру поверхневого шару для
подальших обробок або для покращення властивостей деталі до початку
експлуатації.
Переваги лазерного зміцнення:
Точковість і локальність: лазерна технологія дозволяє з високою точністю
змінювати поверхневі характеристики лише на визначеній ділянці без впливу
на основну масу деталі.
Мінімальні деформації: завдяки високій швидкості нагріву і охолодження,
лазерне зміцнення спричиняє мінімальні деформації матеріалу, що особливо
важливо для високоточних виробів.
30
Поліпшення зносостійкості: завдяки утворенню більш дисперсної структури з
розвинутою дислокаційною сіткою і специфічним легуючим елементам,
лазерне зміцнення ефективно підвищує зносостійкість, що є основною метою
застосування цієї технології.
Таким чином, лазерна обробка є потужним інструментом для підвищення
зносостійкості і може бути адаптована для широкого спектру матеріалів і
застосувань, включаючи як кінцеві, так і підготовчі етапи обробки.
31
Висновки по розділу 1
Було проведено огляд і аналіз по технології зміцнення поверхневого шару
деталей машин і їх класифікація.
Аналіз літератури щодо застосування різних видів зміцнюючих
технологій показав, що найбільш раціональною для обробки є технологія
поверхневого зміцнення концентрованими потоками енергії, в силу описаних
вище переваг, порівняно з аналогічними методами. Лазерна обробка забезпечує
отримання структури металу з підвищеною дисперсністю, розвиненою
дислокаційною структурою, специфічним розподілом легуючих елементів. Тим
самим дана структура значно відрізняється від звичайних, рівноважних
структур, одержуваних за традиційними технологіями і забезпечує комплекс
властивостей, що вимагаються при заданих режимах.
32
РОЗДІЛ 2. ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЗМІЦНЕННЯ
2.1 Технологічне обладнання
Процес лазерного термозміцнення передбачає поліпшення фізико-
механічних властивостей поверхонь деталей через утворення дрібнодисперсних
приповерхневих структур. Установка «Квант-17» призначена для шовного і
точкового зварювання, а також імпульсного газолазерного різання однорідних і
різнорідних металів і сплавів, а також для термообробки різних матеріалів.
Вона забезпечує локальну термообробку металів (зміцнення, відпуск,
нормалізація) зі швидкістю до 10 імпульсів на секунду, діаметром фокальної
плями до 2 мм на глибину до 1,2 мм, при швидкості термообробки до 1000
мм/хв. Регульований діаметр плями у фокальній площині коливається в межах
0,3+0,2-1,3+0,2 мм. Максимальна енергія в моноімпульсному режимі досягає 15
Дж. [36]
Технічні характеристики установки «Квант-17» представлені в табл. 2.1.
Перевагою даної установки є активний елемент - алюмоітрієвий гранат з
довжиною хвилі 1,064 мкм, що відноситься до інфрачервоного діапазону. Це
позитивно впливає на ККД лазерної обробки сталевих валів.
Рисунок 2.1 Схеми лазерної обробки для зміцнення поверхні валів
33
Таблиця 2.1 Технічні характеристики установки «Квант-17» [36]
№ п/п Параметр Значення
1. Активний елемент з алюмоітрієвого граната ГП- 6,3х100
6,3x100-06
2. Довжина хвилі випромінення, мкм 1,06
3. Глибина проплавлення, мм до 0,8 - 1,2
4. Швидкість зварювання, мм/хв до 350
5. Довжина імпульса, мс 2,0:2,5:4,0:5,0
6. Частота повторення імпульса, Гц до 10 (до 20 Гц,
при 1=2,0 мс)
7. Робочий відрізок обєктиву, мм 50 и 100
8. Діаметр світлової плями, мм 0,3+0,2 - 1,3+0,2
9. Збільшення спостерігаючої системи, крат. при
обєктиві f=50 40
f=100 20
10. Енергія імпульса випромінення, Дж, не менш 8
11. Споживана електрична потужність, кВт, не більш 12
12. Поле зору спостерігаючої системи, мм при обєктиві
f=50 3
f=100 6
13. Система охолодження лазера водяна двухконтурна: внутрішній контур
заповнений дистильованою водою при використанні лампи накачування
типа ИНПЗ-7/80
14. Витрата води в системі охолодження при тиску в 0,06 МПа не менше 5
л/хв
15. Довжина відводного шлангу не повинна перевищувати 3 м, висота
підйому повинна бути не більше 250 мм
16. Режим роботи: одинарний (з ручним запуском), частотний (запуск від
внутрішнього генератора з частотою 0,1-10 Гц).
17. Живлення установки здійснюється від мережі трифазного змінного
струму напругою 220/380 В, частоти 50 Гц
34
Продовження таблиці2.1
18. Максимальна споживана потужність 12 кВт
19. Габарити обладнання, мм, не більш:
станок з генератором 1000х960х1200
модулятор МТ-42М-1 720х620х1900
Масса установки, кг, не більш: 200
станок з генератором 615
модулятор
Рисунок 2.2 Лазерна технологічна установка «Квант-17»
35
Розглядаються дві схеми лазерного поверхневого зміцнення (рис. 2.2):
а) зворотньо-поступальна схема із пристосуванням з ділильним
механізмом для повороту циліндричної заготовки на визначений кут і
пневматики для подачі;
б) гвинтова схема, де лазерний випромінювач закріплюється на супорті
токарно-гвинторізного верстата з віссю, що розташована перпендикулярно осі
деталі.
36
2.2 Розробка технології лазерного зміцнення
Відомі методи поверхневого гартування металів лазерним променем
регулюють енергію імпульсу, тривалість та діаметр плями, виходячи з
припущення про рівномірний розподіл енергії. Недоліками є неможливість
одночасно реалізувати різні стадії теплового впливу (відпалу, гартування та
відпуску) при одноразовому опроміненні, а також складність кореляції
механічних характеристик утворених структур з режимами обробки.
Існує також метод лазерного зміцнення металів шляхом регулювання
термічного впливу на поверхню з різною відбивною здатністю. Недоліки цього
методу включають складність обробки конфігурованих поверхонь та потребу в
технологічному узгодженні характеристик барвника з режимами зміцнення.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягнутим ефектом є спосіб
поверхневого зміцнення металів лазерним тепловим впливом. Термообробка
проводиться шляхом поляризації лазерного струменя з змінною інтенсивністю,
що сканує оброблювану поверхню. Ступінь поляризації визначається на основі
умов теплового впливу, враховуючи фіксовану швидкість сканування.
Виконуються стадії ізотермічної витримки на різних температурних рівнях, а
зміни температури відбуваються з оптимальними швидкостями для
зміцнюваного металу. Швидкість сканування визначається експериментально
відповідно до мікротвердісті у зміцнених шарах. Проте, недоліком цього
методу є низька якість обробки, оскільки більша частина лазерного струменя
нагріває поверхню до рівня гартування, а менша – до рівня відпуску, що
призводить до неповного відпуску. Крім того, вузька смуга поляризації
зменшує площу впливу на поверхню, що знижує продуктивність обробки.
Технічний результат полягає в відсутності залишкових напружень на
обробленій поверхні та підвищенні продуктивності обробки. Це досягається
шляхом зміни рівня лазерного теплового впливу на оброблювану поверхню, де
необхідна температура визначається відповідною швидкістю переміщення, що
розраховується за формулою:
37
, (2.1)
а крок переміщення поверхні в поперечному напрямку встановлюють
рівним: l0,8Dpp,
де Dpp - розміри зони нагріву оброблюваної поверхні при однократному
лазерному спалаху вздовж її переміщення і в поперечному напрямку, м;  - час
між двома лазерними спалахами, с; k - коефіцієнт перекриття зони нагріву,
обернений до числа лазерних спалахів за час переміщення ділянки
оброблюваної поверхні через зону лазерної дії, що залежить від інтенсивності
лазерного випромінювання та необхідного режиму теплового впливу: k = 0,2 -
0,5.
Встановлюючи оптимальну швидкість переміщення оброблюваної
поверхні, при якій крок між лазерними спалахами менше розміру зони нагріву,
досягається неодноразове лазерне опромінення кожної ділянки. Це підвищує
температуру поверхні до гартування, навіть при низькій інтенсивності
лазерного випромінювання. Завдяки теплопровідності металу та невеликому
кроку переміщення, кожна ділянка також отримує тепловий вплив після виходу
з зони дії, що створює просторову зону відпуску та допомагає усунути
залишкові напруження, покращуючи якість поверхні. Крім того, оскільки
гартування відбувається при зниженій інтенсивності, можна збільшити розмір
зони лазерної дії, підвищуючи продуктивність обробки. Зважаючи на те, що
нагрів на периферії менше, ніж у центрі зони впливу, крок поперечного
переміщення визначається відповідно, що сприяє однорідності термічної
обробки та покращує якість.
