Экспериментальное изучение механизма формирования единичной лунки при воздействии импульсного лазерного излучения

лошовной зоне круговых швов вварных элементов 060 мм и 070 мм (60 % дефектов, встречающихся на электронно-лучевых швах, - пористость) [2].

Так, например, при ЭЛС переходников обнаруживалась пористость по переходной зоне, не соответствующая требованиям нормативной документации. Эта пористость может быть обусловлена как влиянием различных технологических факторов, таких как: присутствие на кромках свариваемых деталей остатков смазочно-охлаждающей жидкости, неблагоприятное направление волокна относительно стыка в районе сварного шва, так и качеством поставляемых полуфабрикатов. Применение сплава АМг6 для изготовления сварных конструкций к значительному снижению пористости в околошовной зоне сварных круговых швов, выполненных ЭЛС, не привело.

С 2010 г. по настоящее время проводился ряд исследований по выявлению причин образования мелкой пористости по переходной зоне круговых сварных швов малого диаметра 060 мм и 070 мм со стороны вварных элементов на сборочных единицах. Целю этих исследований являлось выявление причин появления пористости и определение способа ее устранения, в том числе влияния применяемых при ме-хобработке вварных элементов СОЖ и неблагоприятного направления волокна относительно стыка в районе сварного шва на появление пористости, влияние состояния структуры и качества поставляемых полуфабрикатов из сплава АМг6 различных плавок на появление пористости (определение содержания № и А12О3, контроль структуры по макрошлифам, проверка чистоты металла технологической «пробой на нагрев»), влияние термообработки заготовок и деталей из сплава АМг6 в контролируемой защитной атмосфере на устранение пористости, влияние высокотемпературного отжига на механические свойства полуфабрикатов из сплава АМг6 и газосодержание, а также выявление плавок полуфабрикатов и партий деталей, неблагоприятных по пористости при ЭЛС.

Анализ отечественной и зарубежной информации показал, что для уменьшения пористости в процессе изготовления деформируемых алюминиевых сплавов

применяют различного рода термообработки, направленные на уменьшение газосодержания в сплавах.

Наиболее приемлемым по технической сущности является способ термообработки американской фирмы АЛКОЛ, заключающийся в нагреве полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в атмосфере с содержанием кислорода не более 0,2 % и точкой росы - 70 °C в интервале температур 480-520 °С.

Электронно-лучевая сварка сборочных единиц содержащих вварные элементы, прошедшие отжиг в среде аргона (нагрев до температуры 430° ± 10 °С и выдержка в течение 90 мин, охлаждение до температуры 310±15 °С и выдержка в течение 60 мин, охлаждение до комнатной температуры, отжиг выполняется с продувкой аргоном 12-16 л/мин), подтвердила эффективность предложенного способа термообработки для устранения пористости в околошовной зоне сварных круговых швов вварных элементов и обеспечила выполнение требований КД.

Таким образом, с целью повышения качества исходного материала и устранения пористости в круговых швах вварных элементов предлагается ввести перед сваркой высокотемпературный отжиг заготовок и деталей из сплава АМг6 в защитной контролируемой атмосфере.

Библиографические ссылки

1. Добаткин В. И., Габидуллин Р. М. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. М. : Металлургия, 1976.

2. Рабкин Д. М. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов. Киев : Наукова думка, 1986.

References

1. Dobatkin V. I., Gabidullin R. M. Gazy I okisly v aluminievyh deformiruemyh splavah, M. : Metallurgiya, 1976.

2. Rabkin D. M. Metallurgiya svarki plavleniem aluminiya I ego splavov. Kiev : Naukova dumka, 1986.

© Орешенко Т. Г., Селиванов А. Б., Панфилов М. А., 2014

УДК 621.9.048.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ЕДИНИЧНОЙ ЛУНКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Д. В. Панов, С. А. Кочергин, Б. П. Саушкин

ФГУП «Научно производственное объединение «Техномаш» Российская Федерация, 127018, г. Москва, 3-й проезд Марьиной Рощи, 40 E-mail: tec240@gmail.com

Представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие физическую модель механизма формирования единичной лунки на поверхности коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ1-0 при лазерной микрообработке импульсным излучением волоконного лазера.

