Науково-технологічні основи лазерних і гібридних процесів наплавлення та модифікації поверхонь металевих виробів

Окрім досліджень гібридних і комбінованих процесів, спрямованих на усунення дефектів, характерних для лазерного наплавлення, досліджувалися інші технологічні процеси з використанням лазерного випромінювання, а саме процеси наплавлення, легування і термообробки, що дозволяють підвищувати твердість та зносостійкість поверхонь виробу.

а) б) в)

Рис. 14. Макроструктура наплавлених валиків, виконаних в канавках пластини зі сплаву АМг6 (=10 мм) електродним дротом Св-АМг6 (1,2 мм) із швидкістю 60 м/год. у захисті аргону: а) - дуговим способом при I=200 А, U=22,5 В, V_пр=12,7 м/хв.; б) - дуговим способом при I=220 А, U=23 В, V_пр=15 м/хв.; в) - гібридним лазерно-дуговим способом при Р_ср=2,34 кВт (Р_max=3,0 кВт), I=200 А, U=22,5 В, V_пр=12,7 м/хв.

Так, було досліджено процес співвісного гібридного лазерно-плазмового наплавлення, який здійснювався шляхом плазмового напилювання із одночасним лазерним оплавленням покриття. Було встановлено, що через неспівпадіння розмірів плям напилювання і фокусування лазерного випромінювання валики, що наплавляли, мали неоднорідну структуру.

В центральній частині вона була близькою до структури лазерного наплавлення, а на периферійній - до структури плазмового напилювання. Для усунення цього недоліку було запропоновано поперечне напрямку наплавлення сканування випромінювання, яке здійснювалося за рахунок коливань фокусуючої лінзи.

Такий гібридний спосіб дозволив мінімізувати внутрішню пористість при наплавленні самофлюсних сплавів, однак дія лазерного випромінювання призвела до укрупнення твердих фаз і, відповідно, певного зниження твердості наплавлених шарів порівняно із лазерним наплавленням.

З метою підвищення зносостійкості у сполученні із жаростійкістю поверхні сталі 38ХН3МФА використовували лазерне легування порошковими матеріалами.

Найкращі результати дозволило одержати легування сумішшю порошків 50%Cr+44%WC+6%Co. При цьому була досягнута твердість HV1 - 580…640, яка знизилася після 6-годинної витримки при температурі 1200?С до значень HV1 - 400…480.

Вперше був запропонований процес комбінованого лазерно-мікроплазмового легування, як спосіб зменшення кількості пор і мікротріщин, які можуть утворюватися при лазерному легуванні. За допомогою випробувань легованих зразків на машині тертя 2070СМТ-1 встановлено, що такий процес легування знижує коефіцієнт тертя із одночасним підвищенням порогу задіроутворення порівняно із основним металом (рис.15).

Рис. 15. Вплив ступінчастого навантаження Р [кН] на зміну коефіцієнту тертя м, виміряного на шліфованих поверхнях за допомогою машини тертя 2070 СМТ-1 на швидкості ковзання 1,3 м/с: 1 - основний метал (сталь 38ХН3МФА); 2 - комбіноване легування хромом; 3 - комбіноване легування сумішшю 50%Cr+44%WC+6%Co.

При цьому результати тим кращі, чим менші залишкові напруження в легованих шарах. Найкращі результати були одержані при лазерно-мікроплазмовому легуванні сумішшю 50%Cr+44%WC+6%Co.

Дослідження особливостей процесів лазерної термообробки сталей із оплавленням і без показали, що товщина зміцненої зони без оплавлення поверхні не перевищує 0,7 мм, у той же час поверхневе оплавлення на глибину до 0,3 мм дозволяє збільшити цю товщину приблизно до 1,2 мм (рис.16).

а)

б)

Рис. 16. Структура поперечного перерізу доріжок лазерної термообробки сталі 38ХН3МФА: а) - доріжка з литою зоною і зоною зміцнення без оплавлення; б) - доріжка, що складається із зони зміцнення без оплавлення.

В цілому, проведені дослідження дозволили скорегувати параметри режимів, проаналізувати характерні дефекти і встановити шляхи їх усунення, визначити особливості застосування тих або інших способів поверхневої обробки, в яких застосовується лазерне випромінювання. Комплекс описаних досліджень було покладено в основу створення емпіричного базису для подальшої розробки розрахунково-експериментальної методики вибору параметрів технологічного режиму. Крім того, ці дослідження дозволили створити кілька нових схем технологічних процесів лазерного, гібридного або комбінованого наплавлення, зміцнення і нанесення покриттів для підвищення службових властивостей наплавленої або модифікованої поверхні та зменшення кількості (до повного усунення) встановлених дефектів (табл. 4).

Так, при розщепленні лазерного променя на два і проведенні двопроменевого лазерного наплавлення, першим променем підігрівається і модифікується поверхня ОМ, а другим - здійснюється наплавлення порошкового матеріалу. Це дозволяє підвищити міцність зчеплення наплавленого шару з ОМ і знизити в цьому шарі кількість внутрішніх пор і мікротріщин. Повздовжнє сканування пучка дозволяє знижувати швидкість охолодження обробленого шару і, як наслідок, кількість мікротріщин. Пропускання наплавочного порошку через лазерний пучок поблизу фокуса також дозволяє знизити ефект тріщиноутворення при наплавленні шарів товщиною до 0,8…1,0 мм.