Сутність запропонованої технології пояснюється рис. 2.3 і 2.5, де
наведена схема лазерної обробки і залежність температури елементарної
ділянки оброблюваної поверхні на різній глибині від його стану щодо зони
лазерної дії.
38
Рисунок 2.3 Схема лазерної обробки
На рис. 2.3 маленьким прямокутником показано елементарну ділянку
оброблюваної поверхні деталі при його різних положеннях 1 ...7 відносно зони
лазерної дії в момент кожного лазерного спалаху.
Нескладно визначити, що відстань між двома сусідніми положеннями
елементарної ділянки х = .
У першому положенні елементарна ділянка ще не потрапила в зону
лазерної дії 2, але завдяки теплопровідності металу її температура підвищується
під час лазерного спалаху в порівнянні з температурою навколишнього
середовища. У положеннях 2, 3 і 4 ділянка підлягає лазерному впливу і відчуває
два етапи температурних змін: під час лазерного спалаху температура різко
зростає, а в періоди між спалахами зменшується через тепловідведення в
металі. Оскільки час  малий, температура, що виникає під час спалаху, не
встигає охолонути до навколишньої температури. Тому з новим лазерним
спалахом температура підсумовується з залишковою від попередніх спалахів.
При переміщенні з положення 2 в положення 3 температура поступово
підвищується до температури гартування. Оскільки відвід тепла відбувається
39
експоненційно, після виходу із зони лазерного впливу температура різко
знижується до точки 4, забезпечуючи режим загартовування. У точці 4
температура досягає температури відпуску, яку можна підтримувати в точках 5
і 6 завдяки кільком чинникам. По-перше, в точках 4, 5 і 6 під час кожного
лазерного спалаху температура може зростати на малу відстань, що підтримує
накопичену температуру відпуску. По-друге, згідно з експоненціальною
залежністю температури від часу, швидкість охолодження сповільнюється
зниженням температури. Тому при температурі відпуску охолодження
відбувається повільніше, ніж при температурі загартування. Це розтягує час
відпуску, сприяючи зняттю напружень, які виникли під час гартування.
Після повного проходу деталі уздовж осі ох її переміщують у
поперечному напрямку (вздовж осі оу) на величину:
10,8 Dpp (2.2)
Перекриття лазерної дії в першому і другому проходах зменшує різницю
температурного впливу на оброблювану поверхню, що підвищує якість
обробки.
Рисунок 2.4 а) Поперечний перетин доріжки зміцнення б) Схема
накладання доріжок зміцнення при лазерній обробці
40
Лазерній обробці піддається поверхня металевої деталі, що має наступні
механічні властивості матеріалу: щільність матеріалу виробу  = 7800 кг/м3;
коефіцієнт температуро-провідності α = 510 -6 м2/с, питома теплоємність с =
800 Дж/кг С. Лазер створює на оброблюваній поверхні зону лазерної взаємодії
кругової форми діаметром D=Dpr=Dpp=210-3 м. Питома кількість тепла, виділена
джерелом лазерного випромінювання q = 4,8  106 Дж/м2, період лазерних
спалахів  = 0,05 с.
Приймаємо k= 0,33 і за формулою (2.1) визначаємо швидкість
переміщення деталі:

Для зазначених умов проведено комп'ютерний експеримент, результати
якого наведені на рис. 2. 5.
Горизонтальна вісь ох показує переміщення деталі, а вертикальна
відображає температуру її поверхні. Початок координат знаходиться в центрі
зони лазерної дії, де початкова точка оброблюваної поверхні розташована за
межами зони лазера на відстані х = -1,65 мм. У цей момент відбувається
лазерний спалах, після якого температура в початковій точці повільно зростає
до 55 °С.
При х = -1 мм здійснюється наступний спалах, внаслідок чого
температура досягає 120 °С на глибині 0,1 мм та 300 °С на глибині 0,3 мм.
Після двох наступних спалахів температура на глибині 0,3 мм досягає рівня
гартування.
Наступний спалах відбувається, коли точка поверхні знаходиться на
відстані х = 1,65 мм від центру, і в проміжку між цими спалахами температура
різко знижується до 325 °С на всіх глибинах z, що призводить до загартування
поверхні.
При переміщенні точки до х = 2,3 мм відбувається новий спалах, після
якого температура короткочасно підвищується до 330 °С. Подальшим
переміщенням точки до х = 3,4 мм температура повільно знижується, але
41
залишається вище 160 °С, що забезпечує режим загартування та відпалу,
сприяючи досягненню високої якості поверхні.
Рисунок 2.5 Залежність температури поверхні на різній глибині Z = 0,1;
0,2; 0,3 мм при різних положеннях ділянки поверхні х відносно центру зони
лазерної дії
Тепло від кожного імпульсу миттєво проникає в метал, що призводить до
різкого зниження температури на оброблюваній поверхні. Однак можна
створити умови лазерної обробки, за яких температура в зоні нагріву від
лазерних спалахів накладатиметься одна на одну, а після виходу з зони нагріву
тривалий час залишатиметься в зоні низькотемпературного відпустки. Це
називається багатоцикловою лазерною обробкою, і ми розглянемо умови її
проведення.
Цей метод підвищує якість виробів завдяки кільцевому лазерному
гартуванню, що покращує структуру матеріалу, та тривалому відпуску
поверхні, який сприяє активному зняттю напруги. Крім того, розширюються
технологічні можливості лазерної обробки.
42
2.3 Методика по вимірюванню твердості
Застосування даного приладу необхідне і достатнє для проведення
експериментальних досліджень по даній роботі.
Технічні характеристики приладу ПМТ-3 представлені в таблиці 2.2.
Мікротвердомір являє собою мікроскоп, призначений для виміру
мікротвердості металів, скла, абразивів, мінералів та ін. матеріалів.
Принцип дії приладу ПМТ-3 заснований на вдавлюванні в досліджуваний
матеріал алмазного індентора з квадратною основою чотиригранної піраміди,
що забезпечує геометричну і механічну подобу відбитків в міру заглиблення
індентора під дією навантаження та вимірювання лінійної величини діагоналі
цих відбитків. Число твердості Н (МПа) визначається як частка від ділення
навантаження F (Н) на квадрат середньоарифметичного (мкм) від двох
довжин діагоналей відбитка, з урахуванням поправочного коеффіцієнта, що
характеризує кут при вершині індентора[37].
(2.3)
Ось перефразований текст:
Визначення мікротвердості слід виконувати в такій послідовності[37]:
1. Використовуючи ручний пресик, зафіксувати зразок пластиліном на
платівці так, щоб досліджувана поверхня була паралельною до робочої
площини столика.
2. Помістити вантаж на потовщену частину штока.
3. У положенні столика вибрати місце на зразку для нанесення відбитка.
Під час дослідження металів відстань від центру відбитка до краю зразка або
між центрами сусідніх відбитків повинна становити не менше двох діагоналей,
а для мінералів – не менше п'яти діагоналей. Товщина зразка має бути не
меншою за півтори діагоналі відбитка. При вивченні структурних елементів
43
металевих сплавів застосовуються ті ж правила. Межа зразка визначається
межами досліджуваного зерна.
4. Обережно повернути предметний столик проти годинникової стрілки
до упору, уникаючи поштовхів. Закріпити столик у цьому положенні за
допомогою гвинта.
5. Повільно повертаючи рукоятку проти годинникової стрілки, опустити
шток до контакту алмаза з досліджуваною поверхнею. Рукоятку слід обертати
приблизно на 180° протягом 10-15 секунд. Після витримки під навантаженням
(5 секунд) повернути рукоятку у вихідне положення. Відпустити гвинт і
обережно повернути столик у початкове положення до упору, щоб уникнути
ударів і зміщення зразка.
6. Виміряти діагональ відбитка за допомогою окуляр-мікрометра. За
допомогою гвинтів сумістити перехрестя окуляра з двома сторонами відбитка.
Зробити відлік за вимірювальним барабаном, потім обертати барабан, поки
перехрестя не співпаде з протилежними сторонами відбитка, і зробити ще один
відлік. Різниця між цими показниками, помножена на ціну поділки барабана,
дає справжнє значення діагоналі відбитка.
