Моделирование поверхностной закалки с использованием сканирующего оптоволоконного лазера

Abstract

Показана возможность управления температурными полями в процессе сканирующей лазерной обработки оптоволоконным лазером. Разработана математическая модель процесса закалки сканирующим лазерным излучением при возвратно-поступательном движении лазерного луча и поступательном движении детали. Выполнен расчет температурного поля, возникающего при лазерной закалке с постоянной мощностью и с изменением мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча при его относительном перемещении. В результате математического моделирования процесса лазерной закалки при изменении мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча установлено, что применение сканирующей системы с программноизменяемой мощностью излучения позволяет снизить на 25 % энергетические затраты с сохранением заданной геометрии зоны упрочнения. Представлены результаты лазерной закалки поверхности стали 45 на газовом лазере 1,2 кВт и технологической установке на базе оптоволоконного лазера мощностью до 2 кВт, оснащенной сканирующей системой. За показатель производительности был принят объем закаленного материала в единицу времени. Анализ полученных результатов показывает, что использование излучения оптоволоконного лазера обеспечивает повышение производительности закалки в 3-5 раз по сравнению с применением излучения СО2-лазера той же мощности. Полученный эффект объясняется изменением условий взаимодействия излучения с поверхностью металла при изменении длины волны излучения, а также изменением баланса распределения тепла в зоне воздействия лазерного луча. С учетом более высокого КПД энергоэффективность использования оптоволоконных лазеров для поверхностного упрочнения в 9-15 раз выше, чем при использовании СО2-лазеров.