Результати проведених досліджень дозволяють зробити висновки про те, що найбільш перспективними методами усунення таких характерних дефектів, як утворення пор, мікротріщин і відшарування покриттів, є:

· вибір присаджувального матеріалу за критеріями твердості, зносостійкості та близькості коефіцієнтів термічного розширення, а також, при необхідності покращення відповідності вибраного матеріалу вимогам вказаних критеріїв, легування його додатковими елементами (наприклад, хромом, молібденом, карбідом вольфраму, міддю тощо);

· застосування гібридних або комбінованих процесів (сполучення лазерного випромінювання із супутнім ВЧ-підігрівом, струменем мікроплазми або електричною дугою);

· використання додаткових технологічних прийомів (наприклад, сканування випромінювання, розщеплення одного лазерного променя на два, підігрів присаджувального порошку в пучку, попереднє лазерне модифікування оброблюваної поверхні);

· підбір режиму обробки з урахуванням критерію мінімізації тепловкладання.

В четвертому розділі проводилося вивчення впливу техніки лазерної та гібридної обробки на функціональні властивості (твердість, зносо- і корозійна стійкість) та якість обробленої поверхні металевих виробів. Критеріями якості поверхні обрали: різнотовщинність наплавленого шару або нерівність модифікованої поверхні згідно допуску під фінішну механічну обробку повинна становити не більш 0,3 мм, наявність пор на поверхні - не більш 2…3% її загальної площини, кількість мікротріщин - згідно умови б?20%.

Експериментальні дослідження процесів наплавлення і модифікування поверхні проводилися згідно запропонованим у попередньому розділі технологічним схемам.

Перед проведенням досліджень було встановлено порядок дій із забезпечення якості лазерної та гібридної обробки, який був сформульований у вигляді алгоритму, приведеного на рис. 17. Далі стабілізацію роботи обладнання і контроль одержуваних результатів проводили згідно цьому алгоритму.

При проведенні технологічних експериментів в якості базового процесу було прийняте лазерне наплавлення за розробленою в ІЕЗ ім. Є.О.Патона схемою.

Така схема характеризується дією випромінювання на наплавочний порошок, що насипається на поверхню ОМ. Експериментально було встановлено залежності геометричних характеристик наплавленого валика від параметрів технологічного режиму (рис. 18).

Визначено вплив довжини хвилі л лазерного випромінювання на величину потужності, необхідної для наплавлення (рис. 18,б). Експерименти показали, що найбільш доцільно за один прохід наплавляти валики висотою h?0,8 мм і шириною b?3,0 мм.

Рис. 17. Алгоритм дій із забезпечення якості обробки металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання.

Для вирішення задач із відновлення деталей, що працюють в умовах підвищених (до 700?С и 1000?С) температур, проводили дослідження жаростійкості шарів, одержаних лазерним наплавленням. Використовували порошки ПГ-АН9 і ПГ-АН6, які мають жаростійкість до 800?С, а також механічні суміші 50%ПГ-АН6+50%ВК6, 50%Cr+50%ВК6, 50%Cr+50%Релит, у зв'язку із високою жаростійкістю хрому і карбіду вольфраму.

В результаті експериментів було встановлено, що найбільш придатним для розв'язання поставлених задач є сплав 50%Cr+50%ВК6.

При встановленні експлуатаційних можливостей нанесених різними способами шарів однією з важливіших задач є визначення їх зносостійкості. Для умов сухого тертя і тертя із обмеженим змащуванням зносостійкість вимірювали за допомогою машини тертя власної розробки і стандартної машини 2070СМТ-1.

а) б)

в) г)

Рис. 18. Вплив параметрів технологічного режиму лазерного наплавлення на геометричні характеристики наплавленого валика і розмір ЗТВ.

Одержані для різних наплавлених сплавів результати визначали у відсотках відносно зносостійкості нормалізованої сталі 38ХН3МФА (рис.19).



Рис. 19. Порівняння зносостійкості нанесених різними способами сплавів системи Ni-Cr-B-Si, що мають твердість поверхні HRC, зі стійкістю сталі 38ХН3МФА до сухого тертя (відхилення параметрів зносостійкості ±4%, HRC ±6%).

Вибір цієї сталі в якості еталону пов'язаний із її широким технічним застосуванням (наприклад, для виробництва колінчатих валів, штампового інструменту тощо). Встановлено, що для одного й того ж сплаву (наприклад, сплав ПГ-12Н-02 на рис. 19) комбіноване наплавлення може забезпечити більшу зносостійкість, ніж лазерне наплавлення. Рентгенофазові вимірювання залишкових напружень першого роду дозволяють стверджувати, що підвищення зносостійкості прямо пропорційно зниженню рівня внутрішніх напружень в наплавлених шарах. Крім того, як показав огляд наплавлених поверхонь, зниження внутрішніх напружень призводить до зменшення кількості мікротріщин.

На базі одержаних експериментальних даних за допомогою статистичного методу Манна-Уітні було проведено верифікацію математичної моделі (8)-(14) і доведено, що значення параметрів режиму, визначених розрахунковим та експериментальним способами, є достатньо близькими. плазма наплавлення зварювання

З метою перевірки величини похибки, яку дає запропонований у розділі 2 розрахунковий спосіб вибору режимів, проводили співставлення розрахункових і експериментальних результатів за величинами G_П або V при повній відповідності всіх інших параметрів режиму. Для процесів лазерного і лазерно-плазмового наплавлення, а також легування, розбіжність значень масових витрат порошку G_П не перевищує 15%.

