Новости лазерных технологий.

Подробный обзор применения лазерных технологий в авиационной промышленности выполнил В.В.Блинков, начальник лаборатории ОАО «Национальный институт авиационных технологий» (НИАТ), (г.Москва).

Конструктивные особенности современных изделий авиационной промышленности обусловливают использование для их изготовления широкого класса материалов, при обработке которых применяются разнообразные технологические процессы и операции. Одним из важнейших направлений интенсификации производства в отрасли является разработка и внедрение новых передовых технологий, способствующих повышению как качества и надежности изделий, так и экономических показателей их производства. К одним из новых прогрессивных видов обработки, получившим в последнее время промышленное внедрение, относятся лазерные технологии. Среди многообразия технологических операций, осуществляемых лазерным лучом, в первую очередь необходимо отметить размерную обработку — резку. В настоящее время в заготовительно-штамповочном производстве отрасли большой объем ручного малоэффективного труда приходится на обрезку припусков листовых деталей сложной пространственной формы из алюминиевых и титановых сплавов, высокопрочных сталей, на обрезку по контуру и вырезку люков в обшивках, на резку тонкостенных элементов трубопроводов. Механизация и автоматизация указанных операций обрезки на базе традиционных методов механической обработки затруднительна и малоэффективна, так как они приводят к существенным искажениям формы и размеров детали, что требует ручной правки, позиционирование деталей на стадии обработки сопряжено с применением сложных дорогостоящих приспособлений.

Существуют проблемы и при изготовлении деталей из труднообрабатываемых плоских листовых заготовок методами механообработки — малые скорости обработки, низкая стойкость обрабатывающего (часто дорогого) инструмента, относительно невысокий коэффициент использования материала. Все эти недостатки устраняются при изготовлении деталей из листовых материалов (как плоских, так и объёмных) методом лазерной размерной обработки.

Многие положительные свойства, характерные лазерному раскрою (высокая скорость резки, в несколько раз превосходящая скорость, реализуемую при фрезеровании, получающаяся малая шероховатость поверхности реза, соответствующая чистовому фрезерованию, отсутствие силового воздействия инструмента на деталь, минимальные финансовые расходы при освоении производства новой номенклатуры изделий, возможность использования программ оптимального раскроя и др.) обеспечивают высокую эффективность данного технологического процесса при его внедрении для изготовления авиационных деталей различного класса. Специфической особенностью термической резки, в т.ч. и лазерной — является наличие на кромках реза областей, подверженных воздействию высоких температур — зон термического влияния (ЗТВ). В этих областях образуются зоны с изменёнными структурой, твёрдостью, напряжениями и др., которые могут влиять на эксплуатационные свойства изготовленных деталей. При поставке лазерного технологического оборудования его изготовитель, как правило, передаёт заказчику дополнительно перечень основных параметров процесса резки, где указываются мощность лазерного излучения и скорость процесса резки, газ и его давление для различных материалов и толщин. При соблюдении этих параметров технологического процесса лазерной резки решается задача получения минимальной шероховатости кромок изготовленных деталей при наибольших скоростях резки. Однако в вышеназванной документации ничего не говорится о возможном влиянии ЗТВ на эксплуатационные свойства деталей, их ресурс. А ведь знание этого влияния очень важно для внедрения процессов лазерной резки при изготовлении деталей конструкций, испытывающих высокие нагрузки и воздействие окружающей среды (аэрокосмическая техника, продукция судостроения, моторостроения и ряда других отраслей машиностроения).
В этом случае важно знать, влияет ли ЗТВ на статическую и усталостную прочность, коррозионную стойкость, ухудшаются ли эти характеристики в сравнении с деталями, изготовленными традиционными методами, в частности, фрезерованием.

Поэтому при внедрении лазерного технологического оборудования на предприятиях упомянутых отраслей машиностроения его поставка должна сопровождаться предоставлением заказчику директивной нормативной технологической документации, регламентирующей использование лазерной резки при изготовлении всей номенклатуры деталей, в том числе ресурсных (высокоответственных) для основного производства. Данная документация должна определить перечень материалов и толщин различных конструкционных материалов, лазерная резка которых на определённых режимах может рассматриваться как финишная операция без доработки кромок реза. Если же лазерная резка приводит к снижению эксплуатационных свойств, необходимо указывать глубину материала на кромках, которую необходимо дополнительно удалять.