Ключевые слова: волоконный лазер, импульсное излучение, плотность мощности, глубина лунки, высота валика.

Технология и мехатроника в машиностроении

EXPERIMENTAL STUDY OF THE SINGL HOLE FORMATION MECHANISM UNDER PULSED LASER RADIATION OF THE FIBER LASER

D. V. Panov, S. A. Kochergin, B. P. Saushkin

Federal State Unitary Enterprise "Scientific-and-Industrial Association "Technomash" 40, 3rd proezd Marinoy Roshchi, Moscow, 127018, Russian Federation E-mail: tec240@gmail.com

The experimental results confirming the physical model of the single hole formation mechanism on the surface of stainless steel 12X18H10 and titanium alloy BT1-0 under laser micromachining with pulsed radiation of the fiber laser.

Keywords: fiber laser, pulse radiation, power density, depth of the hole, the height of the roller.

Возрастающие требования к эксплуатационным характеристикам космических аппаратов и систем приводят к необходимости создания нового поколения технологий и средств технологического обеспечения, основанных на концепциях, существенно отличных от традиционных [1]. В этом направлении в отрасли активно разрабатываются и внедряются новые методы и технологии обработки и формообразования тонкостенных малоразмерных деталей, в частности, лазерное микрофрезерование, маркирование и гравирование [2].

Тонкостенные прецизионные детали, изготавливаемые по новым технологиям, требуют для получения заданной точности минимальных значений съема материала в ряде случаев менее одного микрометра. При таких значениях съема материала и отсутствии механического воздействия создаются условия для изготовления деталей с практически уравновешенными массами, что при изготовлении тел вращения, например, роторов гироскопов, имеет исключительно большое значение.

Изучению процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом посвящено большое количество работ. Однако данные по формированию микрогеометрии поверхности при лазерной микрообработке мало систематизированы, что не позволяет в полной мере использовать возможности лазерного излучения для операции микрофрезерования, балансировки, практически отсутствуют рекомендации по выбору параметров режима лазерной микрообработки ответственных деталей изделий РКТ.

В основе построения модели формирования микрогеометрии поверхности при лазерном воздействии на твердое тело лежит механизм формирования единичной лунки. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования этого механизма применительно к обработке коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ1-0 импульсным лазерным излучением волоконного лазера.

Физическая модель разрушения материала, основанная на тепловом механизме и фазовых переходах, считается общепринятой и корректной до значений плотности потока мощности q~109 Вт/см2, поэтому она использована при интерпретации экспериментальных данных [2]. При более высоких значениях этой величины для описания процессов разрушения материала в зоне контакта с излучением используют теорию взрыва применительно к узкому поверхност-

ному слою вещества, в котором осуществляется тепловыделение [2; 3].

На плоских пластинах из указанных выше материалов производилась однопроходная обработка поверхности импульсным излучением с использованием различных параметров режима. В качестве источника лазерного излучения применяли волоконный лазер фирмы IPG с максимальной средней мощности 20 Вт. Перемещение светового пятна диаметром 50 мкм осуществлялось сканаторной головкой Scan LAB. Лунки получали при различных значениях мощности излучения и фиксированных параметрах длительности (ти = 100 нс) и частоты следования (f = 100 кГц) импульсов излучения при постоянной скорости сканирования.

Топография поверхности анализировалась на оптическом и электронном микроскопах с получением количественной оценки параметров микрометрии. Полученные данные сопоставлялись с результатами измерения шероховатости на профилографе-профилометре и обработки соответствующих профи-лограмм.

Изготавливались поперечные шлифы, проводилась оценка величины зоны термического влияния и измерялась микротвёрдость поверхностного слоя по стандартным методикам.