Для гібридного лазерно-дугового заплавлення порожнин в алюмінієвих сплавах розбіжність значень витрат дроту - до 15%, а для лазерної термообробки розбіжність у швидкості V - до 10%. Таким чином, похибки запропонованої розрахункової методики не перевищують втрат присаджувального матеріалу, характерних для плазмової, а відповідно і лазерно-плазмової, обробки. Крім того, похибки розрахунків близькі до похибок вимірювання геометричних та швидкісних параметрів досліджуваних процесів.

Проведений аналіз даних розрахунків і експериментів показав прийнятну для практичного застосування адекватність розробленої математичної моделі в обраних областях варіювання параметрів технологічного режиму для всіх вивчених процесів, а також довів широкі можливості її використання для попереднього оцінювання параметрів режимів.

Узагальнення описаних у розділах 2-4 досліджень дозволило розробити розрахунково-експериментальну методику вибору параметрів технологічного режиму для лазерних, гібридних і комбінованих процесів обробки поверхонь металів і сплавів (рис.20).

Рис. 20. Розрахунково-експериментальна методика вибору параметрів технологічного режиму для лазерних і гібридних (комбінованих) процесів наплавлення та модифікування пласких і циліндричних металевих поверхонь.

В основу даної методики покладено комплексне урахування експлуатаційних вимог до виробу, його геометричних параметрів та фізико-хімічних показників основного металу.

На підставі цих вхідних даних обирається процес обробки, а також присаджувальний матеріал (за винятком випадку термообробки). При виборі типу процесу (лазерний, гібридний або комбінований) враховуються можливість виникнення характерних дефектів, особливості наявного обладнання і техніко-економічні показники технологічного процесу.

Надалі, за допомогою чисельного розв'язання задачі (8)-(14), оцінюються параметри режиму обробки. При виборі вхідних параметрів моделі (8)-(14) враховуються власні та літературні дані. Після прийняття мір із забезпечення якості обробки (рис.17) проводяться експерименти з корегування обраного режиму за одним-двома технологічними параметрами (наприклад, параметрами V і G_П) без зміни інших. Таким чином, одержуємо сукупність параметрів режиму, які повністю визначають технологічний процес обробки з використанням лазерного випромінювання для певної деталі із заздалегідь врахованою мінімізацією ймовірності утворення характерних дефектів.

П'ятий розділ присвячено розробці та впровадженню процесів лазерного поверхневого модифікування і наплавлення. В ньому за допомогою створеної розрахунково-експериментальної методики розроблено низку технологічних процесів лазерної, гібридної та комбінованої обробки. Спочатку, було проведено вибір параметрів режиму лазерного наплавлення розподільчого вала легкового автомобіля, а також розроблено та практично реалізовано увесь технологічний ланцюг відновлення цього вала. Цей приклад довів, що запропонована методика може бути рекомендована для вибору параметрів режиму процесів лазерної обробки поверхні.

Надалі, спираючись на створену методику, було розроблено і впроваджено технології лазерної термічної обробки і лазерно-мікроплазмового модифікування внутрішніх поверхонь довговимірних виробів з комплексно легованих сталей (Завод ім. В.О.Малишева, м. Харків), комбінованого відновлювального лазерного наплавлення з ВЧ-підігрівом шийок осей і зміцнення поверхонь катання колісних пар залізничних вагонів (вагоноремонтний завод у м. Нижній Удінськ, Росія), ремонтного лазерного наплавлення деталей автомобільних двигунів і ходової частини (відновлювальна дільниця у від.№77 ІЕЗ ім. Є.О.Патона), лазерне відновлення штампового оснащення і прес-форм (ЗАО «Укрпласт», м. Київ, ООО «Костал Украина», м. Переяслав-Хмельницький), а також деталей поліграфічних машин (АО «Электронполиграфсервис», м. Київ). Шляхом застосування технологічної схеми лазерного наплавлення з порошковою присадкою вирішена проблема лазерного зварювання тонкостінних трубчастих фільтруючих елементів із сітчастими стінками (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», м. Чернівці).

Також було розроблено й випробувано процес лазерно-дугового заплавлення без попередньої механічної розробки вузьких канавок прямокутної форми в алюмінієвих сплавах для відновлення поршнів циліндрів двигунів внутрішнього згоряння. Розроблено спосіб лазерно-плазмового нанесення керамічних покриттів на сталі, який дозволяє усунути попередню струминно-абразивну підготовку оброблюваної поверхні та підвищити міцність зчеплення шарів, що наносяться, за рахунок їх вплавлення у поверхню основного металу. В ході розробки процесів лазерної та гібридної поверхневої обробки була встановлена можливість підвищення ККД пар тертя через зниження коефіцієнту тертя з одночасним підвищенням задиростійкості шляхом лазерно-мікроплазмового легування шийок валів.