Рисунок 2.6 Вимірювання діагоналі відбитку мікротвердості
Таблиця 2.2 Технічні характеристики приладу «ПМТ-3» [37]
44
Параметр Значення
Діапазон навантаження, Н 0,0196...4,9
Управління навантаження Ручне
Збільшення мікроскопу мікротвердоміра 130, 500, 800
Габаритні розміри, не більш, мм 270х290х470
Маса, не більш, кг 22
Рисунок 2.7 Мікротвердоміри ПМТ-3
Мікротвердометричні заміри виконувалися наступним чином: на столик
приладу ПМТ-3 встановлювали мікрошліф, після чого з кроком 0,1 мм
вдавлювали алмазну піраміду Віккерса в зміцнену зону, починаючи з периферії
й просуваючись до центру. Навантаження при цьому становило 0,5 Н.
Після нанесення відбитків фокус мікроскопа налаштовувався на кожне
конкретне місце вдавлювання шляхом пересування заготовки. Область
45
дослідження фотографувалася за допомогою цифрового фотоапарата через
об'єктив мікроскопа.
Обробка отриманих зображень здійснювалася на комп'ютері, де
виконувалося вимірювання діагоналей квадратних відбитків.
46
2.4 Дослідження корозійної стійкості
Корозійні випробування проводилися в камері соляного туману КСТ-2 в
атмосфері розпиленого розчину хлористого натрію концентрацією 50 г / дм при
температурі 35С по ГОСТ 9.308-85 протягом 24 годин. Розчин виготовлявся
шляхом розчинення NaСl ГОСТ 4233-77 в дистильованій воді ГОСТ 6709-72.
Зразки готували по ГОСТ 9.909-86.
Камера призначена для випробувань корозійної стійкості металів,
оброблених різними захисними покриттями. У камері створюються умови
інтенсивного корозійного впливу нейтральним соляним туманом.
Незамінна для прискорених випробувань ефективності захисних плівок і
консерваційних мастил, для оцінки надійності приладів та обладнання в умовах
тропічного клімату, для оцінки якості лакофарбових покриттів.
47
Висновки до розділу 2
1. Було розглянуте технологічне обладнання для лазерної модифікації
поверхі
2. Розглянуто технологію лазерного зміцнення.
3. Розглянуто методики для дослідження експлуатаційних
характеристик зміцнених поверхонь
48
РОЗДІЛ 3. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1 Визначення впливу технологічних параметрів на процес
лазерного зміцнення
Побудуємо графіки залежностей досліджуваних параметрів від
варійованих чинників процесу лазерного зміцнення:
1. Вплив факторів Р, d, v і Кn на мікротвердість зміцненого шару Н
зображено на рис. 3.9 - 3.12.
Рисунок 3.1 Вплив потужності лазера на мікротвердість зміцненого шару
Рисунок 3.2 Вплив діаметра фокальної плями лазера на мікротвердість
зміцненого шару
49
Рисунок 3.3 Вплив швидкості лазерної обробки на мікротвердість
зміцненого шару
Рисунок 3.4 Вплив коефіцієнта перекриття фокальної плями лазера на
мікротвердість зміцненого шару
Як видно з графіків, значний вплив на мікротвердості зміцненого шару
торсійного валу надають потужність лазера Р і коефіцієнт перекриття лазерної
плями в фокальній площині Кn. Із збільшенням обох факторів мікротвердість
зміцненого шару також збільшується.
Пояснюється це тим, що при збільшенні потужності лазера швидкість
нагріву поверхневого шару деталі зростає, а як відомо, високі швидкості
50
нагрівання та охолодження дозволяють отримати найвищі значення
мікротвердості. Немаловажним фактором також є діаметр плями лазера d, його
збільшення знижує мікротвердість зміцненого шару. Це пояснюється тим, що
при збільшенні розміру плями лазера знижується щільність потужності
лазерного впливу, а це в свою чергу негативно позначається на мікротвердості.
Ще одним підвищуючим фактором мікротвердості зміцненого шару є
швидкість обробки. Як було сказано вище, високі швидкості нагріву та
охолодження дозволяють досягти більш високих значень мікротвердості при
температурному загартовуванні.
Крім того, потрійна взаємодія факторів потужності лазера, швидкості
обробки і коефіцієнта перекриття дозволяють досягти максимальних значень
мікротвердості в межах варіювання факторів. При P = 0,7 кВт, d = 0,8 мм,  =
12,8 мм/с і Кn = 2 мікротвердість зміцненого шару складе Hmax = 12,73 ГПа.
2. Вплив факторів P, d,  і Кn на глибину зміцненого шару z зображено на
рис. 3.13 - 3.16.
Рисунок 3.5 Вплив потужності лазера на глибину зміцненого шару
51
Рисунок 3.6 Вплив діаметра фокального шару
Рисунок 3.7 Вплив швидкості лазерної обробки на глибину зміцненого
шару
52
Рисунок 3.8 Вплив коефіцієнта перекриття фокальної плями лазера на
глибину зміцненого шару
Як видно з графіків, що підвищують факторами параметр глибини
зміцненого шару є потужність лазера і діаметр лазерної плями, а понижаючими
швидкість обробки і коефіцієнт перекриття. Найбільш значимими з них є
швидкість обробки, а також потрійна взаємодія діаметра плями, швидкості
обробки і коефіцієнта перекриття.
Максимальна глибина гартування zmax = 0,58 мм виходить у випадку, коли
Р = 0,7 кВт, d = 0,8 мм,  = 7,2 мм / с і Кn = 1.
3. Вплив факторів Р, d,  і Кn на ширину зміцненого шару b зображено на
рис. 3.9 - 3.12.
53
Рисунок 3.9 Вплив потужності лазера на ширину зміцненого шару
Рисунок 3.10 Вплив діаметра фокальної плями лазера на ширину
зміцненого шару
54
Рисунок 3.11 Вплив швидкості лазерної обробки на ширину зміцненого
шару
Рисунок 3.12 Вплив коефіцієнта перекриття фокальної плями лазера на
ширину зміцненого шару
Як видно з графіків, зміна ширини і глибини усталеного шару
відбувається, практично, прямо пропорційно. Однак максимальне значення
ширини зміцненого шару виходить при інших режимах лазерної обробки - Р =
0,5 кВт, d = 1,2 мм,  = 7,2 мм/с і Кn = 1, і становить bmax = 0,98 мм. Як наслідок,
найбільш значущим чинником на ширину зміцненої зони є діаметр лазерної
плями у фокальній площині.
55
Досліджувані фактори, а саме, потужність лазера, діаметр лазерної плями
у фокальній площині, швидкість обробки і коефіцієнт перекриття, впливають в
різному ступені. При високих значеннях твердості матеріал стає крихким, а
значить непридатним для характеру експлуатації торсійних валів.
Висока швидкість охолодження при лазерному гартуванні за рахунок
відводу тепла в основний об’єму металу, а також за рахунок застосування
спеціального охолодження, сприяє накопиченню в зміцненому шарі
залишкових напружень стиснення. Ця обставина сприяє збільшенню межі
витривалості матеріалу при циклічних напружених під дію крутного моменту, а
значить, і збільшує запас циклічної міцності торсійного валу. Ще одним
фактором збільшення коефіцієнта запасу циклічної міцності або (опору втоми)
є якість поверхні валу. Чим нижче параметр шорсткості, тим вище опір
зношенню. Відомо [19, 22 та ін.], що лазерна обробка можлива з оплавленням і
без оплавлення поверхні заготовки. Високі значення потужності лазера
визивають на поверхні заготовки утворення мікроворонок - слідів
температурного впливу лазера (обробка проводиться в імпульсному режимі).
Це пояснюється високою щільністю потужності лазерного випромінювання, що
може викликати видалення частини металу з поверхні заготовки в момент
обробки, в результаті випаровування частини металу з поверхні.
56
3.2 Визначення характеру розподілу мікротвердості по глибині
Після закінчення лазерної обробки кожен зразок розрізався
електроерозійним способом перпендикулярно своєї осі, для виготовлення
шліфів для подальших металографічних досліджень і вимірювання
мікротвердості зміцненого лазерним випромінюванням шару
Структурні та фазові перетворення в зоні термічного впливу призводять
до формування різних за структурою шарів. Поверхневий шар представляє
собою погано протравлену «білу» зону з дрібноголчатою мартенситною
структурою (зона зміцнення), за нею йде зона підвищеного переслідування
(зона відпуску), що переходить у вихідну мартенситну структуру попередньо
загартованої сталі.