В соответствии с физической моделью рассматривали и оценивали следующие процессы, протекающие при формировании лунки [2-4] :

- нагревание локального объема материала до температуры фазового превращения;

- фазовые превращения (плавление, сублимация, испарение);

- гидродинамические процессы в жидкой фазе, приводящие к ее вытеснению на периферию светового пятна, образованию валика или капельному распылению в область, лежащую вне зоны светового пятна;

- формирование паро-плазменного облака, экранирующего поверхность материала

Проведенные исследования подтвердили влияние энергетических параметров на формирование лунки и относительной доли жидкой фазы в продуктах разрушения материала (см. рисунок).

Из представленных результатов видно, что объем лунки возрастает до определенных значений плотности мощности (~2х108 Вт/см2), растет и объем вытесненной жидкой фазы. При увеличении плотности мощности выше указанной величины наблюдается

снижение доли жидкой фазы, а также уменьшение объема лунки, вызванное, по-видимому, формированием паро-плазменного облака, экранирующего поверхность материала (см. таблицу).

Для проверки адекватности выполненных рассуждений с экспериментом выполнены расчеты тепловой энергии, необходимой для получения лунки с заданными геометрическими параметрами, которые показали хорошую сходимость с результатами эксперимента.

В результате проведенной работы экспериментально подтверждена модель формирования единичной лунки на поверхности исследованных материалов и установлены основные закономерности влияния параметров режима на этот процесс.

Полученные данные позволяют обосновать и развить имеющиеся представления о формировании микрогеометрии поверхности изделий из коррозион-ностойкой стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ 1-0 при лазерной микрообработке импульсным излучением.

Зависимость объема лунки

Геометрические параметры одиночных лунок, полученных при различных значениях мощности излучения на поверхности образца из стали 12Х18Н10Т

Параметры режима и геометрии лунок

Р 1 ср h "вал Авал Ац.в. Кв-10"6 ^ Ал Vi-10"6 VJ Ул

Вт мкм мкм мкм мм3 мкм мкм мм3 -

50 0,3 2,0 59 0,07 6,2 30 1,8 0,038

40 0,5 2,3 62 0,14 5 41 3,2 0,043

30 1 3,5 53 0,38 5 35 2,4 0,15

20 3 7 53 2,3 4,3 48 3,8 0,65

15 2 5,8 51 1,2 3,5 45 2,7 0,4

10 0,7 6,5 31 0,3 1,6 24 0,3 1

Рср - средняя мощность излучения; квал - высота валика; - диаметр валика; - диаметр по оси центров валика; ¥в - объем валика; кл - глубина лунки; - диаметр лунки; Ул - объем лунки

Библиографические ссылки

1. Котов А. Н., Агуреев Л. Е. Новые наукоемкие технологии в технике // Энциклопедия / под общ. ред. А. Н. Котова. М. : ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2011. Т. 1. 404 с.

2. Моргунов Ю. А., Панов Д. В., Саушкин Б. П., Саушкин С. Б. Наукоемкие технологии машиностроительного производства. Физико-химические методы и технологии. М. : Форум, 2013. 928 с.

3. Парфенов В. А. Лазерная микрообработка материалов : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТУ», 2011. 59 с.

4. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 660 с.

References

1. Kotov A. N., Agureev L. E. New High Technologies in Trchnict // Encyclopedia. T. 1. M. : ZAO NII "ENTSITEH", 2011. 404 p.

2. Morgounov Y. A., Panov D. V., Saushkin B. P., Saushkin S. B. Sciencefilled Technologies in Machinbuilding Production: Physical and chemical methods and technologies. M. : Forum, 2013. 928 p.

3. Parfenov V. A. Laser micromachining of materials: Publishing House of the ETU "LETU", 2011. 59 c.

4. Grigor'yants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. Technological processes of laser treatment. M .: Publishing House of MSTU by the name of N. Bauman, 2008.660 c.

© Панов Д. В., Кочергин С. А., Саушкин Б. П., 2014