Проведені під час відпрацювання вказаних технологій досліди показали, що розроблена розрахунково-експериментальна методика дозволяє обрати саме ті спосіб обробки та параметри режиму, які мінімізують ймовірність виникнення таких дефектів, як утворення мікротріщин і пор, відшарування нанесених шарів тощо. Це дозволяє одержувати наплавлені та модифіковані шари потрібної якості із підвищеними відносно властивостей основного металу функціональними характеристиками. Точність розрахункового вибору параметрів режиму за допомогою математичної моделі (8)-(14) становить 10…15%. В свою чергу, точність вимірів певних технологічних чинників (наприклад, параметра G_П і коефіцієнту використання матеріалу) також може доходити до 15%. Це робить точність розрахунку прийнятною і усуває потребу у додатковому корегуванні розрахункових результатів. Натомість, одержані за моделлю (8)-(14) результати слід вважати оціночними, а параметри технологічного режиму остаточно корегувати шляхом експериментального уточнювання одного-двох параметрів (найкраще V і G_П).

Таким чином, запропонована розрахунково-експериментальна методика є достатньо перспективною для подальшого розвитку процесів модифікування поверхні і нанесення покриттів з використанням лазерного випромінювання.

ВИСНОВКИ

1. З метою підвищення якості та службових властивостей поверхонь металевих виробів створено науково-технологічні засади для вибору найбільш ефективного способу наплавлення або модифікування поверхні з використанням лазерного випромінювання, які базуються на управлінні формуванням напружено-деформованого стану оброблених шарів за рахунок цілеспрямованого змінення термічного циклу обробки, з урахуванням теплофізичних властивостей матеріалів, шляхом застосування спеціальних технологічних прийомів, використання додаткових теплових джерел тощо.

2. Створена узагальнена розрахунково-експериментальна методика визначення параметрів технологічних режимів процесів лазерного, гібридного і комбінованого наплавлення або модифікування поверхонь металевих виробів дає можливість обирати найкращу схему обробки, умови її реалізації, а також тип присаджувального матеріалу на підставі експлуатаційних вимог до виробу і техніко-економічних показників процесу; забезпечує прийнятну точність попередньої розрахункової оцінки параметрів режиму і можливість його остаточного експериментального корегування за одним-двома технологічними параметрами.

3. Дослідження балансу енергії у випадку сталого режиму, а також теплових процесів при лазерній та гібридній обробці металевих виробів, дозволили запропонувати спрощену математичну модель, яка була покладена в основу розрахунково-експериментальної методики, і за допомогою якої можна виконувати розрахункові оцінки параметрів режиму обробки шляхом оптимізації розподілу температури по глибині системи «наплавлений або модифікований шар - основний метал» за критерієм мінімізації тепловкладання.

4. Аналіз характерних дефектів лазерних процесів наплавлення і модифікування поверхні, таких як утворення пор і мікротріщин, а також несплавлення з основним металом, дозволив запропонувати наступні способи і шляхи їх усунення: підбір присаджувального матеріалу та (в разі необхідності) його легування додатковими елементами; застосування додаткових технологічних прийомів (наприклад, сканування випромінювання, розщеплення лазерного пучка, підігрів присаджувального порошку у пучку випромінювання, попереднє лазерне модифікування оброблюваної поверхні тощо); використання гібридних та комбінованих технологій обробки.

5. На підставі фізико-металургійних досліджень особливостей процесів наплавлення і модифікування металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання було доведено, що застосування гібридної технології замість лазерної дає можливість суттєвого зниження залишкових напружень оброблених шарів за рахунок модифікації термічних циклів (зокрема, зниження швидкостей охолодження у діапазоні 800…500?С з 400…700?С/с при лазерній обробці до 200…400?С/с при гібридній), яке призводить до мінімізації (усунення) тріщино утворення.

Були визначені найбільш прийнятні шляхи усунення внутрішніх пор (зокрема, перевищення погонною енергією процесу рівня 80…100 Дж/мм, а часу існування рідкої ванни - 0,13…0,15 с) і відшарування покриттів (зокрема, забезпечення температури в зоні сплавлення вищої за температуру плавлення основного металу).

6. Розроблені схеми технологічних процесів лазерного, лазерно-мікроплазмового та лазерного із ВЧ-підігрівом легування і наплавлення, лазерно-дугового наплавлення, лазерної термічної обробки, а також лазерно-мікроплазмового нанесення покриттів, було покладено в основу створення спеціалізованого обладнання для практичної реалізації цих процесів, що в сукупності створило експериментальну базу для подальшого дослідження, удосконалення і промислового впровадження комплексу високоефективних технологічних процесів лазерного, гібридного і комбінованого наплавлення та модифікування поверхонь металевих виробів.

7. За результатами експериментальних досліджень впливу техніки лазерної та гібридної обробки на функціональні властивості поверхонь металевих виробів було розроблено схему дій із контролю та забезпечення якості, а також показано, що гібридні процеси порівняно із лазерними забезпечують значно нижчий рівень залишкових напружень (приблизно на третину) і коефіцієнта тріщиноутворення (в 3-4 рази) в наплавлених та легованих шарах, знижають припуск під фінішну механічну обробку (до п'яти разів), а також коефіцієнта тертя оброблених поверхонь (до 0,15…0,20) з одночасним підвищенням їх задиростійкості (на 25…30% відносно основного металу, обробленого традиційними методами об'ємної термічної обробки).

8. Експериментально виявлений ефект заглиблення активної плями дуги до вузької розробки під впливом лазерного випромінювання з густиною потужності, не нижчою за (4…5)·10⁵ Вт/см², продемонстрував можливість лазерного управління горінням зварювальної дуги в гібридному процесі наплавлення.