Графік залежності мікротвердості зміцненого шару від потужності лазера
по глибині представлений на рис. 3.3. Розміри зони зміцнення залежать від
потужності лазера. Із збільшенням потужності лазерної обробки збільшується
як глибина, так і ширина зони зміцнення. При збільшенні потужності більше
0,7 кВт, при інших рівних умовах, на поверхні заготовки з'являється окалина,
збільшується шорсткість поверхні.
57
Результати досліджень мікротвердості зведені в таблицю 3.1.
Таблиця 3.1 Заміри довжин діагоналей відбитків індентора і знайдені
значення мікротвердості
Глибин Потужність, Р=0,7 кВт Потужність, Р=0,5 кВт
а, ґ, мм d1 d2 H d1 d2 H
0,1 8,46 8,74 8,6 11251,2 9,93 10,28 10,105 7807,5
0,2 8,8 8,65 8,72510070,7 10,6 10,55 10,575 7290
0,3 9,4 9,09 9,24510003,5 13,4 13,85 13,625 3793,8
0,4 11,1 12,3 11,7 6510,9 13,1 13,44 13,27 4162,5
0,5 12,5 15,2 13,854667,3 12,8 13,12 12,96 4320,9
0,6 14,6 15,5 15,053906,3 12,73 13,26 12,995 4387,7
0,7 13,6 13,8 13,7 4080,1 12,71 13,21 12,96 4321,1
0,8 12,6 13,2 12,9 5073,6 13,3 12,83 13,065 4329,3
0,9 12,8 12,9 12,854328,3 12,7 13,13 12,915 4357,2
1,0 13 12,8 12,9 4882,9 12,9 13,11 13,005 5371,8
Варіювання параметра потужності лазерного випромінювання Р  [0,5 
0,7] кВт дозволило отримати значення глибини зміцненого шару zзак  [0,3  0,6]
мм, відповідно.
58
Рисунок 3.13 Залежність мікротвердості від потужності лазера по глибині
При малих значеннях потужності (Р = 0,5 кВт) падіння мікротвердості
починається раніше межі зони зміцнення, а при великих значеннях по глибині
зони зміцнення мікротвердості практично не змінюється, а потім різко
знижується при переході через кордон зони зміцнення. Причому для всіх
досліджених режимів лазерної обробки мікротвердість після переходу меж зон
зміцнення становила 4000-5000 МПа, а потім поступово збільшувалася до рівня
мікротвердості вихідного матеріалу 5500 МПа. Це пояснюється тим, що відвід
тепла з поверхні в основний обсяг деталі виникає швидше, ніж на максимальній
глибині зони термічного впливу.
59
3.3 Дослідження зносостійкості отриманої поверхні
Рисунок 3.14 Схема випробувань 1 - нерухомий пристрій для кріплення
абразиву; 2 - випробуваний зразок; 3 - абразив; Р – навантаження
Таблиця 3.2 Результати дослідження зносостійкості
60
№ Марка Вид обробки, m1 г m2, г Δm=m K=
зра матеріалу твердість HRC 1-m2 mвих.
зка мат/
m0бр.
мат
1 Сталь 15 вихідний матеріал, 6,00
42-44
150,302 150,169 0,133
без оплавленния,
к=30%,61 - 62
150,372 150,2665 0,1055
2 Сталь 15 вихідний матеріал, 5,4
42-44
150,8242 150,71 0,1142
без оплавлення,
к=15%, 60 - 63
150,3158 150,2132 0,1026
без оплавлення,
к=40%, 60 - 63
149,904 149,8 0,104
Глибина зміцненого шару становить ≈1,2 мм. Твердість зміцненого шару
після лазерної обробки не нижче, ніж після об'ємної гарту і становить від 42-
44HRC до 62 HRC. На жодному з досліджених зразків тріщин, мікротріщин,
раковин, пор виявлено не було. Ресурс зміцненої зони 1 зразка в 1,27 рази
більше, ніж у 2 і 3 зразків, тому що коефіцієнт зносостійкості 1 зразка більше,
ніж коефіцієнти 1 і 2 зразків.
61
3.4 Корозійна стійкість поверхонь сталі до і після лазерної обробки
При піттінговій (точковій) корозії руйнування піддаються тільки окремі
ділянки поверхні, на яких утворюються глибокі ураження - піттінгів
(килимовий). Відомо, що корозійна стійкість сплавів легованих хромом, в тому
числі і досліджувана сталь 15, пояснюється переважним гальмуванням анодних
процесів - пасивацією, що є наслідком виникнення плівки оксиду Cr2O3, що
покриває метал і гальмує анодний процес.
Випробування зразків зі сталі 38ХН3МА на піттінгову корозію
проводилися в камері сольового туману шляхом розпилення 3,3% - розчину
NaCl при температурі 27 + 2 С з інтервалом 45 хв протягом 15 секунд
відповідно до методу 215-1 по ГОСТ 16962-71. Тривалість експерименту - 7 діб.
Розміри зразків були вибрані, виходячи з рекомендацій щодо встановлення:
10х30х30 мм. Режими обробки представлені в Таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 Режими лазерної обробки зразків
Режим Енергія Тривалість Частота Діаметр
обробки імпульса, Е, імпульса т, мс імпульсів f, Гц променя, d,
Дж мм
1 0,9 10 25 0,4
2 2,25 10 10 0,4
Після закінчення експерименту проводилося фотографування поверхонь
зразків площею 1 см. За фотографіями (рис. 3.15), був проведений аналіз
кількості каверн (показник корозії - піттінг (каверна)) всередині обраної площі.
Результати аналізу наведені в таблиці 3.4.
62
INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\836D~1\\AppData\\Local\\Temp\
\FineReader11\\media\\image128.jpeg" \* MERGEFORMATINET
Режим 1 Режим 2 Режим 0
Рисунок 3.15 Піттінгова корозія досліджуваних зразків
Відповідно до отриманих даних можна зробити висновок, що лазерна
термообробка за обраними режимам не привела до погіршення опірності
сталі корозії.
63
3.5 Лазерне зміцнення деталей
Обробка проводилася при нормальних атмосферних умовах з захистом
зони обробки променем лазера інертними газами (аргоном).
Теоретична геометрія зони лазерної обробки показана на рис. 3.16
Рисунок 3.16 Теоретична геометрія зони обробки: 1 - загартована зона; 2
- зона відпуску; 3 - основний метал; h1 і H1 - глибина і ширина загартованої
зони; h2 і H2 - глибина і ширина зони відпуску
Для зміцнення поверхневого шару валів на лазерній установці Квант-17
експериментальним шляхом встановлено раціональні режими обробки:
потужність лазера Р = 0,5 кВт, діаметр фокальної плями d = 1,2 мм, швидкість
обробки  = 10 мм/с і коефіцієнт перекриття Кn = 2. Обробку слід виконувати в
імпульсному режимі. Для підвищення ККД лазерної обробки на поверхню
заготовок необхідно попередньо наносити світлопоглинаючого покриття,
наприклад хімічного оксиду або гуаш темного кольору. Крім того окислення
заготовок також надає валам корозійну стійкість, що позитивно впливає на
межу витривалості, а значить і на запас циклічної міцності валу.
64
Таблиця 3.4 Режими зміцнення зразків
№ Марка Апертура Потужність Лінійна Коефіцієн
зразка матеріалу вихідного випромінення Р, швидкість т
випромінюв кВт обробки, перекритт
ання, мм мм/с я дорожок
при
1. Сталь 15 50 0,5 10 з3м0іцненні
2. 50 0,7 10 15
Приклади використання лазерного зміцнення
Рисунок 3.17 Процес зміцнення зубчастого колеса. Сталь 40ХН3А. Твердість
рабочеповерхності зубів після зміцнення 59 - 61 HRC.
Рисунок 3.18 Ніж для рубки скловолокна. Сталь 40Х13. Твердість
зміцненої ріжучої кромки 55 - 57 HRC.
65
Висновки до розділу 3
В результаті проведених досліджень було встановлено, що лазерна
поверхнева обробка дає підвищення твердості поверхневого шару всіх
розглянутих матеріалів. Глибина зміцненого шару становить ≈1,2 мм.
Твердість зміцненого шару після лазерної обробки не нижче, ніж після об'ємної
гарту і становить від 42-44HRC до 62 HRC. На жодному з досліджених зразків
тріщин, мікротріщин, раковин, пор виявлено не було. Ресурс зміцненої зони 1
зразка в 1,27 рази більше, ніж у 2 зразка, тому що коефіцієнт зносостійкості 1
зразка більше, ніж коефіцієнти 2 зразка.
