автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Формирование микрогеометрических характеристик качества поверхностного слоя деталей лазерной обработкой

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М.ГУБКИНА

РГб од

- 2 т 1395

На правах рукописи

ЗУЕБ МйлАйЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.785.54:622.24.54

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 05.03.06 - Технология и мь^гны сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва. 1995 г.

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина.

Научный руководитель - кандидат технических наук,' .

доцент АВАНЕСОВ B.C.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЛИВШИЦ Л.С.; кандидат технических наук., старший научный сотрудник ШАРАВИН С.И.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт

автогенного машиностроения.

Завдта диссертации состоится " " 1995 г.

в J^-часов в аудиториина заседании специализированного совета Д 053.27.13 в Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан "2Г" 1995г.

Ученый секретарь

специализированного совета

доктор технических наук,

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Лазерная сварка, резка и термическая обработка являются перспективными технологическими процессами в нефтяном и газовом машиностроении. Однако применение, в частности, лазерной обработки (ЛО) для модифицирования рабочих поверхностей деталей делает необходимым определение параметров качества упрочненного слоя: его толщины и твёрдости, распределения остаточных напряжений, шероховатости поверхности и других. Использованию лазеров для сварки, резки и упрочнения, изучению влияния ЛО на свойства металлов было посвящено много работ различных авторов: Анисимова С.И., Большова Л.А., Вейко В.П., Григорьянца А.Г., Коваленко B.C., Крапошина B.C., МиркинаА.И., Рыкалина H.H., Сафонова А.Н., Углова A.A., Араты И., Дьюли У., Ли У.В., Реди Дж., Басса М. и ряда других учёных.

Исследование микрорельефа поверхности после лазерной резки, сварки и ЛО проводили в основном экспериментально, так как теоретическое описание эволюции профиля поверхности затруднено. Недостаточная разработка данной проблемы не позволяет прогнозировать микрогеометрические характеристики поверхности деталей после лазерных технологических процессов и, следовательно, определять необходимость и вид последующей финишной обработки.

Таким образом, развитие методов определения закономерностей эволюции микрорельефа поверхности металлов и, в частности, железоуглеродистых сплавов после ЛО в сварочном и других режимах является актуальной задачей машиностроения.

Диссертация выполнена в рамках научных исследований, проводимых кафедрой "Сварки и защиты от коррозии нефтегазовых сооружений" ГАНГ им.И.М.Губкина по межвузовской программе "Сварочное производство", Подраздел За "Разработка лазерной технологии обработки конструкционных сталей и сварных соединений с целью повышения трибодогических свойств" за 1992-1994 г.

Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных характеристик деталей из железоуглеродистых сплавов путём формирования заданной топографии рабочих поверхностей лазерным излучением (ЛИ).

Задачи работы.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Определение основных физических процессов, определяющих

Vnn^MfflAnff^imtttm »/«ЛПЧЛПАП* АЛ« гглллтятпял»» МЯШПИИЯТ* rt^nWA 1ТЛ *»/•» —

х ЯП UU ЛШ1 llUUV^AliUV Ж n (nviCMMWU ItUVaU^ 41V Upll »W

пользовании непрерывного лазерного излучения.

2. Разработка моделей формирования и эволюции профиля микронеровностей при JI0 в различных технологических режимах.

3. Экспериментальная проверка применимости моделей.

4. Разработка технологических рекомендаций по формированию заданной топографии поверхности ЛО в различных режимах.

Методы исследования. В ходе исследований использовали современное оборудование. ЛО экспериментальных образцов проводили на лазерных технологических установках с длиной волны 10,6 мкм -Хебр 1 А и ЛТ-1-2М, а также с длиной волны 1,06 мкм - ЛТН-103. Параметры микрорельефа поверхности исследовали на профиломет-ре-профилографе модели "Калибр-252" и автоматизированном профило-метре "Perthometer S8P" фирмы Feinpruef. Фотографии поверхности образцов получали с помощью сканирующего электронного микроскопа "Scan BS-300" фирмы "Тесла". Микротвёрдость поверхностных слоёв металла определяли на микротвердомере ПМТ-З, а твердость определяли по методу Роквелла. Теоретические исследования проводились с использованием персональных IBM-совместимых компьютеров.