Цей ефект було покладено в основу запропонованого способу лазерно-дугового заплавлення вузьких порожнин у алюмінієвих сплавах без їх попередньої механічної розробки.

9. Вивчення сучасного стану і тенденцій розвитку технологічних процесів лазерної та гібридної поверхневої обробки металів і сплавів дозволило визначити наступні три основні області їх застосування: отримання поверхневих шарів із підвищеними фізико-механічними характеристиками для використання у серійному виробництві нових виробів; відновлення зношених деталей машин і механізмів, подовження ресурсу їх експлуатації; синтез тривимірних об'єктів шляхом пошарового лазерного порошкового наплавлення.

Для промислово розвинених країн перспективними насамперед є синтез тривимірних об'єктів, нанесення тонких плівок й наноструктурних покриттів.

Для промисловості України і країн ближнього зарубіжжя актуальними є технології нанесення функціональних покриттів у процесах відновлення або з цілеспрямованою модифікацією поверхневих шарів матеріалу у процесах створення нових виробів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Хаскин В.Ю. Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали / Хаскин В.Ю. // Доповіді НАН України. - №8, 2007. - С. 99-102.

2. Хаскин В.Ю. Современное состояние и перспективы развития лазерных технологий нанесения покрытий и поверхностного упрочнения (обзор) / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. - 2008. - №2 - С. 38-44.

3. Хаскин В.Ю. Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (обзор) / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. - 2008. - №12 - С. 24-33.

4. Хаскин В.Ю. Использование лазерно-дуговой наплавки для заплавления полостей в алюминиевых сплавах / Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. - 2009. - №2 - С. 41-45.

5. Хаскин В.Ю. Комбинированные лазерно-дуговые процессы / Хаскин В.Ю. // Сварщик. - 2003. - №6(34) - С. 18-19.

6. Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Машин В.С., Пашуля М.П., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Автомат. сварка. - 2009. - №12 - С. 28-35.

Автору належить встановлення ефекту стиснення зварювальної дуги і заглиблення активної плями під впливом лазерного випромінювання при лазерно-дуговому процесі.

7. Laser welding of titanium alloys / Paton B.E., Shelyagin V.D., Akhonin S.V., Topolsky V.F., Khaskin V.Yu., Petrichenko I.K., Bernatsky A.V., Mishchenko R.N., Siora A.V. // The Paton Welding Journal. - 2009. - N7. - P. 30-34.

Автору належать визначення вмісту нітриду титану у зварних швах і розробка нової конструкції системи захисту шву.

8. Зварювання аморфних матеріалів та нанесення аморфізованих покриттів за допомогою лазерного випромінювання / Хаскін В.Ю., Никитенко Ю.О., Сіора О.В., Бернацький А.В. // Металлофиз. новейшие технол., 2008, т.30, спецвыпуск. - С. 645-651.

Автору належать розробка методики проведення експериментів з лазерного зварювання і аналіз результатів електроннозондового дослідження.

9. Разработка технологических приемов лазерного упрочнения поверхностных слоев деталей из стали 38ХН3МФА / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Вісник двигунобудування. - 2008 - №2(19). - С. 94-97.

Автору належать розробка техніки та методики проведення експериментів і аналіз одержаних результатів.

10. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых сплавов / Кривцун И.В., Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Шулым В.Ф., Терновой Е.Г. // Автомат. сварка. - 2007. - №5 - С. 49-53.

Автору належать опис проведення досліджень і аналіз одержаних результатів.

11. Лазерная и лазерно-дуговая сварка сталей в защитных газах / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Сиора А.В., Бернацкий А.В., Гончаренко Е.И., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. - 2007. - №1 - С. 34-38.

Автору належать розробка методики проведення експериментів із лазерного та лазерно-дугового зварювання і аналіз одержаних результатів.

12. Остаточные напряжения в соединениях тонколистового сплава АМг6, вызванные дуговой и лазерно-дуговой сваркой / Шонин В.А., Машин В.С., Хаскин В.Ю., Недей Т.Н. // Автомат. сварка. - 2006. - №9 - С. 26-31.

Автору належать дослідження впливу погонної енергії процесу на залишковий напружений стан зразків.

13. Лазерные способы: Машиностроение. Энциклопедия. Технология сварки, пайки и резки. Т. ІІІ-4. / Гаращук В.П., Величко О.А., Хаскин В.Ю., Тихомиров А.В. - М.:Машиностроение, 2006, 768 с. - С. 276-280.

Автору належить опис технології лазерного наплавлення.

14. Легирование поверхностей: Машиностроение. Энциклопедия. Т. ІІІ-4. / Борисов Ю.С., Пауков Ю.Н., Величко О.А., Хаскин В.Ю. - М.:Машиностроение, 2006, 768 с. - С. 316-322.

Автору належить опис технології лазерного легування.

15. Шелягин В.Д. Лазерно-микроплазменное легирование и нанесение покрытий на стали / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Переверзев Ю.Н. // Автомат. сварка. - 2006. - №2 - С. 3-6.

Автору належать розробка методики проведення експериментів і аналіз одержаних результатів.

16. Многопроходная сварка сталей больших толщин с использованием лазерного излучения / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Шитова Л.Г., Набок Т.Н., Сиора А.В., Бернацкий А.В., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. - 2005. - №10 - С. 48-52.