Після проведення досліджень по визначенню стійкість поверхонь сталі
до і після лазерної обробки корозії, було встановлено, що лазерна модифікація
не призводить до погіршення опору сталі корозії.
66
РОЗДІЛ 4.ОХОРОНА ПРАЦІ
Аналіз умов праці при роботі на лазерній установці «Квант-17»
У відповідності із СНіП 2392-81 і ГОСТ 12.1.040-83 ЛР і ЛУ за ступенем
небезпеки генеруємого випромінювання підрозділяються на чотири класи.
Лазерна установка Квант-17 належить до 4 класу небезпеки.
До лазерів IV класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні шкіри дифузно відбитим
випромінюванням на відстані 10 см від дифузно відбиваючої поверхні.
Клас небезпеки ЛР і ЛУ встановлюється підприємством-виготівником
4. 1. Випромінювання оптичного діапазону
Квантові генератори чи лазери використовуються:
- для створення точних вимірювальних приладів та інструментів;
- в оптичній локації;
- для передачі інформації;
- прецизійного зварювання;
- свердління тугоплавких матеріалів.
В лазерах генерується когерентне випромінювання оптичного діапазону
великої інтенсивності, у вузькому пучку випромінювання, а густина потоку
потужності може досягати 1012-1013 Вт/см2.
Випромінювання електромагнітні (лазерні) охоплюють практично весь
оптичний діапазон, від ультрафіолетової до інфрачервоної області спектра
випромінювання (табл.4.1).
Генератори оптичного діапазону працюють на основі змушених
випромінювань, джерелами яких є робочі речовини, що генерують
електромагнітні випромінювання оптичного діапазону (що створюють лазерний
ефект) внаслідок порушення їхніх атомів електромагнітною енергією іншого
джерела.
Таблиця 4.1 Класифікація електромагнітних випромінювань оптичного
діапазону
67
Вид Довжина хвилі X, мкм Частота 1, Гц
випромінювання
Інфрачервоні хвилі 100-0,76 3 1012 - 3,94 1014
Видиме світло 0,76-0,39 3,94 1014 - 7,7 1014
Ультрафіолетові хвилі 0,39-0,001 7,7 1014 - 3 1017
Іншим джерелом у твердотільних лазерах служать газорозрядні імпульсні
лампи, а в газових лазерах - генератори НВЧ.
Робочою речовиною у твердотільних квантових генераторах
застосовують кристали рубіну, скла з домішкою неодиму, диспрозію,
вольфрамат кальцію, а в газових генераторах найбільш простого типу - суміш
гелію з неоном і азотом. Робоча речовина випромінює хвилі визначеної
довжини. Наприклад, рубіновий лазер створює хвилю довжиною X = 0,6943
мкм, неодимовий X = 1,06 мкм, лазер на суміші вуглекислого газу з неоном і
азотом X = 10,6 мкм.
При поширенні лазерного випромінювання в повітрі на великі відстані
інтенсивність о ( Вт/м2 ) визначається за формулою:
(4.1)
де: Р - потужність випромінювання, Вт; r - відстань до джерела, м;
а - коефіцієнт ослаблення за потужністю, 1/м. Коефіцієнти ослаблення за
потужністю при поширенні випромінювання в повітряному середовищі
наведені в табл.4.2.
68
Таблиця 4.2 Коефіцієнти ослаблення за потужністю в повітрі
Вид генератора Довжина хвилі Коефіцієнт
випромінювання XX, мкм ослаблення а, 1/м 10-5
Рубіновий 0,6943 10x10-5
Неодимовий 1,06 5,75x10-5
На суміші СО2 з 10,6 3,25x10-5
неоном і азотом
Інтенсивність відбитого лазерного променя (Вт/м2) визначається за
формулою:
(4.2)
де: Р - потужність випромінювання, Вт; р0 - коефіцієнт ослаблення
випромінювання оптичного квантового генератора від перешкоди; S - площа
проекції поверхні перешкоди, що опромінюється, на площину,
перпендикулярну до прямого променя лазера, м2; r -відстань до джерела
випромінювання, м.
4.2 Вплив лазерних випромінювань на людину
Коли лазерні випромінювання потрапляють на біологічні тканини
людини, тоді вони чинять теплову, механічну і електрохімічну дію на організм
людини. Тепловий вплив виявляється в поглинанні енергії лазерного
випромінювання біологічними тканинами і, в першу чергу, шкірою. Шкіра
поглинає велику частину енергії, в результаті чого виникають опіки. Ступінь
опіку шкіри у великій мірі залежить від інтенсивності і частоти
випромінювання, а також від ступеня пігментації шкіри в момент опіку. Чим
більша частота, тим сильніший опік. Чим темніше шкіра, тим більша частина
енергії нею поглинається і тим сильніший її опік.
69
Коли велика інтенсивність опромінення впливає на людину, можуть
уражатися внутрішні органи, викликаючи набряки, крововиливи, омертвіння
тканин. Тоді може мати місце навіть згортання і розпад крові.
Якщо інтенсивності лазерного випромінювання в організмі людини
невеликі, можуть виникнути функціональні порушення - в першу чергу в
нервовій і серцево-судинній системах, що виявляється в зниженні або
підвищенні артеріального тиску, підвищенні пітливості, виникненні головного
болю, стомлюваності, дратівливості. Такі зміни оборотні, якщо вжити заходів
щодо виключення опромінення і дотримання належного режиму праці й
відпочинку.
Механічний вплив виявляється в розриві тканин, що виникає в
результаті різкого скипання рідинних структур живої тканини, підвищення
тиску й ударної хвилі.
Електрохімічний вплив лазерного випромінювання зумовлює іонізацію
рідинних компонентів і утворення нових структур, не властивих живій матерії.
В першу чергу і найбільш небезпечне лазерне випромінювання для очей.
Небезпека виникає тоді, коли промінь лазера фіксується на сітківці ока, що
приводить до її коагуляції. Наслідком коагуляції є сліпота ураженої області
сітківки. Найбільш небезпечне ураження центральної ямки сітківки - невелика
область діаметром 0,2 мм поблизу центра сітківки. Це серйозна втрата зору.
Внутрішнє середовище ока допускає випромінювання оптичного квантового
генератора з довжинами хвиль 0,33-1,4 мкм на сітківку ока. Найбільша
прозорість ока (до 100%) має місце для довжин хвиль 0,5-0,9 мкм, тому
випромінювання рубінового генератора з X = 0,6943 мкм проходить до сітківки
без втрат і сприймається як червоний колір, а випромінювання генератора, що
працює на суміші вуглекислого газу з неоном і азотом з X = 10,6 мкм,
поглинається рогівкою ока.
Для очей небезпечним є не тільки пряме випромінювання лазера, але й
відбите від будь-якої поверхні. Коли від лазерного випромінювання око
віддаляється на видиму відстань, то це не врятовує його від ураження, тому що
70
в оптичній системі ока віддалені об'єкти фокусуються на сітківці менше, ніж
прилеглі об'єкти.
Шкідлива робота з оптичними квантовими генераторами пов'язана з
такими шкідливими виробничими факторами, як: сліпуче яскраве світло лампи
накачування, озон, електромагнітні випромінювання НВЧ .
4.3 Контроль рівнів небезпечних і шкідливих факторів при роботі з
лазерами
У таблиці 4.3 представлено орієнтовний зв'язок наявності небезпечних і
шкідливих факторів, супутніх роботі лазерних виробів, з класом лазера
відповідно до ГОСТ 12.1.040.
Сутність дозиметричного контролю лазерного випромінювання полягає в
оцінці тих характеристик лазерного випромінювання, які визначають його
здатність викликати біологічні ефекти, і зіставленні їх з нормованими
величинами.
Слід розрізняти 2 форми дозиметричного контролю:
- Попереджувальний (оперативний) дозиметричний контроль;
- Індивідуальний дозиметричний контроль.
Попереджувальний дозиметричний контроль полягає у визначенні
максимальних рівнів енергетичних параметрів лазерного випромінювання в
точках на межі робочої зони.
Індивідуальний дозиметричний контроль полягає у вимірюванні рівнів
енергетичних параметрів випромінювання, що впливає на очі (шкіру)
конкретного працюючого протягом робочого дня.