В этой же документации должен быть дан ответ: можно ли лазерную резку использовать как финишную операцию при изготовлении деталей под последующую сварку. Как показал опыт внедрения лазерного технологического оборудования (в том числе фирм «Тrumpf» и «Вуstгоniс») на предприятиях авиационной, космической и двигателестроительной промышленностей, именно отсутствие данной документации сдерживало эффективное использование закупленного оборудования. Проведённые ОАО НИАТ совместно с ВИАМ, другими отраслевыми институтами и КБ работы по разработке директивной нормативной технологической документации позволили закрыть все имеющиеся вопросы о возможности использования лазерной резки как финишной операции при изготовлении всей номенклатуры деталей на заводах отрасли, использующих лазерное технологическое оборудование для размерной обработки.
Помимо обработки деталей из металлического листа технология лазерной резки успешно применяется для раскроя текстильных материалов и искусственных кож, заменяя малопроизводительные операции раскроя по шаблонам ручным инструментом.

Перспективным оказалось использование лазерного излучения при прорезке защитных лакокрасочных покрытий для процессов размерного химического фрезерования (травления). Лазерная технология здесь тоже заменила ручной труд, повысила точность и качество процесса химического травления. Другая технологическая операция, успешно осуществляемая на лазерном оборудовании — перфорация отверстий диаметром от 0,05 до 0,8 мм с помощью импульсно-периодических лазеров. Лазерная перфорация используется для пробивки отверстий в трубах систем пожаротушения, в двигателях, шумопоглощающих панелях, охлаждаемых лопатках двигателей, деталях топливной аппаратуры и т.п. В настоящее время отработаны режимы лазерной сварки (ЛС) целого ряда конструкционных материалов. Испытания сварных соединений показали, что по статическим прочностным характеристикам они не уступают соединениям, полученным другими методами, а в некоторых случаях и превосходят их. Однако лазерному лучу при сварке присущи те же недостатки, что и другим источникам нагрева высококонцентрированным излучением, в частности, электронному лучу. Они в первую очередь относятся к сварке высокопрочных сталей и титановых сплавов. Одна из главных проблем здесь состоит в том, что в области сварных соединений этих материалов, полученной с помощью лазерной сварки, снижается усталостная прочность, что обусловлено понижением вязкости металла шва при прочности, равной прочности основного металла. Это вызвано коротким временем существования сварочной ванны, большими градиентами температур и, вследствие этого, переупрочнением металла шва при ЛС.

Другая проблема связана с тем, что высокие скорости охлаждения сварочной ванны, присущие сварке высококонцентрированными источниками нагрева (лазерным и электронным лучами), приводят к образованию в сварном шве значительных остаточных напряжений, когда в узкой зоне на границе шов -основной металл существуют резкие пики растягивающих напряжений.
Улучшение усталостных характеристик сварных соединений может быть достигнуто повышением пластичности металла шва и снижением его твёрдости, а также снятием пиков растягивающих остаточных напряжений послесварочной локальной термообработкой, осуществляемой лазерным лучом. Внедрение лазерной сварки в производство существующих конструкций авиатехники требует изменения всей технологической цепочки изготовления деталей для последующей их сварки лазерным лучом, так как для традиционной аргонодуговой сварки имеют место иные требования к точности и качеству их обработки. Поэтому предприятия, как правило, не идут на замену существующих технологий сварки.

Здесь хотелось бы отметить успешный, совместный с ОКБ «Факел» имени акад. П.Д.Грушина опыт внедрения лазерной сварки деталей панельного типа, когда уже на стадии проектирования изделий введение технологии лазерной резки решило вышеуказанные проблемы, и требования к деталям под лазерную сварку закладывались на стадии проектирования нового изделия. Многообразие технологических задач, решаемых авиационной промышленностью, ставит широкий круг вопросов перед лазерными технологиями в области модифицирования поверхностного слоя деталей. Прежде всего, это лазерная термическая обработка (ЛТО), которая широко применяется для упрочнения поверхности с целью повышения износостойкости деталей из углеродистых сталей и различных видов инструмента, в том числе режущего. Лазерная закалка рабочих кромок матриц и пуансонов вырубных штампов в зависимости от их конфигурации, толщины и марки вырубаемого материала приводит к повышению стойкости штампа от 1,5 до 5,0 раз. Причиной этого является повышение задиростойкости закаленных поверхностей, а также возможность закаливать весь штамп лишь до твердости НК 50 (что исключает его поломку вследствие излишней хрупкости при эксплуатации), а необходимую твердость кромок обеспечивать локальной лазерной закалкой. Большой экономический эффект сулит замена традиционных процессов химико-термической обработки (ХТО), таких как цементация и азотирование локальных участков поверхности деталей, на лазерную термическую обработку (ЛТО). В отрасли задачи ЛТО и ЛХТО в большей степени решаются применительно к нуждам агрегатостроения и инструментального производства. В агрегатном производстве встречается большое количество мелких деталей (винты, кулачки, золотниковые пары) из легированных сталей, отдельные участки которых подвергаются упрочнению с помощью ХТО. При этом осуществляется длительный технологический цикл, состоящий из меднения неупрочняемых участков, насыщения оставшейся поверхности легирующим элементом (в основном, углеродом и азотом), закалки всей детали, обработки холодом отпуска. Все это может быть заменено на ЛТО и ЛХТО, которые во много раз ускорят и удешевят процесс. Аналогичные задачи имеют место в станкостроении, где цементации или закалке токами высокой частоты подвергаются отдельные участки направляющих, накладок, винтов, валов различной длины. Сегодня имеется определенный опыт разработки технологического процесса по лазерному упрочнению гребешков лопаток турбины.

Проведена большая серия экспериментов по упрочнению поверхности титанового сплава порошками на основе карбидов титана, хрома, вольфрама. Полученные результаты могут быть использованы при упрочнении различных деталей самолета, работающих на износ (шарниры, валы, винты, замки, цилиндры и т.п.). Разрабатываются аналогичные процессы упрочнения широкой номенклатуры деталей из алюминиевых сплавов, применяемых в агрегатостроении.

Кроме процессов, направленных на повышение износостойкости деталей и инструмента, возникает необходимость разрабатывать технологию наплавки однородных и разнородных материалов. Примером таких задач может служить лазерное нанесение уплотнительных покрытий из бронзы на перо направляющих лопаток компрессоров из титановых и никелевых сплавов, а также наплавка порошков на изношенные гребешки рабочих лопаток турбины из того же материала с целью их восстановления. Другим интересным и перспективным направлением лазерной поверхностной обработки может стать лазерно-плазменное полирование (ЛПП). В настоящее время традиционные методы полирования поверхности (механические, химические, электрохимические и ультразвуковые) не удовлетворяют современным требованиям по производительности, себестоимости, технологической трудоёмкости, получаемому качеству, уровню автоматизации, экологичности процесса. Станочное полирование для многих деталей со сложной 3D -поверхностью вообще невозможно. Сейчас полирование поверхности, имеющей сложную геометрическую форму (например, лопаток газовых турбин или прессформ в инструментальной промышленности), производится методом ручной механической обработки с использованием специальных (алмазных) паст. Процесс этот очень длительный и трудоёмкий. Кроме того, ручные методы обработки не могут обеспечить необходимый уровень качества при массовом производстве таких сложных деталей, какими являются лопатки современных газотурбинных двигателей. Их надёжность и ресурс в первую очередь именно и определяются качеством упрочняющей и финишной обработки поверхности деталей.

Отсюда особые требования к финишным операциям обработки. Помимо этого существующие технологии, основанные на ручном труде, являются барьером на пути широкого внедрения ИПИ-технологий (технологий информационной поддержки изделия), так как низкий уровень их автоматизации не обеспечивает прямого восприятия цифровых моделей изделий, созданных конструктором в САD-среде. Разрабатываемый способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности основан на воздействии лазерного излучения на обрабатываемую поверхность, при этом над полируемой поверхностью с помощью лазерного луча поджигают в парах металла и поддерживают в непрерывном оптическом разряде приповерхностную лазерную плазму, с возможностью перемещения её энергетического центра относительно полируемой поверхности. В зависимости от мощности лазерного излучения и скорости его перемещения способ лазерно-плазменного полирования поверхности может реализоваться в двух режимах — режиме «грубого» полирования поверхности, при котором достигаемое значение шероховатости поверхности Rа ≤ 0,50 мкм, и режиме «чистого» полирования поверхности, при котором показатель шероховатости доводится до значения Rа ≤ 0,05 мкм. Так как процесс управления лазерным лучом в пространстве — проблема уже решённая, то внедрение лазерного полирования поверхности позволит заменить ручной труд и производить полирование сложных трехмерных поверхностей в автоматизированном режиме. Лазерно-плазменное полирование позволит одновременно решить вопросы модифицирования обрабатываемых поверхностей за счёт изменения фазового состава, восстановления кристаллической решётки, формирования структур с оптимальным размером зёрен, плотностью дислокаций и точечных дефектов, создания остаточных сжимающих напряжений. Помимо возможности обеспечения высокой чистоты поверхности ЛПП позволит производить своеобразное «лечение» поверхностного слоя материала — устранять приповерхностные поры, поверхностные пригары после механического шлифования, нивелировать поверхностные вырывы, устранять микротрещины и надрывы, образующиеся после механической обработки, рафинировать поверхностный слой от неметаллических включений, формировать благоприятное с точки зрения износа структурно-фазовое состояние поверхностного слоя.

Источник: «ЛазерИнформ», 2009, № 23 (422), с.5-9 / www.cislaser.com

.