Автору належать вибір режимів зварювання, дослідження ефекту заглиблення активної плями електричної дуги під впливом лазерного випромінювання і металографічні дослідження одержаних швів.

17. Laser-Arc and Laser-Plasma Welding and Coating Technologies / Shelyagin V.D., Krivtsun I.V., Borisov Yu.S., Khaskin V.Yu., Nabok T.N., Siora A.V., Bernatsky A.V., Vojnarovich S.G., Kislitsa A.N., Nedej T.N. // The Paton Welding Journal. - 2005. - №8. - P. 44-49.

Автору належать розробка методики і аналіз результатів досліджень з наплавлення і нанесення покриттів, що виконувалися за допомогою лазерного випромінювання.

18. Гибридная лазерно-дуговая сварка углеродистых сталей и алюминиевых сплавов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Набок Т.Н., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Доповіді НАН України. - №7, 2005. - С. 97-102.

Автору належать розробка методики проведення експериментів, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів досліджень.

19. Шелягин В.Д. Резка излучением СО₂-лазера корпусов дисковых пил / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Лукашенко А.Г. // Автомат. сварка. - 2005. - №2 - С. 47-49.

Автору належать компоновка лазерного комплексу і розробка конструкції лазерної ріжучої головки.

20. Аморфные металлические структуры / Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Никитенко Ю.А., Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Проблемы металлургии, сварки и материаловедения. - 2004. - №4(6) - С. 12-17.

Автору належать розробка експериментального обладнання і металографічні дослідження одержаних структур.

21. Практика применения инверторного источника электропитания для лазерно-дуговой сварочной установки / Шелягин В.Д., Набок Т.Н., Хаскин В.Ю., Спивак В.М. // Технічна електродинаміка, тематичний випуск. - К., 2004. - С. 33-34.

Автору належить обробка результатів практичного застосування інверторного джерела живлення дугової складової в гібридному процесі зварювання сталей і алюмінієвих сплавів.

22. Хаскин В.Ю. Лазерное термоупрочнение комплексно легированных сталей / Хаскин В.Ю., Бернацкий А.В., Сиора А.В. // Процессы литья. - 2003. - №3 - С. 93-95.

Автору належать одержання експериментальних даних, їх обробка, металографічні дослідження і остаточний аналіз результатів досліджень.

23. Лазерная сварка тонколистовых сталей с использованием специальных приемов / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Сиора А.В., Сахарнов А.В., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. - 2003. - №1 - С. 41-44.

Автору належить розробка таких спеціальних прийомів зварювання, як застосування лінз із різними фокусними відстанями, подача присаджувального дроту, розробка і використання зварювальних флюсів.

24. Гибридная сварка излучением СО₂-лазера и дугой плавящегося электрода в углекислом газе / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Гаращук В.П., Сиора А.В., Бернацкий А.В. Сахарнов А.В. // Автомат. сварка. - 2002. - №10 - С.38-41.

Автору належить встановлення ефекту резонансу масопереносу від дуги з плавким електродом із автоколиваннями рідкої ванни, які відбуваються під дією лазерного випромінювання, а також вплив даного ефекту на зміну глибини проплавлення.

25. Шелягин В.Д. Тенденции развития лазерно-дуговой сварки / Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. - 2002. - №6 - С.28-33.

Автору належить аналіз описаних в літературі тенденцій розвитку гібридних процесів.

26. Хаскин В.Ю. Лазерная наплавка доэвтектоидных комплексно-легированных сталей / Хаскин В.Ю., Гаращук В.П. // Автомат. сварка. - 2002. - №3 - С.53-54.

Автору належать описи проведення експериментів і металографічних досліджень.

27. Гаращук В.П. Перспективы использования лазерных технологий в промышленности Украины / Гаращук В.П., Хаскин В.Ю. // Автомат. сварка. - 2001. - №12 - С.18-20.

Автору належить аналіз перспектив використання технологій лазерного наплавлення у вітчизняної промисловості.

28. Лазерная сварка стыковых соединений с высокочастотным подогревом кромок / Хаскин В.Ю., Шелягин В.Д., Гаращук В.П., Сидорец В.Н., Сахарнов А.В., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. - 2001. - №11 - С.28-31.

Автору належать розробка експериментального обладнання, методики проведення експериментів, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів.

29. Козубенко И.Д. Технология лазерной наплавки и термообработки деталей колесных пар подвижного состава / Козубенко И.Д., Хаскин В.Ю., Черниенко В.Д. // Автомат. сварка. - 2001. - №3 - С.35-37.

Автору належать компонування лазерного комплексу для наплавлення осей залізничних вагонів і термічної обробки коліс, а також вибір технологічних режимів проведення вказаних процесів.

30. Особенности сварки тонколистовых низкоуглеродистых сталей импульсно-периодическим излучением СО₂-лазера / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Гончаренко Е.И. // Автомат. сварка. - 2001. - №2 - С.42-45.

Автору належать розробка методики проведення експериментів і визначення оптимальних параметрів формування імпульсу лазерного випромінювання за критерієм досягнення максимальної глибини провару.

31. Свойства доэвтектоидных комплексно-легированных сталей после лазерной термообработки / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Царюк А.К., Соломийчук Т.Г., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. - 2000. - №5. - С. 53-57.