71
Таблиця 4.3 Зв'язок наявності небезпечних і шкідливих виробничих
факторів з класом лазера
Клас лазера
I II III IV
Лазерне випромінювання:
пряме, дзеркально відбите - + + +
дифузійно відбите - - + +
Підвищена напруга електроживлення -(+) + + +
Підвищена запиленість, загазованість - - -(+) +
Підвищений рівень УФ - - -(+) +
Підвищена яскравість світла - - -(+) +
Підвищений рівень шуму і вібрацій - - -(+) +
Підвищений рівень іонізуючих випромінювань - - - +
Підвищений рівень електромагнітних полів ВЧ і НВЧ- - - - -(+)
діапазонів
Підвищений рівень ІЧ-випромінювання - - -(+) +
Підвищена температура поверхонь - - -(+) +
Хімічно небезпечні та шкідливі фактори - - -(+) +
Попереджувальний дозиметричний контроль проводиться відповідно до
регламенту, затвердженим адміністрацією підприємства, але не рідше одного
разу на рік у порядку поточного санітарного нагляду, а також у таких випадках:
- При прийманні в експлуатацію нових лазерних виробів II - IV класів;
- При внесенні змін у конструкцію діючих лазерних виробів;
- При зміні конструкції засобів колективного захисту;
- При проведенні експериментальних і налагоджувальних робіт;
- При атестації робочих місць;
- При організації нових робочих місць.
72
Попереджувальний дозиметричний контроль проводять при роботі лазера
в режимі максимальної віддачі потужності (енергії), визначеної у паспорті на
виріб і конкретними умовами експлуатації.
Індивідуальний дозиметричний контроль проводиться при роботі на
відкритих лазерних установках (експериментальні стенди), а також у тих
випадках, коли не виключено випадкове вплив лазерного випромінювання на
очі і шкіру.
Дозиметри лазерного випромінювання повинні відповідати вимогам
ГОСТ 24469.
При вимірах енергетичних параметрів лазерного випромінювання межа
допустимої похибки не повинен перевищувати 30%.
Апаратура, вживана для вимірювань енергетичних параметрів лазерного
випромінювання, повинна бути атестована органами Держстандарту СРСР і
проходити державну перевірку в установленому порядку.
Для проведення дозиметричного контролю керівництвом підприємства
призначається спеціальна особа з числа інженерно-технічних працівників.
Одночасно повинна бути розроблена посадова інструкція, яка визначає його
права і обов'язки. Особа, призначена для проведення дозиметричного
контролю, повинна пройти спеціальне навчання.
Технічні характеристики робочих засобів вимірювань, що застосовуються
при дозиметричному контролі, наведені у Таблиці 4.5.
Методи проведення різних форм дозиметричного контролю лазерного
випромінювання визначені ГОСТ 12.1.031.
73
Таблиця 4.4 Технічні характеристики основних робочих засобів
вимірювань, що застосовуються при дозиметричному контролі
Характеристики в режимі вимірювання
енергетичної експозиції (енергії)
Робоча довжина
Максимальна
Тип хвилі, спектральний
Тривалість частота тривалість
діапазон, мкм
імпульсів, с повторення, впливу, с
Гц
1 2 3 4 5
0,63; 0,69; 1,06 10(-8)-10(-2) 500 -
ИЛД-2
0,49-1,15; 10(-8)-10(-2) 500 -
М
1,06 10(-6)-10(-2) 25 -
0,63; 0,69; 1,06 10(-8)-10(-2) 500 -
0,63; 0,69; 1,06 - - 1-10(5)
0,49-1,15 10(-8)-10(-2) 500 -
ЛДМ-2
0,49-1,15 - - 1-10(5)
10,6 10(-6)-10(-2) 500 -
10,6 - - 1-10(5)
0,26; 0,34 10(-8)-10(-2) 500 -
ЛДМ-3
0,26; 0,34 - - 1-10(5)
0,69; 1,06 10(-8)-10(-2) 10(3) -
ЛДК
0,49-1,06 10(-8)-10(-2) 10(3) -
0,53-1,15 10(-8) - -
ЛДОК
10,6 10(-6) - -
74
Таблиця 4.4 (продовження)
Характеристики в режимі вимірювання
Робоча довжина
енергетичної експозиції (енергії)
хвилі,
Тип межа основної
спектральний Діапазон
допустимої похибки,
діапазон, мкм вимірювань, Дж
%
1 2 6 7
0,63; 0,69; 1,06 1,4 x 10(-5) - 10(4) +-18(30)
ИЛД-2М 0,49-1,15; 1,4 x 10(-5) - 10(-1) +-30
1,06 10(-1) - 10(3) +-10(+-22)
0,63; 0,69; 1,06 10(-5) - 10(3) +-18(+-20)
0,63; 0,69; 1,06 10(11) - 10(8) +-20(+-26)
0,49-1,15 10(-5) - 10(-1) +-30
ЛДМ-2
0,49-1,15 10(-3) - 10(4) +-35
10,6 10(-1) - 10(3) +-22(+-26)
10,6 10(1) - 10(3) +-22(+-26)
0,26; 0,34 10(-5) - 10(4) +-25
ЛДМ-3
0,26; 0,34 10(-3) - 10(6) +-30
0,69; 1,06 10(-4) - 1 +-20
ЛДК
0,49-1,06 10(-4) - 1 +-30
0,53-1,15 10(-4) - 10(3) +-20
ЛДОК
10,6 1 - 10(3) +-20
75
4.4 Сучасні технічні засоби дозиметричного контролю лазерного
обладнання
Рисунок 4.1 Лазерний дозиметр ЛД-07
Таблиця 4.5 Технічні характеристики
Спектральні діапазони, мкм 0,25; 0,34
0.48; 0,53; 0,63; 0,69; 0,91; 1,06; 1,15
2,94; 3,39; 5,6; 10,6
Габаритні розміри блоку реєстрації, мм 170х80х32
Вага блоку реєстрації (не більше), г 300
Габаритні розміри детекторної головки, Ø57х82 мм
мм
Вага детекторної головки (не більше), г 150
76
Лазерний дозиметр ЛД-07 призначений для контролю рівнів імпульсного
і безперервного лазерних випромінювань. Прилад дозволяє автоматично
вимірювати енергетичну експозицію і опромінення розсіяного або відбитого
лазерного випромінювання та аналізувати результати вимірювань у
відповідність з діючими санітарними нормами і правилами № 580491, МЕК
825-1-93 з метою визначення небезпеки випромінювання для організму
людини. Ергономічний дизайн дозиметра поєднується з малими габаритами і
вагою, з автономним електроживленням від вбудованих акумуляторів.
Лазерний дозиметр ЛД-07 виконаний на сучасній елементній базі і
складається з двох частин: детектуючої головки і блоку реєстрації та індикації,
з'єднаних між собою по радіоканалу.
Детектуючі головка лазерного дозиметра, оснащена трьома детекторами
випромінювань, перекриває діапазон довжин хвиль від 190 нм до 20 мкм.
Детектуючі головка встановлюється на штатив з кутомірним пристроєм з
ноніусом, що дозволяє точно наводити детектори на точку очікуваного сигналу
за допомогою лазерного целеуказателя, вбудованого в детектуючі голівку, у
відповідність з ГОСТ Р 12.1.031 -2010 Лазери. Методи дозиметричного
контролю лазерного випромінювання.
ГОСТ Р 50723-94 Лазерна безпека. Загальні вимоги безпеки при розробці
та експлуатації лазерних виробів, ГОСТ 12.1.040-83 Система стандартів
безпеки праці. Лазерна безпека.
Блок реєстрації відображає на кольоровому графічному РКІ (3.5 ")
результати вимірювань, отриманих по радіоканалу з детектуючої головки, а
також, дозволяє запам'ятовувати результати вимірювань в пам'яті приладу і
проводити попередній аналіз результатів вимірювань. Інтуїтивно зрозумілий
інтерфейс користувача допомагає користувачеві за допомогою клавіатури або
сенсорної панелі коректувати налаштування приладу (яскравість екрану,
годинник реального часу, календар і пр.), вибирати робочий лазер зі списку, в
який включено більшість популярних лазерів, додавати в список нові лазери,
вибирати режим вимірювань і пр. Блок реєстрації лазерного дозиметра може
77
одночасно приймати по радіоканалу результати вимірювань від 8 детектуючих
головок. Цей режим спрощує проведення робіт з дозиметричного контролю в
місцях демонстрації лазерних шоу.
Рисунок 4.2 Лазерний дозиметр «Ладин»
Лазерний дозиметр «Ладин» призначений для контролю наступних
параметрів лазерного випромінювання:
• дози випромінювання;
• частоти імпульсів випромінювання;
• енергетичної експозиції від імпульсного випромінювання;
• опроміненості від безперервного випромінювання;
• тривалості випромінювання.