Научная новизна.

- Установлено, что ведущими процессами, влияющими на характеристики микрорельефа стали при лазерном оплавлении непрерывным излучением с длиной волны 10,6 мкм, являются образование приповерх-

ностного факела и плазмы, приводящее к модулированию лазерного излучения, и распространение на поверхности расплава капиллярных волн.

- Предложены двухмерная нестационарная и трехмерная квазистационарная модели тепломассопереноса, решавшиеся численно в рамках гидростатического приближения, позволяющие оптимизировать' лазерную обработку поверхности металлов в широком диапазоне режимов.

- Установлена зависимость амплитуды крупномасштабных периодических микронеровностем нэ. поверхности жвлеясмглерплисшх сплавов от режимов лазерного оплавления и свойств металла.

Практическая ценность работы.

- Разработан комплекс интерактивных программ для персональных ЭВМ системы IBM с дружественным интерфейсом, позволяющий прогнозировать размеры микронеровностей после лазерного микрооплавления поверхности металлов и форму каналов, получаемых с помощью "лазерного гравирования", а также оптимизировать указанные режимы лазерной обработки.

- На основе проведенных исследований предложен ряд технологических приемов для улучшения микрогеометрических характеристик качества поверхности при использовании технологии лазерного оплавления непрерывным излучением.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Научно-практическом семинаре "Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях" (Челябинск, май 1990 г.), на научно-техническом симпозиуме "Методы и применение голографической интерферометрии" (Куйбышев, июль 1990 г.), на научно-техническом семинаре "Лазеры в народном хозяйстве" (Москва, декабрь 1991 г.), на Российской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении" (Рыбинск, май 1994 г.), на научно-техническом семинаре кафедры "Сварки и защиты от коррозии", ГАНГ им.И.М.Губкина (Москва, 1994 г.),на научно-технической кон-

ференции, посвященной 70-летию первого выпуска российских инженеров-нефтяников "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", (Москва, октябрь 1994 г.), на Российском научно-техническом семинаре "Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин" (Москва, май 1995 г.), на 5-й международной конференции "Лазерные технологии '95" (Шатура, июнь 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных литературных источников, 2 приложений. Содержит 142 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 57 рисунков, 125 наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе показана необходимость получения в процессе упрочнения оптимальных параметров микрорельефа. Приведены данные по шероховатости поверхности после различных видов обработки, отмечены их достоинства и недостатки.

Определено место ЛО в широком спектре методов формирования рельефа поверхностей. Проведен анализ влияния ЛО на эксплуатационные свойства поверхностей. Отмечается, что ЛО позволяет не только получать закалённый поверхностный слой, но и регулировать в широких пределах топографию поверхности. По степени воздействия на поверхность можно выделить следующие виды ЛО: без нарушения исходного микрорельефа, с оплавлением микронеровностей (ЛОМО), с оплавлением поверхности и в режиме "лазерного гравирования" (ЛГ).

ЛОМО, не затрагивающая основную поверхность, может применяться в качестве альтернативы механическим и электрофизическим

способам отделочной обработки. При ЛОМО происходит уменьшение йа и йз, увеличение опорной поверхности.

При использовании ЛО в режиме сильного оплавления для получения значительной толщины закаленного слоя (500-1000 мкм) железоуглеродистых сплавов образуются неровности, существенно увеличивающие шероховатость и волнистость поверхности по сравнению с исходной. Для применения указанных режимов ЛО в технологии необходимо знать припуски на обработку, позволяющие заранее задавать требуемую глубину оплавления к определить высоту микронеровное тей, чтобы не удалить при последующей обработке закаленный слой. Отсюда следует необходимость описания и учета основных механизмов формирования микрорельефа.

ЛГ можно использовать также для улучшения триботехнических характеристик рабочих поверхностей деталей путем формирования на них регулярного микрорельефа, например смазочных каналов (СК). В результате широких исследований закономерностей глубинного проп-лавления и резки металлов лазерным лучом (ЛЯ) было показано, что существуют оптимальные диапазоны режимов процесса газолазерной резки , близкого по характеру протекания процессу ЛГ. Были также сделаны теоретические оценки и выведен ряд аналитических выражений для зависимости формы реза от режимов резки. Однако из-за того, что при ЛГ происходит целый ряд взаимосвязанных тепловых и физических процессов таких, как нагрев, плавление, испарение, абляция металла, образование парогазового канала, застывание расплава, создание теоретической модели этих процессов и предсказание формы канала представляет существенные трудности.