Автору належать металографічні дослідження властивостей комплексно легованих сталей після проведення лазерної термічної обробки і вибір режимів цього процесу.

32. Лазерное термоупрочнение комплексно легированных сталей с низким и средним содержанием углерода / Хаскин В.Ю., Павловский С.Ю., Гаращук В.П., Шелягин В.Д., Царюк А.К., Чижская Т.Г. // Доповіді НАН України - 2000. - №2. - С. 102-106.

Автору належать розробка методики проведення експериментів із лазерного термозміцнення, металографічні дослідження і аналіз одержаних результатів.

33. Хаскин В. Ю. Оптимизация лазерной наплавки сталей самофлюсующимися сплавами / Хаскин В.Ю., Чижская Т.Г. // Автомат. сварка. - 1999. - №4 - С.50-53.

Автору належить створення методики оптимізації процесу лазерного наплавлення за економічним критерієм.

АНОТАЦІЯ

Хаскін В.Ю. Науково-технологічні основи лазерних і гібридних процесів наплавлення та модифікації поверхонь металевих виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертацію присвячено розвитку наукових основ процесів наплавлення і обробки металевих поверхонь з використанням лазерного випромінювання шляхом дослідження теплових і фізико-металургійних явищ, що супроводжують вказані процеси; побудові на цій основі узагальненої розрахунково-експериментальної методики попередній оцінки та вибору параметрів технологічних режимів, які забезпечують потрібні якість і функціональні характеристики поверхонь деталей, що оброблюються

В роботі проаналізовано сучасний стан розвитку лазерних технологій в галузі інженерії поверхні і показано відсутність систематизованих наукових основ лазерного та гібридного наплавлення і модифікування. Це не дозволяє розвивати нові технологічні підходи і розширювати спектр задач, які доцільно вирішувати методами лазерної поверхневої обробки. Для подолання цієї проблеми виконано наступні дослідження.

Дослідження теплових процесів лазерної та гібридної обробки металевих поверхонь дозволили на базі схеми розподілу енергій при режимі, що встановився, створити математичну модель, за допомогою якої можна визначати параметри режиму обробки шляхом оптимізації розподілу температури по глибині системи «наплавлений (оброблений) шар - основний метал» за критерієм мінімізації тепловкладання. Дослідження фізико-металургійних особливостей процесів наплавлення і модифікування металевих поверхонь дозволили за рахунок оптимізації термічних циклів знизити залишкові напруження оброблених шарів, що призвело до мінімізації (усунення) тріщиноутворення, а також встановити критерії усунення внутрішніх пор і відшарування покриттів. Вивчення впливу техніки лазерної та гібридної обробки на якість металевої поверхні дозволило запропонувати схему дій із забезпечення та контролю даного параметру. Встановлено, що гібридні процеси сприяють значному зниженню рівня залишкових напружень і коефіцієнта тріщиноутворення в наплавлених (легованих) шарах, зниженню припуску під фінішну механічну обробку у кілька разів, а також зниженню коефіцієнта тертя оброблених поверхонь з одночасним підвищенням їх задиростійкості. Створено узагальнену розрахунково-експериментальну методику вибору параметрів технологічного режиму для процесів лазерного і гібридного (комбінованого) наплавлення і модифікування металевих поверхонь. За допомогою цієї методики розроблено низку процесів лазерної інженерії поверхні.

Результати роботи знайшли промислове застосування для лазерного зміцнення довговимірних внутрішніх поверхонь виробів з комплексно легованої сталі (Завод ім. Малишева, м. Харків), ремонтного лазерного наплавлення деталей поліграфічних машин (АО «Электронполиграфсервис», м. Київ), відновлення прес-форм (ЗАО «Укрпласт», м. Київ, ООО «Костал Украина», м. Переяслав-Хмельницький), зварювання фільтруючих елементів за способом лазерного наплавлення (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», м. Чернівці) тощо.

АННОТАЦИЯ

Хаскин В.Ю. Научно-технологические основы лазерных и гибридных процессов наплавки и модификации поверхностей металлических изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. - Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена развитию научных основ процессов наплавки и обработки металлических поверхностей с использованием лазерного излучения путем исследования тепловых и физико-металлургических явлений, сопровождающих указанные процессы; построению на этой основе обобщенной расчетно-экспериментальной методики предварительной оценки и выбора параметров технологических режимов, которые обеспечивают необходимые качество и функциональные характеристики поверхностей обрабатываемых деталей.

В работе изучено современное состояние промышленного применения лазерных технологий поверхностной обработки, включающих в себя легирование, упрочнение, наплавку и нанесение покрытий. Проведен анализ недостатков лазерных процессов наплавки и поверхностного модифицирования, показаны возможности их устранения за счет применения различных технологических приемов, в том числе совместного использования действия лазерного излучения с такими тепловыми источниками, как высокочастотный, плазменный и дуговой. Проведен анализ целесообразности перехода от лазерных технологий к комбинированным и гибридным. Определены наиболее перспективные направления дальнейшего внедрения процессов обработки поверхности. Установлены наиболее широко употребляемые области варьирования значений параметров режимов изучаемых процессов.

На основании анализа литературных данных выбраны и доработаны базовые технологические схемы лазерных процессов поверхностной обработки, согласно которым проводились дальнейшие исследования. К ним относятся: лазерная наплавка (в т.ч. двухлучевая и с подогревом наплавочного порошка), комбинированная наплавка с сопутствующим ВЧ-подогревом, комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка, лазерно-микроплазменное поверхностного легирования, гибридная лазерно-дуговая наплавка, гибридное лазерно-плазменное нанесение покрытий, микроплазменное осаждение испаренных лазерным излучением материалов, сварка по технологической схеме лазерной порошковой наплавки. Изучены физические процессы, происходящие при лазерной и гибридной обработке металлических поверхностей. Это позволило на базе схем распределения энергий для случая установившегося режима создать математическую модель, позволяющую определять параметры режима обработки путем оптимизации распределения температуры по глубине системы «наплавленный (обработанный) слой - основной металл» по критерию минимизации тепловложения. Предложен алгоритм выбора параметров режима обработки, согласно которому проведены соответствующие расчеты и определены режимы для всех рассматриваемых процессов поверхностной обработки.

Для корректировки математических моделей проведено экспериментальное исследование указанных процессов поверхностной обработки. Для этого разработано соответствующее технологическое оборудование и созданы лабораторные стенды для проведения экспериментов. С их помощью изучены физические и технологические особенности рассматриваемых процессов, проанализированы их достоинства и недостатки. Выполнены металлографические исследования и механические испытания полученных образцов, установлены характерные дефекты и предложены методы их устранения.

Проведено сравнение результатов экспериментов с расчетными данными для изучаемых процессов поверхностной обработки, а также верификация математических моделей. Определена точность расчетного способа определения параметров режима и установлено отсутствие необходимости корректировки математических моделей. Разработана универсальная расчетно-экспериментальная методика выбора параметров технологических режимов для этих процессов. С использованием данной методики разработан ряд технологических процессов для решения некоторых промышленных задач модифицирования и наплавки, в частности лазерного и лазерно-микроплазменного модифицирования длинномерных внутренних поверхностей изделий из комплексно легированных сталей, а также лазерно-микроплазменной наплавки шеек осей железнодорожных вагонов, лазерного восстановления деталей автотранспорта и полиграфических машин. Выполнен прогноз относительно перспектив дальнейшего развития лазерных процессов наплавки и поверхностного модифицирования на основе предложенной расчетно-экспериментальной методики.

Результаты работы нашли промышленное применение для лазерного упрочнения длинномерных внутренних поверхностей изделий из комплексно легированной стали (Завод им. Малышева, г. Харьков), ремонтной лазерной наплавки деталей полиграфических машин (АО «Электронполиграфсервис», г. Киев), восстановления пресс-форм (ЗАО «Укрпласт», г. Киев, ООО «Костал Украина», г. Переяслав-Хмельницкий), сварки фильтрующих элементов по способу лазерной наплавки (ЗАТ «Чернівецький хімзавод», г. Черновцы) и др.

SUMMARY

Khaskin V.Yu. Scientific and technological basis of laser and hybrid welding processes and surface modification of metal products. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Sciences degree on speciality 05.03.07 - The processes of physical and technical processing. - The E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to developing the scientific basis of deposition and processing of metal surfaces using laser light through the study of thermal, physical and metallurgical phenomena that accompany these processes, building on this basis, the generalized calculation and the experimental procedure of the provisional assessment and selection of parameters of technological regimes, which provide the necessary quality and functional characteristics of the workpieces.

The paper analyzes the current state of development of laser technology in the field of engineering surfaces and shows the lack of systematic scientific basis of laser and hybrid welding and modification. This makes it impossible to develop new technological approaches and expand the range of problems solved by methods of laser surface treatment. To overcome this problem a number of studies. Studies of thermal processes of laser and hybrid treatment of metal surfaces allowed on the basis of power-distribution circuit at steady state to create a mathematical model with which to determine the parameters of the processing by optimizing the temperature distribution in the depth of "weld (processed) layer - base metal" according to the criterion of minimizing heat input. Studies of physical and metallurgical characteristics of the processes of surfacing and modification of metal surfaces allowed by optimizing the thermal cycles to reduce residual stress of processed layers, leading to the minimization of cracking, as well as establish criteria for elimination of internal pores and delamination of coatings. The influence of laser technology and hybrid processing on the quality of the metal surface has provided the framework for action on enforcement and monitoring of this parameter. Found that hybrid processes that substantially reduce the level of residual stresses and coefficient of cracking in the clad (doped) layers, reduction of allowance for finish machining a few times, and also reduce the coefficient of friction of treated surfaces with a simultaneous increase in their resistance to scoring. A generalized computational-experimental procedure for selecting parameters of the technological regime for the processes of laser and hybrid (combined) surfacing and modification of metallic surfaces. Using this technique developed a number of laser surface engineering.

Results of work have found industrial application for laser hardening of lengthy internal surfaces of products from in a complex alloyed steel (Factory of Malysheva, Kharkov), repair laser cladding details of polygraphic cars (Joint-Stock Company «Электронполиграфсервис», Kiev), restoration of compression moulds (Joint-Stock Company «Укрпласт», Kiev, Open Company «Kostal Ukraine», Perejaslav-Khmelnitskiy), welding of filtering elements on a way laser cladding (Joint-Stock Company «Chemical Factory of Chernovtsy», Chernovtsy), etc.

Размещено на Allbest.ru

...