RU2695715C1 - Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей - Google Patents

Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей Download PDF

Info

Publication number
RU2695715C1
RU2695715C1 RU2018140047A RU2018140047A RU2695715C1 RU 2695715 C1 RU2695715 C1 RU 2695715C1 RU 2018140047 A RU2018140047 A RU 2018140047A RU 2018140047 A RU2018140047 A RU 2018140047A RU 2695715 C1 RU2695715 C1 RU 2695715C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
cutting
laser cutting
zone
surface layer
Prior art date
Application number
RU2018140047A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Васильевич Минаев
Николай Николаевич Сергеев
Ирина Васильевна Тихонова
Александр Евгеньевич Гвоздев
Александр Николаевич Сергеев
Елизавета Сергеевна Алявдина
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Телар" (Ооо Нпп "Телар")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Телар" (Ооо Нпп "Телар") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Телар" (Ооо Нпп "Телар")
Priority to RU2018140047A priority Critical patent/RU2695715C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2695715C1 publication Critical patent/RU2695715C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/38Removing material by boring or cutting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Осуществляют лазерную резку деталей из листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталей с формированием упрочненного приповерхностного слоя в зоне резки. Термогазодинамическое воздействие на зону реза осуществляют лазерным излучением в инфракрасной области спектра. Требуемую глубину (L) упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей перед началом резки задают в зависимости от содержания углерода в детали, толщины листа, мощности лазерного излучения, скорости лазерной резки, давления технологического газа, положения фокального пятна. Техническим результатом изобретения является совмещение процесса получения готовых изделий из листового материала с помощью лазерной резки с одновременно реализуемым их поверхностным упрочнением и управление глубиной упрочненного поверхностного слоя. 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для резки стальных листов с одновременным упрочнением приповерхностного слоя в зоне лазерной резки.
Известно, что в процессе лазерной резки в поверхностных слоях стальных листов формируется зона лазерного термического влияния со свойствами, отличающимися от свойств основного металла, зачастую нежелательна, и для ее удаления требуется дополнительная механическая обработка.
Известен способ упрочнения деталей лучом лазера на устройстве, описанном в книге Коваленко B.C. Упрочнение деталей лучом лазера. Киев: Техника, 1981. С. 37. Для реализации известного способа упрочняемую заготовку жестко закрепляют на зубчатой передаче рамы установки. Зубчатая передача позволяет с помощью приводного двигателя перемещать заготовку относительно блока лазера. Под действием нагрева с помощью лазерного луча на заготовке появляется поверхностный слой, состоящий из двух подслоев: первого (белый слой) и второго - переходного. Оба подслоя характеризуются высокими значениями микротвердости (например, для малоуглеродистой доэвтектоидной стали 20 микротвердость первого слоя составляет 750-770 кгс/мм2).
Однако в данном способе упрочнения в результате получается, только два подслоя с высокими значениями микротвердости, которые не могут в силу своего двухслойного строения обеспечить соответствующих свойств поверхностного слоя, т.к. между этими слоями отсутствует слой со структурой мартенсита и остаточного аустенита, который дает при поверхностных слоях высокую прочность и достаточную ударную вязкость, препятствующей хрупкому разрушению материала.
Техническим результатом заявляемого изобретения является высокое качество термически обработанной детали с заданными параметрами и сокращение времени на изготовление указанной детали за счет совмещения процесса получения готовых изделий из листового материала с помощью лазерной резки с одновременно реализуемым их поверхностным упрочнением и управление глубиной упрочненного поверхностного слоя.
Технический результат достигается предлагаемым способом формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей из листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталей, который включает термогазодинамическое воздействие на зону реза лазерным излучением в инфракрасной области спектра, при этом требуемую глубину (L) упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей перед началом резки задают выражением:
L=-1,30-0,0042(Н×W0,5)+0,0049(F1,25С0,2)-0,95(Р0,2×v0,01), мм,
где С - содержание углерода в детали, %; Н - толщина листа, мм; W - мощность лазерного излучения, кВт; v - скорость лазерной резки, м/мин; Р - давление технологического газа, кПа; F - положение фокального пятна, мм; -1,30; 0,0042; 0,0049 и 0,95 - математические константы.
Для достижения указанного технического результата целесообразно, чтобы мощность лазерного излучения составляла 0,8-1,4 кВт; и/или скорость лазерной резки была 0,7-1,2 м/мин; и/или давление технологического газа составляло 15-50 кПа; и/или положение фокального пятна было 295-305 мм.
Для достижения указанного технического результата желательно, чтобы содержание углерода в листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталях составляло 0,2-0,8% по массе, а толщина разрезаемого листа была 6-10 мм.
Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется следующими графическими материалами, на которых представлены:
фиг. 1 - зона лазерного термического воздействия (далее - ЗЛТВ) образцов стали марки 35, ×100: а - поверхность со стороны зоны удаления расплава газом (Н=6 мм, W=1100 Вт, V=1200 мм/мин), б - поверхность со стороны зоны лазерного воздействия (H=6 мм, W=900 Вт, V=1200 мм/мин);
фиг. 2 - ЗЛТВ образца стали марки 35 со стороны зоны лазерного воздействия (Н=6 мм, W=900 Вт, V=1200 мм/мин), ×500;
фиг. 3 - ЗЛТВ образца стали марки У8А со стороны удаления расплава газом (H=10 мм, W=1400 Вт, V=1000 мм/мин), ×500;
фиг. 4 - изменение микротвердости по глубине образца стали марки 35 со стороны зоны лазерного воздействия (Н=6 мм, W=900 Вт, V=1200 мм/мин);
фиг. 5 - Изменение микротвердости по глубине образца стали марки У8А, со стороны зоны лазерного воздействия (Н=10 мм, W=1200 Вт, V=700 мм/мин).
При излучении лазера поверхность металла подвергается своеобразной термомеханической обработке, вызывающей изменение размеров зерна, дробление блоков, рост микроискажений, увеличение плотности дислокаций вплоть до 10-12 см-2 при плотности мощности излучения 80 кВт/см2 и формирование дислокационных структур, аналогичных наблюдаемым в сильно деформированных сплавах.
Однако отмеченная особенность лазерной резки открывает возможность нового использования лазерного излучения - совмещение процесса получения готовых изделий из стальных листов с одновременно реализуемым их поверхностным упрочнением и управлением глубиной упрочненного поверхностного слоя.
Были проведены систематические исследования показателей качества поверхности реза и структуры зоны лазерного термического влияния после лазерной резки по разным режимам сталей разных марок.
В результате исследований было установлено влияние содержания углерода и параметров лазерной резки на строение и протяженность зоны лазерного термического влияния горячекатаных листов доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,2-0,8% по массе.
В качестве объектов исследования были выбраны горячедеформированные листы сталей 20 и 35 толщиной 6 мм, стали 45 толщиной 8 и 10 мм (ГОСТ 1050-2013), сталей У7А и У8А толщиной 10 мм (ГОСТ 1435-99). Из стальных листов с применением лазерной резки с помощью комплекса, снабженного оптической головкой ЭИП1119 производства НТО «ИРЭ-Полюс» с лазерным излучением в инфракрасной области спектра, по разным режимам вырезали для исследования образцы 40×40 мм. Соосно с лазерным пучком в зону лазерной резки подавали струю технологического кислорода. Лазерную резку вели при следующих параметрах: мощность излучения W=0,80-1,4 кВт, скорость резки v=0,7-1,2 м/мин, давление газа Р=15-50 кПа, фокусное расстояние F=295-305 мм. Микроструктуру зоны лазерного термического влияния (далее - ЗЛТВ) изучали на световом микроскопе Observer Dim при увеличениях ×200 и ×500. Образцы для шлифов размерами 10×25 мм вырезали вблизи поверхности реза после ЛР по разным режимам. Травили образцы погружая их в 4%-ный раствор HNO3 в спирте.
Микротвердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) (дюрометрический анализ) измеряли на твердомере HV 10000 фирмы «Time» (нагрузка 2Н, выдержка 10 с) перпендикулярно поверхности реза вглубь образца. На двух сторонах каждого образца проводили по два измерения, затем определяли среднее арифметическое значение микротвердости для каждого сечения. За протяженность (глубину) зоны лазерного термического влияния (L) принимали расстояние от поверхности реза до слоя с постоянной микротвердостью.
Микроскопические исследования были выполнены на образцах всех объектов исследования. Для примера приведены результаты, полученные на образцах, стали 35 и У8А (фиг. 1-3).
Вблизи поверхности образцов из стали 35 присутствует нетравящийся белый слой (область 1). Непосредственно к этому слою примыкает зона со структурой мелкоигольчатого мартенсита (область 2) со структурой феррита. За ней расположена область со структурой, соответствующей структуре стали 35 в исходном состоянии (феррит + перлит).
Микроструктура ЗЛТВ образца стали У8А состоит из следующих областей: область 1 представлена столбчатой дендритной структурой, которая была образована вследствие оплавления поверхности при лазерном воздействии и последующего ускоренного охлаждения; область 2 - нетравящийся белый слой; область 3 имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита. Микротвердость области 3 высокая (HV 520-550), что является следствием специфики лазерной резки и, в частности, фазового наклепа, больших скоростей нагрева и охлаждения. При движении вглубь образца обнаружена переходная область 4 с ферритно-перлитной структурой, переходящей в структуру основного металла, состоящую из перлита. При лазерном воздействии происходит частичное обезуглероживание глубинных слоев.
Дюрометрический анализ выполнен на образцах всех объектов исследования. Для примера приведены результаты, полученные на образцах сталей 35 и У8А (фиг. 4 и 5, соответственно). Характер изменения микротвердости у образцов всех исследованных сталей аналогичен: самые высокие значения отмечены вблизи поверхности реза, по мере до величины, характерной для исходного состояния, продвижения вглубь образца HV снижается. На некоторых образцах выявлен незначительный пик вторичной твердости (фиг. 4). Несмотря на многообразие строения ЗЛТВ в образцах сталей разных марок после разных режимов лазерной резки, можно отметить некоторые общие закономерности. Все выявленные в строении ЗЛТВ области в объектах исследования, структура областей и их протяженность представлены в таблице 1.
Figure 00000001
Примечание: Ф - феррит, П - перлит.
Физические процессы в металле при лазерной резке сопровождаются переносом углерода из глубинных слоев к поверхностным. Это явление общее для всех доэвтектоидных и эвтектоидных сталей, ставших объектами нашего исследования. Именно такое перераспределение углерода служит причиной формирования белого слоя и мартенситной структуры даже в малоуглеродистых сталях, приводя в конечном итоге к поверхностному упрочнению в зоне лазерного термического влияния.
В таблице 2 показаны результаты микроскопического и дюрометрического анализа общей протяженности (глубины) ЗЛТВ при лазерной резке объектов исследования:
Figure 00000002
Данные дюрометрического анализа свидетельствуют, что протяженность области, имеющей повышенную по сравнению с исходным состоянием микротвердость, на порядок больше, чем при микроскопическом анализе.
Такая разница протяженности ЗЛТВ, по данным разных методов, обусловлена особенностями самих методом исследования. Микроанализ способен зафиксировать только области с измененной микроструктурой, т.е. те, которые при лазерной резке нагревались выше Ac1 и в которых при ускоренном охлаждении происходили фазовые превращения. Однако в областях стали, нагретых ниже Ас1, развиваются рекристаллизационные процессы и процессы старения (термического и деформационного). Ac1 - это температура первого фазового превращения перлита в аустенит при нагревании углеродистых доэвтектоидных и эвтектоидных сталей.
Дюрометрический анализ отражает влияние на микротвердость всего спектра процессов фазовых и структурных изменений в приповерхностной области, развивающихся при лазерной резке при ускоренном нагреве и охлаждении (L). При дальнейшем рассмотрении запротяженность ЗЛТВ принимали данные, полученные дюрометрическим анализом.
В результате исследований была выявлена взаимосвязь протяженности (глубины) ЗЛТВ с параметрами лазерной резки (Н, W, v, Р и F) и содержанием углерода, которая нашла свое отражение в следующей зависимости:
L=-1,30-0,0042(Н×W0,5)+0,0049(F1,25С0,2)-0,95(Р0,2×v0,01), мм,
где С - содержание углерода в детали, %; Н - толщина листа, мм; W - мощность лазерного излучения, кВт; v - скорость лазерной резки, м/мин; Р - давление технологического газа, кПа; F - положение фокального пятна (фокусное расстояние) мм; -1,30; 0,0042; 0,0049 и 0,95 - математические константы.
Полученная зависимость характеризует протяженность зоны лазерного термического влияния (упрочненного приповерхностного слоя) в зависимости от толщины листа, мощности лазерного излучения, скорости лазерной резки, давления технологического газа, положения фокального пятна в указанных интервалах изменения параметров лазерной резки при изменении толщины разрезаемого листа от 6 до 10 мм.
Управляя глубиной упрочненного поверхностного слоя в процессе лазерной резки в соответствии с указанной выше зависимостью, целесообразно выбирать параметры лазерной резки из следующего диапазона: W=0,8-1,4 кВт; v=0,7-1,2 м/мин; Р=15-50 кПа; F=295-305 мм.

Claims (9)

1. Способ лазерной резки с формированием упрочненного приповерхностного слоя в зоне резки деталей из листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталей, включающий термогазодинамическое воздействие на зону реза лазерным излучением в инфракрасной области спектра, при этом требуемую глубину (L) упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей перед началом резки задают в соответствии с выражением:
L=-1,30-0,0042(Н×W0,5)+0,0049(F1,25С0,2)-0,95(Р0,2×v0,01), мм,
где С - содержание углерода в детали, %; Н - толщина листа, мм; W - мощность лазерного излучения, кВт; v - скорость лазерной резки, м/мин; Р - давление технологического газа, кПа; F - положение фокального пятна, мм; -1,30; 0,0042; 0,0049 и 0,95 - математические константы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют воздействие лазерным излучением мощностью 0,8-1,4 кВт.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерную резку осуществляют со скоростью 0,7-1,2 м/мин.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие на зону реза лазерным излучением осуществляют при давлении технологического газа 15-50 кПа.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие на зону реза лазерным излучением осуществляют при положении фокального пятна 295-305 мм.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание углерода в листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталях составляет 0,2-0,8% по массе.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина разрезаемого листа составляет 6-10 мм.
RU2018140047A 2018-11-14 2018-11-14 Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей RU2695715C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140047A RU2695715C1 (ru) 2018-11-14 2018-11-14 Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140047A RU2695715C1 (ru) 2018-11-14 2018-11-14 Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695715C1 true RU2695715C1 (ru) 2019-07-25

Family

ID=67512278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018140047A RU2695715C1 (ru) 2018-11-14 2018-11-14 Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2695715C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0471796A (ja) * 1990-07-11 1992-03-06 Mitsubishi Electric Corp レーザ切断方法
SU1756075A1 (ru) * 1990-03-05 1992-08-23 Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции Способ определени режима лазерной резки заготовок различной толщины
SU1743097A3 (ru) * 1990-09-26 1994-01-15 НИИ технологии и организации производства двигателей Способ лазерной резки
JP2003117670A (ja) * 2001-10-15 2003-04-23 Nippon Steel Corp 鋼板のレーザ切断方法
JP2007144517A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 L'air Liquide ファイバレーザでステンレス鋼を切削する方法
JP4071796B2 (ja) * 2006-02-07 2008-04-02 株式会社竹内製作所 作業車

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1756075A1 (ru) * 1990-03-05 1992-08-23 Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции Способ определени режима лазерной резки заготовок различной толщины
JPH0471796A (ja) * 1990-07-11 1992-03-06 Mitsubishi Electric Corp レーザ切断方法
SU1743097A3 (ru) * 1990-09-26 1994-01-15 НИИ технологии и организации производства двигателей Способ лазерной резки
JP2003117670A (ja) * 2001-10-15 2003-04-23 Nippon Steel Corp 鋼板のレーザ切断方法
JP2007144517A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 L'air Liquide ファイバレーザでステンレス鋼を切削する方法
JP4071796B2 (ja) * 2006-02-07 2008-04-02 株式会社竹内製作所 作業車

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОВАЛЕНКО В.С."Упрочнение деталей лучом лазера", Киев, Техника, 1981, с.37. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gvozdev et al. Temperature distribution and structure in the heat-affected zone for steel sheets after laser cutting
So et al. An investigation of the blanking process of the quenchable boron alloyed steel 22MnB5 before and after hot stamping process
Bohlen et al. Additive manufacturing of tool steel by laser metal deposition
Lesyk et al. Laser-hardened and ultrasonically peened surface layers on tool steel AISI D2: correlation of the bearing curves’ parameters, hardness and wear
Grum et al. Effect of laser-remelting of surface cracks on microstructure and residual stresses in 12Ni maraging steel
Colombini et al. Laser quenching of ionic nitrided steel: effect of process parameters on microstructure and optimization
Speidel et al. Surface modification of mild steel using a combination of laser and electrochemical processes
Boujelbene et al. Effects of the laser cutting parameters on the micro-hardness and on the heat affected zone of the mi-hardened steel
Bakhtiari et al. Improving the wear properties of AISI4130 steel using laser surface hardening treatment
RU2695715C1 (ru) Способ формирования упрочненного приповерхностного слоя в зоне лазерной резки деталей
Netprasert et al. Surface hardening of AISI 420 stainless steel by using a nanosecond pulse laser
Järvenpää et al. Local laser heat treatments of steel sheets
Charee et al. Experimental investigation and modeling of laser surface melting process for AISI 9254 commercially high silicon spring steel
Kapustynskyi et al. Optimization of the parameters of local laser treatment for the creation of reinforcing ribs in thin metal sheets
Zarini et al. Formability enhancement of Al 6060 sheets through fiber laser heat treatment
Šebek et al. The effects of laser surface hardening on microstructural characteristics and wear resistance of AISI H11 hot work tool steel
Miraoui et al. Effect of laser beam diameter on cut edge of steel plates obtained by laser machining
Zaied et al. Analysis of heat affected zone obtained by CO2 laser cutting of low carbon steel (S235)
RU2517632C1 (ru) Способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу)
Ulewicz et al. Impact of Laser Machining on the Structure and Properties of Tool Steels
Rathod et al. Laser surface hardening of ductile irons
RU2707374C1 (ru) Способ формирования упрочненного поверхностного слоя в зоне лазерной резки деталей из легированных конструкционных сталей
Martinovs et al. Laser hardening process optimization using FEM
Ravnikar et al. Investigation of laser surface remelting supported by acoustic emission analysis and machine learning
RU2375465C1 (ru) Способ поверхностного упрочнения