Лазерний дозиметр «Ладин» може застосовуватися службами санітарно-
гігієнічного нагляду, охорони праці, медичними установами, науково-
дослідними підприємствами та організаціями, які розробляють, випускають і
експлуатуючими лазерну техніку. Конструктивно дозиметр «Ладин»
складається з портативного блоку перетворення, на лицьовій панелі якого
розташований дисплей і клавіатура, штатива і 3-х фотоприймальних пристроїв:
78
ФПУ-1 (для вимірювань в спектральному діапазоні 0,48-1,15 мкм), ФПУ-2 (1
,15-1, 8 мкм) і ФПУ-3 (2,0-11,0 мкм), штатива.
Таблиця 4.6 Технічні характеристики
Спектральні діапазони, мкм 0,48-1,15
1,15-1,8
2,0-11,0
Робочі довжини хвиль лазерного 0,48; 0,53; 0,63; 0,69; 0,78; 0,85;
випромінювання, мкм 0,92; 0,98
1,06; 1,15; 1,30; 1,54
10,6
Діапазони вимірювань опроміненості від 10-6 - 10-2
безперервного лазерного випромінювання, 10-5 - 10-1
Вт/см2 10-3 - 1
Діапазони вимірювань енергетичної 10-8 - 10-4
експозиції від імпульсного лазерного 10-7 - 10-3
випромінювання, Дж/см2
Діапазони вимірювань сумарної 10-8 - 102
енергетичної експозиції за час вимірювання 10-7 - 103
(дози), Дж/см2 10-5 - 104
Габаритні розміри 230х106х68 ( блок перетворення)
80х40х40 (ФПУ-1, ФПУ-2)
125-40х40 (ФПУ-3)
Маса (в розширеній комплектації) 0,75 кг
79
Рисунок 4.3 Дозиметр ЛД-4
Дозиметр ЛД-4 призначений для вимірювання енергетичної експозиції і
опроміненості розсіяного і відбитого лазерного випромінювання з метою
визначення небезпеки для організму людини. Базова модель призначена для
вимірювання випромінювань наступних типів лазерів: гелій-неоновий,
рубінових, напівпровідникових, неодімових, С02. За додатковим замовленням
прилад може бути оснащений опціями вимірювання в інших спектральних
діапазонах. Дозиметр ЛД-43 може бути також використаний як засоби повірки
лазерних дозиметрів інших типів. Діапазони вимірювань лазерних дозиметрів
дозволяють здійснювати дозиметричний контроль лазерного випромінювання
відповідно до нормативів з лазерної безпеки, встановленими стандартом МЗК
825-1-93 та санітарними нормами і правилами № 5804-91. Дозиметри мають
автономне електроживлення, прості і надійні в експлуатації, мають малі
габарити і масу.
Таблиця 4.7 Технічні характеристики
80
Діапазони вимірів 0,1...200 ПДУ
0,53 мкм; 0,63 мкм; 0,69 мкм; 0,9 мкм;
Спектральний діапазон роботи
1,06 мкм; 10,6 мкм
Спектральний діапазон роботи по 0,2...0,45 мкм, 0,45...1,9 мкм, 1,9...20,0
додатковому замовленню мкм
Діапазон тривалості імпульсів 10 нс...5 мс
Максимальна частота вимірюваних безперервні,
імпульсів однократні, 0...12 Гц
Індикація цифрова
Живлення 25 В, автономне
Габарити 65×90×130 мм
Маса 0,5 кг
4. 5 Захист від впливу лазерних випромінювань
Лазерні квантові генератори слід розміщувати в спеціально призначених
для цих цілей приміщеннях, двері яких повинні мати спеціальне блокування з
світловим табло, що включається на час роботи лазерних генераторів.
Приміщення повинні задовольняти усім вимогам санітарних норм і повинні
бути обладнані припливно-витяжною вентиляцією.
Приміщення усередині, а також устаткування і предмети, що знаходяться
в ньому, не повинні мати дзеркально відбиваючих поверхонь, у противному
разі їх варто фарбувати в темні матові тони.
Квантовий генератор повинен установлюватися таким чином, щоб шлях
променя проходив в найменш відвідуваній людиною зоні, а місця фокусування
променя під час його роботи були захищені діафрагмами. Наприкінці променя
розміщують пастку для поглинання відбитого випромінювання. Для зменшення
розсіювання випромінювання лінзи, призми й інші тверді перешкоди на шляху
81
променя повинні бути обладнані блендами. У деяких випадках необхідно
відбивати весь хід променя.
Для візуального юстирування пристрої повинні бути оснащені захисними
поглинаючими фільтрами. При роботі з оптичними квантовими генераторами їх
розташування за польових умов слід позначати спеціальними знаками.
Ширми, що екранують, штори, завіси можна виготовляти з бавовняної
чорної фланелі.
Захист очей слід здійснювати захисними окулярами, скло яких має велику
оптичну щільність. Закордонні дослідники пропонують використовувати скло
щільністю 9 на довжинах хвиль 0,6943 і 1,06 мкм. Для запобігання ушкодження
скла випромінюванням оптичного квантового генератора перед ним
пропонується розміщувати скло з меншим коефіцієнтом поглинання.
Окуляри СЗС-22, виконані із синьо-зеленого скла, практично непроникні
для випромінювань з довжинами хвиль 0,63-1,5 мкм.
Робітники в процесі роботи з оптичними квантовими генераторами для
профілактики захворювань повинні два рази на рік проходити медичні огляди
за участю терапевта, гематолога, офтальмолога і невропатолога.
Дослідження і обслуговування оптичних квантових генераторів повинні
проводити працівники не молодше 18 років, які не мають медичних
протипоказань.
Висновки до розділу 4 :
В розділі охорона праці було проведено аналіз умов праці при роботі на
лазерній установці «Квант-17». Досліджено вплив лазерних випромінювань на
людину. Розглянуто сучасні технічні засоби дозиметричного контролю
лазерного обладнання. Розглянуто контроль рівнів небезпечних і шкідливих
факторів при роботі з лазерами.
82
ВИСНОВКИ
1. Проведено літературний огляд сучасних методів зміцнення
поверхонь деталей
2. Досліджено процес зміцнення поверхонь шляхом використання
лазерного променя для підвищення їх експлуатаційних властивостей
3. Проведено дослідження по визначенню мікротвердості та
зносостійкості модифікованих лазерним променем поверхонь
4. В результаті проведених досліджень було встановлено, що лазерна
поверхнева обробка дає підвищення твердості поверхневого шару всіх
розглянутих матеріалів. Глибина зміцненого шару становить ≈1,2 мм.
Твердість зміцненого шару після лазерної обробки не нижче, ніж після об'ємної
гарту і становить від 42-44HRC до 62 HRC. На жодному з досліджених зразків
тріщин, мікротріщин, раковин, пор виявлено не було. Ресурс зміцненої зони 1
зразка в 1,27 рази більше, ніж у 2 зразка, тому що коефіцієнт зносостійкості 1
зразка більше, ніж коефіцієнти 2 зразка.
5. Після проведення досліджень по визначенню стійкість поверхонь
сталі до і після лазерної обробки корозії, було встановлено, що лазерна
модифікація не призводить до погіршення опору сталі корозії.
6. В розділі охорона праці було розглянуто вимоги безпеки при роботі
на лазерному обладнанні
83
Список використаної літератури
1. Фесенко А. Г., Бечке К. В., Манжаліївський С. В. Методи
поверхневого зміцнення у процесі виготовлення деталей машин : навч. посіб.
Дніпро : РВВ ДНУ, 2015. 104 с
2. Геворкян Е. С., Тимофеєва Л. А., Нерубацький В. П., Мельник О.
М. Інтегровані технології обробки матеріалів : підручник. Харків : УкрДУЗТ,
2016. 238 с.
3. Рожков О.Д. Технологія нанесення покриттів: Навч. посібник, ч.ІІ –
Дніпропетровськ: НМетАУ. 2008. – 38с.
4. В.П. Гаращук Основи фізики лазерів: навчальний посібник . – Київ:
Пульсари, 2012. – 342 с
5. Никируй Ю. С., Мудрий С. І., Борисюк А. К. Вплив лазерного
опромінення на структуру та властивості аморфного сплаву
Fe73.5Nb3Cu1Si15.5B7. // Фізика і хімія твердого тіла. – 2012. – Т. 13, No 4. – С.
890–894
6. Головко Л.Ф., Блощицин М.С. електронна версія конспекту лекцій
до дисципліни «Електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів»;
гриф механікомашинобудівного інституту; протокол Вченої Ради ММІ № 2;
дата отримання грифу 25.09.2017.
