Формирование упрочненного поверхностного слоя при комплексном лазерном воздействии на кромку реза деталей из конструкционных углеродистых сталей

Целью работы являлось изучение влияния режимов лазерного модифицирования кромки реза на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей, изготовленных из горячекатаных конструкционных углеродистых сталей марок 20, 35, 45.
Методы. В качестве объектов исследования были выбраны конструкционные углеродистые стали марок 20, 35, 45. Для исследования влияния лазерного модифицирования на изменение структуры и механических свойств деталей машин с использованием лазерной резки были изготовлены специальные образцы в виде пластин толщиной 2 мм (ст20 и ст45) и 4 мм (ст35). После газолазерной резки проводили лазерное модифицирование кромки реза Q-switch волоконным импульсным лазером.
Результаты. Выявлены закономерности изменения структуры зоны газолазерного термического воздействия после лазерной обработки (резка, модифицирование). Установлено, что повторная обработка лазером (лазерное модифицирование) кромки реза не приводит к изменению структурных составляющих и микротвердости в зоне газолазерного термического воздействия, полученных после лазерной резки. Установлено, что характер изменения микротвердости у всех исследованных марок сталей одинаков: наибольшие значения достигаются около поверхности газолазерной обработки и составляют, например, для стали марки 35 470–560 HV, что в 3,2–3,9 раза больше исходной микротвердости (145 HV). Таким образом, на поверхности детали после лазерной обработки формируется упрочненный слой, обладающий повышенной износостойкостью. Показано, что применение лазерного модифицирования поверхности в качестве дополнительной операции при изготовлении деталей методом лазерной резки позволяет улучшить качество (шероховатость) поверхностного слоя. При этом наибольший эффект снижения шероховатости дает лазерное модифицирование в три прохода по плоскости X-Y.
Заключение. Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов. 

1. Упрочнение деталей лучом лазера / В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, Г. В. Меркулов, А. И. Стрижак; под общ. ред. В. С. Коваленко. Киев: Техника, 1981. 131 с.

2. Комплекс научно-технических, проектно-конструкторских и технологических разработок по созданию, изготовлению и внедрению высокоточного импортозамещающего оборудования качественной лазерной и газоплазменной обработки листового проката: монография / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, И. П. Грашкин, И. В. Минаев, С. И. Полосин, И. В. Тихонова, А. Е. Чеглов, Д. М. Хонелидзе; под ред. Н. Н. Сергеева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 188 с.

3. Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов / В. П. Вейко, А. А. Кишалов, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79) С. 50–54.

4. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

5. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении / В. П. Вейко, В. Н. Смирнов, А. М. Чирков, Е. А. Шахно. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.

6. Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение / В. П. Вейко, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов, Е. А. Шахно, С. А. Батище // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 4. С. 30–36.

7. Lu Y. F., Ren Z. M. Laser microprocessing and the applications in microelectronics industry // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4157. P. 191–199.

8. Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов / И. В. Минаев, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, Д. М. Хонелидзе, И. В. Голышев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 3. С. 50–58.

9. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А. Е. Гвоздев, И. В. Голышев, И. В. Минаев, А. Н. Сергеев, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, Д. М. Хонелидзе, А. Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 2. С. 31–36.

10. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А. Е. Гвоздев, Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, А. Г. Колмаков, И. В. Тихонова, А. Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, Д. М. Хонелидзе, Д. В. Малий, И. В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3–7.

11. Влияние содержания углерода и параметров лазерной резки на строение и протяженность зоны термического влияния стальных листов / Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, А. Е. Гвоздев, А. Е. Чеглов, И. В. Тихонова, О. М. Губанов, И. А. Цыганов, Е. С. Алявдина, А. Д. Бреки // Сталь. 2018. № 5. С. 21–26.

12. Методология выбора режимов лазерной резки листов из конструкционных сталей для обеспечения требуемого комплекса показателей качества поверхности / Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, А. Г. Колмаков, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, Д. В. Малий // Материаловедение. 2019. № 10. С. 25–32.

13. Формирование поверхности реза и поверхностное упрочнение при лазерной резке звездочек цепных передач из сталей СТ3 и 30ХГСА / И. В. Минаев, И. В. Тихонова, А. Е. Гвоздев, А. Г. Колмаков, Е. А. Архипова // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 9. С. 16–21.

14. Особенности строения зоны газолазерного термического влияния конструкционных легированных сталей марок 09Г2С и 20Х13 / И. В. Минаев, А. Е. Гвоздев, С. Н. Кутепов, Д. С. Клементьев, А. А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 499–506.

15. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, силовая оптика / В. П. Вейко, М. Н. Либенсон, Г. Г. Червяков, Е. Б. Яковлев. М.: Физматлит, 2008. 312 с.

16. Ведерникова И. И., Полетаев В. А. Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин лазерным модифицированием // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2008. Вып. 3. С. 1–3.

17. Корнеев В. В., Косырев Ф. К., Морящев С. Ф. О некоторых зависимостях термообработки лазером // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 36. С. 32–33.

18. Спиридонов Н. В., Кобяков О. С., Куприянов И. Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск: Вышэйш. шк., 1988. 155 с.

19. Крапошин В. С., Шахлевич К. П., Вяземский М. Г. Влияние лазерного нагрева на количество остаточного аустенита в сталях и чугунах // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. № 10. С. 21–23.

20. Войтович О. Н., Сокоров И. О. Исследование влияния параметров лазерной термообработки на свойства упрочненных поверхностных слоев // Вестник Белорусско-Российского университета. 2013. № 2 (39). С. 6–14.