Таким образом, обоснована необходимость разработки модели, позволяющей расчитывать параметры микрорельефа поверхности после различных видов ЛО.

Во второй главе для исследования динамики оплавления микрорельефа и формирования конечной шероховатости при нагреве, плав-

лении и отвердении металла при ЛОМО и ЛГ разработана двухмерная нестационарная модель тепломассопереноса, которая решалась численно в рамках гидростатического приближения вместе с уравнением теплопроводности с подвижными фазовыми границами.

Были допущены следующие упрощения : давление Ж, отдачу паров и потери массы в процессе испарения и химических реакций не учитывали. Массоперенос ограничивался пределами расчетной области. Вне рассмотрения были также возможные волновые движения в

Для квазиустановившегося режима равновесие сил на границе расплава и твердой фазы описывали следующим уравнением:

P(x,t) - p(t) + 6-(l/ri + 1/г2) = 0 (1)

, где P(x,t) - противодавление,

х - горизонтальная координата, t - время, p(t) - давление в расплаве,

б - коэффициент поверхностного натяжения, П, гг - главные радиусы кривизны в точке поверхности.

В рамках квазистационарной задачи Стефана, пренебрегая потоками тепла в продольном направлении по сравнению с потоками за счет движения среды, процесс переноса тепла описывали параболическим уравнением:

' CefV-p-thvAz = <l/Jx(KefiT/A0 + ¿/¿y(Kef "Зт/Зу) (2) с начальным условием:

Т(0,х,у) = Тс

, где Cef - эффективная удельная теплоемкость, V - скорость . движения ..ЛЛ, р - плотность расплава, Т,ТС - температура тела и окружающей среды, Kef - эффективный коэффициент теплопроводности, z - координата вдоль направления движения ЛЛ, у - вертикальная координата.

Модель позволяла расчитывать силы давления в расплаве, учитывая наличие кеодксрсднсстс;:, фосст;;: переходов, растекание под действием силы тяжести и сил поверхностного натяжения. Тепловая задача была сформулирована для областей различной геометрии, нагреваемых источником тепла с задаваемым распределением плотности мощности (F).

Таким образом можно было определять поля температур, тепловые потоки, а также эволюцию формы поверхности при плавлении и застывании расплава.

В третьей главе исследованы процессы модифицирования поверхности путем ЛОМО, изложены результаты расчетов режимов в заданной области по изложенной теоретической модели, а также результаты ее экспериментальной проверки.

При расчетах форму микронеровностей имитировали треугольной двумерной областью переменной высоты и ширины. На верхней границе области указывали распределение F, соответствующее диапазону режимов, используемому при ЛОМО, с учетом коэффициента поглощения ЛИ поверхностью, а также условия теплообмена.

Полученные в результате расчета профили оплавляемых выступов в различные моменты времени использовали для построения графиков зависимости отношения высот области после и до начала оплавления от времени нагрева Ж с различной F (рис.1).

Экспериментальное моделирование проводили путем оплавления макрообразцов-имитаторов и ЛОМО реальных плоских образцов с раз-

личной исходной шероховатостью из стали 45 ЛИ с длиной волны 10,6 мкм и 1,06 мкм. Макрообразцами служили кольцевые витки, проточенные на цилиндрах, угол при их вершинах варьировался в соответствии с изменением следа инструмента, оставляемого на поверхности деталей при лезвийной и абразивной обработках.

Для экспериментальной проверки соответствия модели реальным условиям процесса при ЛОМО поверхность образцов обрабатывали нанесением единичных дорожек. Мощность ЛИ (И) составляла от 700 до 2300 Вт. диаметр лазерного луча (.и; менялся в пределах (1-5)-Ю""2 м. исходной шероховатости варьировалась от 18 до 160 мкм.

Результаты экспериментов показали, что во всех случаях оплавление начиналось сверху, причем на конечный профиль поверхности существенно влиял угол при вершине микронеровностей. С уменьшением этого угла, а также при увеличении Г оплавление образцов ускорялось.

Изучение кинетики оплавления витков позволило установить, что изменение профиля макрообразцов по мере оплавления качественно соответствует расчетным данным, особенно при небольших временах нагрева.

Установлено, что зависимость отношения Кг/Иго поверхности образцов с различной исходной шероховатостью от плотности энергии ЛИ (¡3) : Ц = Г-Б/(2У) (рис.1) для всех Иго носит экстремальный характер. Для данных условий оптимальный диапазон при котором 1?г минимальна, находится в интервале 4-8 МДж/м2. Увеличение Ц сначала приводит к росту оплавления микронеровностей, а после превышения порогового значения Ц начинается оплавление основного металла.

В результате исследования влияния режимов ЛО на шероховатость поверхности и динамики оплавления микронеровностей было установлено, что разработанная модель согласуется с экспериментальными данными и может быть использована для расчета оптимальных режимов ЛОМО железоуглеродистых сплавов.

В четвертой главе исследовались процессы формирования регулярного микрорельефа на поверхности металлов в режиме ЛГ.

Результатом численного решения модели, описывающей ЛГ, являлось распределение температур, тепловых потоков в любой момент времени и эволюция формы поверхности во время плавления, выноса и остывания металла. С ее использованием был проведен расчет примерных режимов ЛГ для нанесения каналов на поверхность стальных образцов. Так как модель не позволяла учитывать испарение и выго-

г\ат*<ь мап'лпига'яо поох*тг*. г

ными, полученными при обработке в среде инертных газов. При расчетах варьировали величину и распределение давления газа (Рг).

Результаты обработки расчетных данных по эволюции профиля поверхности показаны на рис.2 а и б, где приведена теоретическая зависимость конфигурации профиля канала от Ц для различных давлений газа. С ростом Ч и Рг поперечное сечение канала возрастало. Увеличение Б при постоянной 0 несколько уменьшало скорость образования канала, однако приводило к росту его ширины (Ь).

Экспериментальную проверку применимости модели для расчета проводили на плоских образцах из стали 45, прошедших закалку и низкий отпуск. Исходная твердость поверхности составляла не менее 45 Н!?С. Образцы обрабатывали непрерывным ЛИ СОг-лазера с мощностью до 1000 Вт. Параметры ЛГ для получения оптимальных размеров СК были рассчитаны предварительно. Диаметр ЛЛ составлял 300-500 мкм, V = 0,02-0,10 м/с. В качестве продувочного газа использовали азот, аргон и кислород под давлением 0,1-0,5 МПа.

При обработке деталей по расчетным режимам на поверхности были получены каналы с различными траекториями глубиной 100-400 мкм и шириной до 500 мкм. Твердость по Роквеллу по периметру канала на всех образцах возрастала на 3-5 единиц по сравнению с исходной. Протяженность зоны термического влияния составляла 200-500 мкм.

Экспериментальные зависимости Ь и глубины канала (Ь) от параметров ЛГ также нанесены на рис.2 а и б. Использование модели, удовлетворительно соответствовавшей экспериментальным результатам, позволило связать изменение геометрических характеристик обрабатываемой поверхности с основными кинематическими зависимостями процесса, исследованными при расчетах режимов ЛГ.

В пятой главе приведены результаты исследований микрорельефа поверхности после ЛО в режиме оплавления.

Путем экспериментальных исследований 5ыло установлено, и,ро волнообразные неровности на поверхности металла после оплава ЛЛ часто имеют регулярный характер. В этом случае их называют периодическими поверхностными структурами (ППС). Амплитуда и пространственный период ППС зависят от режимов ЛО, свойств металла, а также нередко от других факторов, например, исходного микрорельефа.

Для выявления закономерностей формирования ППС наибольших размеров проводили экспериментальное исследование зависимости геометрических характеристик микрорельефа поверхности сталей от параметров непрерывного ЛИ и концентрации углерода в стали. Использовались стальные образцы с содержанием углерода (С) от 0,03 до 1,53 %. ЛО проводили на общепринятых режимах при V/ = 500- 2500 Вт, О = (1-5)-3 м, V = (4-42)~3 м/с. После ЛО для всех образцов определяли параметры высоты и шага микронеровностей поверхности.

На рис.3 нанесена зависимость Иг от Ц для различных скоростей ЛЛ при С = 0,3 %. Кривые на этом рисунке имеют экстремальный характер. С повышением <3, т.е. с увеличением мощности ЛИ или уменьшением 0 и V, параметр Иг поверхности стали растет, однако до определенного предела.

Такой вид зависимости №. можно объяснить тем, что при определенном <3 температура поверхности расплава достигает значения, близкого к температуре кипения и стабилизируется в результате

быстрого роста потерь тепла на испарение, абляцию и тепловое излучение.

На Рис.4 представлен график зависимости параметра Иг поверхности от 0 для образцов с различи™ С при Б = 3-1СГ3 м. Из графиков следует, что с ростом Ц (вследствие уменьшения V) конечная шероховатость увеличивается, причем чем выше концентрация углерода, тем больше Иг.

Обработка и анализ данных о шаге шероховатостей образцов поел? ЛО показали наличие среднего ппппфпанг.тнрннпгп периола (1). имеющего величину от 400 до 500 мкм, у шероховатостей с наибольшей средней амплитудой. Для прогнозирования параметров микрорельефа после ЛО определяли ведущие механизмы образования ППС при оплавлении поверхности металла Ж.

В работе на основе литературных данных были рассмотрены основные процессы, влияющие на передачу и распределение энергии при ЛО: интерференция ЛИ и поверхностных электромагнитных волн, образование приповерхностных плазмы и факела, генерация акустических волн в результате образования плазмы, временная и пространственная неоднородность распределения Г в лазерном луче, распространение волновых движений в расплаве и другие.

При исследовании эволюции профиля расплава при движении ЛЛ представлялось целесообразным не искать точную форму возмущений на поверхности расплава, а определить характерный пространственный период ППС с наибольшей амплитудой, и выявить процесс, приводящий к их образованию.

Был сделан вывод, что крупномасштабные ППС вероятнее всего являются следствием возбуждения и затухания в расплаве капиллярных волн (КВ), при движении ЛЛ, промодулированного колебаниями оптических свойств приповерхностного факела и плазмы с частотой 1-10 кГц. Другие процессы при использовании непрерывного ЛИ С0г-лазера приводят к мелкомасштабным, по сравнению с КВ, возму-

щениям расплава и, следовательно, более мелким микронеровностям отвердевшей поверхности. Ниже приведены выражения, описывающие КВ, а также подъем уровня расплава при наличии температурного градиента в поверхностном слое.

В нагреваемом сверху расплаве, если его вязкость мала, а глубина достаточно велика, распространяются КВ с законом дисперсии :

— .. . Г' V-/

, где к = 2Л/Л - волновой вектор КВ, X - длина КВ, ш - частота КВ. Коэффициент затухания (6) амплитуды КВ (В) под действием вязкости:

В = В0-ехр(-дЧ3), 5 = 2тгк2/р (4)

, где Во - начальная амплитуда КВ, 1Э - время затухания КВ,

ц - коэффициент внутреннего трения (вязкость) расплава. После рассмотрения явления переноса расплава при нагреве и плавлении материала ЛИ под действием градиента сил поверхностного натяжения и силы тяжести было выведено аналитическое выражение для величины подъема расплава (Н):

ДТ

Зб

н =

(5)

б-р-^-ь Зт

, где ДТ - разность температур между центром ЛЛ и границей расплав-твердое тело, И - глубина расплава, б - ускорение свободного падения.

Возмущения поверхности жидкой фазы существуют, пока существует расплав, при этом Н служит их начальной амплитудой. Как только прекращается нагрев ЛЛ, начинается релаксация возмущений (в том числе КВ), продолжающаяся до момента отвердения поверхности расплава. За время релаксации КБ, существующих в расплаве, ¿фини--мали время отвердения участка поверхности размером с длину КВ.

Из сравнения 1 с X стало очевидно, что 1 попадает в интервал значений длин КВ для частот, характерных для колебаний приповерхностных факела и плазмы при ЛО. При этом X определяет 1, а б и время отвердения - величину шероховатостей поверхности после лазерного оплавления.

Проверку возможности использования закономерностей КВ для прогнозирования параметров микрорельефа поверхности проводили, рассчитывая конечную амплитуду КВ с X = 1.

Для каждого значения 1 определяли 5. И и время отвердения находили с помощью численного решения задачи теплопроводности, описанной во второй главе. Полученые значения температур нагрева поверхности расплава, глубины плавления и времени отвердения участков поверхности подставляли в выражения (4) и (5) и находили величину В, которую принимали за высоту микронеровностей и сравнивали с экспериментальными значениями 1?г.

Таким образом, общую формулу для определения высоты микронеровностей (В) после оплавления поверхности непрерывным ЛИ с длиной волны 10,6 мкм можно записать в виде:

дт <?б г г-гк^Чз

В = - • - • ехр - -:—-

б'р^'Ь ЙТ I- р

(б)

Сопоставление расчетных зависимостей В(0) с экспериментальными ^Ш) приведено на рис.4. Как видно из графиков, с ростом концентрации углерода при одних и тех же режимах ЛО увеличиваются высота и пространственный период микронеровностей. Расчетные значения и Ьа ВСораСТсиСЩСт УЧаСТКС ЗсиЗИСИЫОСТП СТ ^ бЛНоЮ! К 011Спс риментальным, откуда следует, что разработанная аналитическая модель может быть использована для прогнозирования размеров крупномасштабных неровностей при оплавлении поверхности непрерывным ЛИ с длиной волны 10,6 мкм.

Рассмотрение физических процессов, протекающих при лазерном оплавлении металлов, позволило предложить следующие механизмы подавления крупномасштабных возмущений поверхности расплава и ППС во время ЛО:

а) Удаление приповерхностного факела во время ЛО.

б) Использование трудноиспаряющихся поглощающих покрытий.

в) Выбор оптимальных сочетаний параметров ЛО.

г) Повышение однородности ЛИ путем использования диафрагм и одномодового режима генерации ЛИ.

д) Применение предварительного подогрева обрабатываемых деталей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена расчетная двухмерная нестационарная модель тепломассопереноса, которая решалась численно в рамках гидростатического приближения, позволяющая оптимизировать режимы лазерного микрооплавления поверхности металлов.

2. Определены экспериментальные зависимости параметров шероховатости от режимов лазерного микрооплавления железоуглеродистых сплавов, носяг™е экстремальный характер, а тзкхе оптимальный диапазон значений плотности энергии ЛИ, соответствующий минимальным значениям Иг конечной шероховатости поверхности.

3. Предложена модель тепломассопереноса, основанная на трехмерной квазистационарной задаче Стефана, решавшаяся численно в рамках гидростатического приближения для расчета параметров технологических смазочных каналов, получаемых с помощью "лазерного гравирования".

4. Разработана технология получения регулярного микрорельефа с помощью лазерного излучения, заключающаяся в "лазерном гравировании" поверхности по заданным режимам при подаче рабочего газа под давлением соосно лазерному лучу.

5. Установлено, что ведущими механизмами, определяющими размеры крупномасштабных периодических поверхностных структур при оплавлении железоуглеродистых сплавов непрерывным ЛИ с длиной волны 10,6 мкм являются образование приповерхностного факела и плазмы, приводящее к модулированию ЛИ, и распространение на поверхности расплава капиллярных волн.

6. Установлена аналитическая зависимость амплитуды крупномасштабных периодических микронеровностей на поверхности железоуглеродистых сплавов от режимов лазерного оплавления и свойств металла.

7. Показана возможность прогнозирования толщины дефектного

слоя, входящего в припуск на обработку, после ЛО с оплавлением поверхности путем использования аналитической модели формирования микронеровностей, а также возможность управления формированием крупномасштабных микронеровностей.

8. Предложены технологические приемы для уменьшения шероховатости поверхности после ЛО в режиме оплавления, заключающиеся в удалении приповерхностного факела во время ЛО, использовании трудноиспаряющихся поглощающих покрытий, оптимальном сочетании пг.ро1.;стрсг. ЛО, иОВшПсКгт однородности ЛИ, предварительном подогреве обрабатываемых деталей.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Зуев МЛ. Осаждение покрытия из раствора соли олова под действием лазерного излучения. Рукопись депонирована в ВИНИТИ. Москва, 1990, находится в ГАНГ им.И.М.Губкина.

2. Аванесов B.C., Бахтин В.Г., Зуев М.А., Костюченко В.П. Влияние параметров лазерной термообработки на распределение остаточных напряжений.//Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях: Тез. докл. Науч.-практ. семинар.- Челябинск, 1990.С.20.

3. Аванесов B.C., Зуев М.А., Цехмистренко П.М. Регулирование остаточных напряжений при лазерной термообработке материалов.// Лазеры в народном хозяйстве: Тез. докл. Семинар. - Москва, 1991. С.110.

4. Аванесов B.C., Зуев М.А., Лесина O.A., Овсеенко А.Н. Формирование поверхностного слоя материалов лазерной термической обработкой.// Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России: Тез. докл. Научно-техн. конф., посвященная 70-летию первого выпуска российских инженеров-нефтяников. - Москва, 1994. С.254.

5. Овсеенко А.Н., Зуев М.А., Аванесов B.C. Выглаживание шероховатых поверхностей лазерной обработкой.// Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. Российской научно-техн. конф. - Рыбинск, 1994. С.180-181.

6. Аванесов B.C., Вабищевич П.Н., Зуев М.А., Попков А.Г., Стеклов О.И., Чуданов В.В. Формирование микрорельефа поверхностей трения с помощью лазерного излучения. Физика и химия обработки материалов, 1995, N 2, С.91-97.

7. Аванесов B.C., Зуев М.А., Стеклов О.И. Исследование микрорельефа поверхности стали при лазерной обработке в режиме сильного оплавления. Сварочное производство, 1995, N 8.

8. Аванесов B.C., Зуев М.А., Овсеенко А.Н. Формирование микрорельефа поверхностей трения лазерной обработкой.//Проблемы повышения износостойкости нефтегазопромыслового оборудования: Тез. докл. 3-й научно-техн. конф. - Москва, 1994.

9. Аванесов B.C., Зуев М.А. Применение лазерного излучения для получения регулярного микрорельефа на поверхностях трения.// Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов: Тез. докл. научно-техн. семинар. - Москва, 1995.

10. Аванесов B.C., Зуев М.А. Исследование топографии поверхности после ее оплавления лазерным лучом.//Лазерные технологии '95: Тез. докл. 5-й междунар. конф. - Шатура, 1995.

Рис.1. Зависимость отношения Рг/Р?г0 микронеровностей поверхности плоских образцов от плотности энергии ЛИ при лазерном микрооплавлении, сталь 45.

1 - Кг0 = 38 мкм, 2 - = 50 мкм, 3 - кг0 = 100 мкм, • - расчет; Д - экспериментальные данные.

а) СКМДж/м2) б) Ц(Щж/м2)

Рис.2. Зависимость размеров канала от плотности энергии Ж при "лазерном гравировании" с использованием аргона, сталь 45,

0 = 400 мкм; а) ширина (Ь), б) глубина (М,

1 - Рг = 0,5 МПа; 2 - Рг = 0,3 МПа; 3 - Рг = 0,1 МПа, ■ - расчет; Д - экспериментальные данные.

Кг (мкм) 40 35 30 25 20 15 10 5

0 14 28 42 56 70 84 СЦМДж/м2)

Рис.3. Экспериментальная зависимость параметра Кг микронеровностей поверхности стали после лазерного оплавления от плотности энергии ЛИ, № = 1000 Вт, С = 0,3

1 - V = 0,4"10"3 М/С; 2 - V = 0,8'10~3 м/с; 3 - V = 1,7"10~3 м/с;

4 - V = 3,3-10~3 м/с.

40

(мкм)

35 30

25

20 15

10 ------------------------------- ,

0 14 28 42 56 70 СКМ2д/м2) Рис.4. Зависимость высоты микронеровностей поверхности стали после лазерной обработки от плотности энергии ЛИ, У = 1000 Вт, Б = 0,003 М, 1 - С = 0,3 %; 2 - С = 0,1 %. • - расчетные значения В, Л - экспериментальные значения Кг.

«Л \ 3 \ 2

1 1 1 к

ш

Л- /Я ^Д 2

Л

А

/