7. Кушнарьова, О. С. Модифікування поверхневих шарів
швидкорізальної сталі іспульсно-плазмовою обробкою / О. С. Кушнарьова, О.
М. Берднікова, Є. В. Половецький, І. І. Алексеєнко, Т. М. Кушнарьова //
Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та систем (КЗЯТПС –
2023) : тези доповідей XІІІ Міжнародної науково-практичної конференції (м.
Чернігів, 25–26 травня 2023 р.) : у 2 т. Т. 2. – Чернігів : НУ «Чернігівська
політехніка», 2023. – С. 50-51.
8. Нанесення покриття: навчальний посібник / [Корж В.М., Кузнецов
В.Д., Борисов Ю.С., Ющенко К.А.]; за редакцією НАН України К.А. Ющенка –
К.: Арістей, 2005 р. – 204 с.
9. Гожій С. П. Основи фізико-технічних та хіміко-термічних процесів
для підвищення ресурсу виробів машинобудування. Навч. посіб. з вибіркової
84
компоненти «Основи фізико-технічних та хіміко-термічних процесів для
підвищення ресурсу виробів машинобудування» для студентів галузі знань 13
Механічна інженерія, спеціальностей 131 Прикладна механіка усіх форм
навчання. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 104 с.
10. Коваленко В.С. Технология и оборудование для электрофизических
и электрохимических методов обработки материалов. — Київ : Вища школа,
1988. — С. 162.
11. Інженерія поверхні : підручник / Ющенко К. А., Борисов Ю. С.,
Кузнецов В. Д., Корж В. М. Київ : Наукова думка, 2007. 559 с.
12. Головко Л. Ф. Енергозберігаючи технології зміцнення робочих
поверхонь деталей машин / Л. Ф. Головко, О. В. Радько, А.К. Скуратовський,
С.С. Салій //Проблеми тертя та зношування. №4(85). 2019.- С.44-52/
13. Лузан С.О. Інженерія поверхні. Конспект лекцій. – Харків: НТУ
«ХПІ», 2023. – 168 с.
14. Процеси та обладнання фізико-технічної та лазерної обробки
Гончарук О. О., Головко Л. Ф., Кагляк О. Д. та ін. : навч. посіб. – Київ : КПІ ім.
Ігоря Сікорського, 2019.
15. Cідашенко О.І. Ремонт машин та обладнання: Підручник. / О.І.
Сідашенко, О.А. Науменко, Т.С. Скобло, О.В. Тіхонов та ін.: За ред. проф. О.І.
Сідашенка, О.А. Науменка. – Х.: «Міськдрук», 2010. – 744 с
16. Надійність машин та обладнання : навчальний посібник. Ч. 2.
Ремонт машин та відновлення деталей / З. В. Ружило [та ін.]. - К. : Видавничий
центр НУБіП України, 2023. - 310 с.
17. Черновол М. І., Шепеленко І. В., Василенко І. Ф., Красота М. В.,
Тіхонов О. В., Науменко О. А., Рибалко І. М. Теоретичні основи та технологічні
процеси відновлення деталей машин: навчальний посібник. Харків: «Діса
плюс», 2025. 347 с
18. Ремонт машин та обладнання / Підручник. О.І. Сідашенко, О.А.
Науменко, Т.С. Скобло, О.В. Тіхонов та ін.; За ред. проф. О.І. Сідашенка, О.А.
Науменка. – 2-е вид. перероб. доп. – Х.: “Міськдрук”, 2014. - 742 с..
19. Numerical modeling and experimental investigation of TiC formation on
85
titanium surface pre-coated by graphite under pulsed laser irradiation / A.
Chehrghani, M. J. Torkamany, M. J. Hamedi, J. Sabbaghzadeh // Applied Surface
Science. – 1 January, 2012. – Vol. 258, Issue 6. – P. 2068–2076.
20. Churilov G.N. e. a. Synthesis of Fullerenes in a High-frequency Arc
Plasma under Elevated Helium Pressure // Carbon. 2013. V. 62. Pp. 389—392.
21. Chernogorova O., Drozdova E., Ovchinnikova I., Soldatov A., Ekimov
E. Structure and Properties of Super-elastic Hard Carbon Phase Created in Fullerene-
metal Com-posites by High Temperature – High Pressure Treatment // J. Appl. Phys.
2012. V. 111—112. P. 601.
22. Лазерні технології у машинобудуванні: навч. посібник для
студентів спеціальності «Прикладна механіка» денної, заочної та дистанційної
форм навчання / Л. І. Пупань. – Харків: НТУ «ХПІ», 2020. –109 с.
23. Головко Л. Ф. Новітні лазерні технології в поверхневій обробці
матеріалів / Л. Ф. Головко // Матеріали всеукраїнської наукової конференції
„Актуальні проблеми теоретичної, експериментальної та прикладної фізики“,
20-22 вересня 2012 року — Т. : ТНТУ, 2012 — С. 114-118.
24. Кагляк О. Д. Особливості лазерного формоутворення листових
матеріалів / О. Д. Кагляк, О. О. Гончарук, Л. Ф. Головко, А. М. Лутай // Вост.-
Европ. журн. передовых технологий. - 2012. - № 2/13. - С. 32-40.
25. Лазерні технології та комп’ютерне моделювання [наукове
видання] / під ред. Л. Ф. Головка, С. О. Лук’яненка. – К.: Вістка, 2009. – 295 с.
26. Капустинский, О. А. Лазерне зміцнення робочих елементів валів
турбодетандерів / О. А. Капустинский, М. С. Блощицин, Л. Ф. Головко //
Загальноуніверситетська науково-технічна конференція молодих вчених та
студентів, присвячена дню Науки. Секція «Машинобудування», підсекція
«Лазерної техніки та фізико-технічних технологій» : тези доповідей, 2014 р., м.
Київ. – Київ : НТУУ «КПІ», 2014. – С. 83-84/
27. Погребна Н. Е., Куцова В. З., Котова Т. В.. Способи зміцнення
металів. навч. посіб. Дніпро : НМетАУ, 2021. 89 с
28. Коваленко В. С., Головко Л. Ф., Черненко В. С. Упрочнение и
легирование деталей машин лучом лазера. К. : Техника, 1990. 192 с.
86
29. Мудрий С. І., Никируй Ю. С. Вплив лазерного опромінення на
структуру аморфних металевих сплавів. – Львів: Видавничий центр ЛНУ імені
Івана Франка, 2017. – 126 с.
30. Гончарук О. О. Визначення впливу технологічних параметрів
лазерного спікання на процес формування та властивості абразивних
композитів із надтвердих матеріалів / Гончарук О. О., Головко Л. Ф., Сороченко
В. Г., Хагеризаде Мейсам // Вісник НТУУ «КПІ». Машинобудування : збірник
наукових праць. – 2013. – № 3(69). – С. 158–165.
31. Лазерна поверхнева обробка матеріалів / Афанасьєва О.В.,
Лалазарова Н.О., Федоренко Є.П. Харків : ФОП Панов А.М., 2020. 100 с.
32. Idan A. F. І., Akimov, O., Golovko, L., Goncharuk, O., & Kostyk, K.
(2016). The study of the influence of laser hardening conditions on the change in
properties of steels. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5(80),
69–73
33. Породько Л. В., Лерман Л. Б., Семчук О. Ю. Врахування кінцевої
швидкості поширення тепла при лазерному розігріві поверхні твердого тіла. //
ХФТП. – 2011. – Т. 2, No 3. – С. 343–346.
34. Головко Л.Ф., Кагляк О.Д., Романенко В.В., Блощицин М.С.
Застосування лазерного термоциклування для підвищення якості плазмових
зносостійких покриттів/ Mechanics and Advanced Technologies. – 2022. – No. 3.
– С. 328-341.
35. Пупань Л. І. Лазерні технології в машинобудуванні. Посібник для
студентів спеціальності «Прикладна механіка» денної, заочної та дистанційної
форми навчання. – Харків: НТУ ХПІ, 2020. – 109 с
36. Технічна інструкція «квант17»
37. Інструкція по користуванню «Мікротвердомір ПМТ-3»
38. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Бібліографічний запис, бібліографічний
опис. Загальні вимоги та правила складання»: методичні рекомендації з
впровадження/уклали: Галевич О.К., Штогрин І.М.– Львів, 2008 – 20с.
39. ДСТУ. 3008-95 – Документація. Звіти у сфері науки і техніки.
Структура і правила оформлення.
87

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets