Модернизация лазерной технологической установки "Квант-16" для термообработки металлообрабатывающего инструмента.

СФ ФИАН

Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Для лазерного упрочнения металлообрабатывающего инструмента в СФ ФИАН на базе ЛТУ "Квант-16" разработана специализированная установка, обладающая рядом преимуществ. К их числу относятся: равномерность плотности энергии излучения на облучаемом участке не хуже 10%; оптимальная для нагрева без плавления форма импульса излучения, дающая термический цикл облучения поверхности с выдержкой на заданном уровне; увеличение максимальной энергии в импульсе до 50-55Дж и требуемый уровень плотности энергии.
1. Обеспечение равномерности распределения плотности энергии излучения в поперечном сечении лазерного пучка.
Рис.1. Схема оптической системы. 1 - маркер; 2 - телескопическая система; 3 - растр; 4 - поворотное зеркало; 5 - фотоприемное устройство	Рис.2. Внешний вид оптического блока	Эффективно сформировать пучок с высокой степенью равномерности в пятно квадратного сечения позволяет призменный растр, который включен в оптическую схему специализированной ЛТУ для лазерной закалки (рис.1). Внешний вид оптической головки представлен на рис.2.
Растр представляет собой два набора скрещенных призм с размером грани "а". Профиль каждого набора является частью многоугольника, вписанного в окружность. Оба набора, сложенные вместе, образуют совокупность призм фокусирующий призменный растр (рис.3). Степень равномерности распределения плотности энергии излучения в поперечном сечении луча зависит от числа ячеек, охватываемых пучком. Чем больше таких элементарных ячеек, тем однороднее будет распределение интенсивности по сечению фокального пятна (рис.4).
Рис.3. Конструкция и ход лучей света в фокусирующем призменном растре. F_P- фокусное расстояние растра. d - размер стороны квадратного светового пятна в фокусе растра.		Рис.4. Распределение интенсивности лазерно-го излучения в поперечном сечении пучка твердотельного импульсного лазера на стекле с Nd при использовании фокусирующего призменного растра (×6,0)
2. Обеспечение оптимальной формы импульсов излучения.
Оптимальная для нагрева без плавления форма импульсов излучения, дающая термический цикл облучаемой поверхности с выдержкой на заданном уровне, обеспечивается при введении в состав специализированной ЛТУ "Квант-16" дополнительного разрядного блока с секционированным накопителем. Благодаря разделению емкостного накопителя на несколько секций с независимым разрядом каждой из них через регулируемые промежутки времени форма импульса генерации лазера изменяется в широких пределах.
Рис.5. Экспериментальная форма импульса излучения при облучении стали ХВГ.	Специализированная ЛТУ "Квант-16" обеспечивает форму импульсов излучения при облучении инструментальных сталей, показанную на рис.5, при этом выдержка при заданной температуре на поверхности составляет - (14-16)мс. Экспериментально и теоретически показано, что использование для лазерной закалки инструментальных сталей специальным образом профилированного импульса излучения приводит к увеличению глубины зоны закалки в среднем на ~25% по сравнению с термообработкой излучением серийной ЛТУ.
Модернизированная ЛТУ "Квант-16" обеспечивает достижение высоких эксплуатационных характеристик режущего инструмента после лазерной обработки вследствие: высокой степени равномерности интенсивности излучения (~10%) в поперечном сечении лазерного пучка (что особенно важно при упрочнении теплостойких инструментальных сталей с узким интервалом между температурой закалки и температурой плавления); использования профилированного импульса генерации с затянутым задним фронтом, что приводит к увеличению суммарного времени пребывания облученного участка в температурном интервале аустенизации и формированию однородного по глубине ЗЛВ аустенита и, в конечном счете, увеличению глубины ЗЛВ.
Контакты: С.И. Яресько yaresko@fian.smr.ru Физический институт им. П.Н. Лебедева, Самарский филиал.