43) Применение лазерных технологий при восстановлении и деталей ремонтируемой ат.

Использование лазерных технологий в современном производстве.

В ГНУ «Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси» более 25-ти лет проводятся работы в области лазерных технологий применительно к различным производствам. Одним из первых предприятий на территории бывшего Советского Союза, внедрившим лазерные технологии восстановления авиационных деталей, был Минский авиаремонтный завод (407 ГА). Все применяемые технологии прошли согласование во Всесоюзном институте авиационного материаловедения (ВИАМ), ОКБ им. Туполева и им. Яковлева, а также в ГосНИИ ГА.

В данной главе приведены примеры развития таких методов обработки, как: лазерная резка, сварка, термообработка (закалка, легирование), наплавка и разработка соответствующего оборудования применительно к технологиям завода «LufthansaTechnik» г. Гамбург, ФРГ.

Принципиальная основа всех лазерных технологий базируется на использовании уникального свойства когерентного источника света – лазера и систем управления лазерным лучом для воздействия на твердые, жидкие и газообразные среды с целью кардинального изменения их свойств. Лазерное импульсное или непрерывное излучение позволяет сфокусировать в небольших объемах энергию с удельной плотностью мощности 10³–10¹⁰ Вт/см², что превосходит другие известные источники энергии (плазма, электрический разряд и т.д.). Использование мощного лазерного излучения позволяет осуществлять плавление, испарение или термораскалывание конструкционных материалов, что применяется в современном производстве для изготовления и восстановления изношенных деталей и узлов, а также для улучшения их эксплуатационных характеристик. Лазерная технология, несомненно, относится к разряду новых технологий, что видно как из фактов расширения сфер ее применения, так и из ее очевидных преимуществ.

Мировые тенденции развития научно-технического прогресса обуславливают насыщение лазерной техникой и технологиями ее применения в первую очередь всех авиастроительных производств и машиностроительных отраслей современной промышленности. В Республике Беларусь имеется серьезный задел в развитии этого направления, но используются далеко не все возможности, и металлообрабатывающая промышленность значительно отстает от мировых аналогов.

Лазерная резка.

Современные технологии точного лазерного раскроя рекомендуются для сталей толщиной до 20 мм, далее более перспективной является узкоструйная плазменная резка, а для менее твердых материалов весьма эффективна водноабразивная струя высокого давления.

Она может эффективно использоваться для фасонной резки листов, труб, изготовления штампов и пресс-форм для производства конструктивных элементов из пластмассы и т.п.

В ГНУ «ФТИ НАН Беларуси» разработан и изготовлен ряд технологического оборудования для осуществления указанных процессов. Создан также комплекс гибридного типа, когда на едином технологическом портале возможно осуществление процесса как лазерной, так и плазменной резки (Рис.6.1 – 6.4).

Достоинства лазерной резки:

● минимальное механическое воздействие, оказываемое на обрабатываемый материал;

● широкий диапазон разрезаемых материалов (дерево, стекло, асбест, керамика, металл и т.д.), твердость разрезаемого материала при этом не является критичной характеристикой;

● возможность осуществления резки по сложному контуру при минимальной ширине и высокая чистота разреза, что приводит к значительной экономии разрезаемого материала.

Технология лазерной резки в отличие от других методов может использоваться как финишная операция при изготовлении деталей из листовых материалов, при этом шероховатость поверхности реза Rz может достигать не более 50 мкм, точность раскроя составлять не более 0,1 мм на метр разреза.

. Лазерная сварка.

Лазерная сварка относится к высоким технологиям и позволяет использовать сварочные процессы там, где обычная (токовая) сварка не в состоянии обеспечить требуемую технологию производства продукции. К достоинствам лазерной сварки следует отнести ее следующие возможности:

● высокое качество получаемых сварных соединений;

● прочность швов близка к прочности основного материала;

● минимальное коробление сварных узлов и конструкций;

● возможность надежного соединения трудно свариваемых традиционными методами материалов;

● простота организации защиты места сварки от вредного воздействия на металл окружающего воздуха.

В производстве технология была апробирована применительно к изготовлению сегментных отрезных алмазных кругов, креплению твердосплавных расклинивающих пластин к резцам, сверлам и полотну пил для резки пластмасс и древесины, изготовлению биметаллических фрез из разнородных сталей Р6М5-9ХС. Сегодня на производстве внимание специалистов привлекают следующие особенности лазерной сварки: возможность резкого увеличения скорости самого процесса сварки (в 5 – 6 раз и более превышающих традиционные скорости сварки ), его полной автоматизации и, самое главное, возможность сварки термообработанных деталей без их разупрочнения, с минимальными деформациями. Лазерную сварку с глубоким проплавлением широко используют в производстве крупногабаритных корпусных деталей, например, двигателей и обшивки самолетов, автомобилей и судов; валов и осей, работающих в условиях значительных знакопеременных нагрузок; при изготовлении деталей механизмов и машин, состоящих из разных материалов; для сварки труб, арматурных соединений и т.д.

Данная технология широко применяется в мировой практике для изготовления твердосплавного и алмазного режущего инструмента. Использование качественного, высокопроизводительного инструмента является необходимым условием высокой производительности труда с минимальной затратой физического труда, расхода энергии и времени. К таким инструментам относятся алмазные сверла, резцы и отрезные сегментные круги, которые являются одним из эффективнейших инструментов для резки металлов.

Применение лазерной сварки для их изготовления приводит к появлению более высоких технологических свойств инструмента:

● отсутствие деформации корпусов пил и минимальная зона термического влияния;

● инструмент может работать без использования охлаждающих сред;

● широкий спектр используемых связок (на основе Ni, Co, Fe, Сu и др., разработанных в РБ и СНГ);

●высокая производительность и стабильность геометрических характеристик.

Основной экономический эффект в данном случае связан с тем, что прочность соединения сегментов с корпусом в 2 – 3 раза выше, чем при использовании традиционной технологии пайки. Значительно выше и производительность процесса, так как он ведется в автоматизированном режиме.

На рисунках 6.5 – 6.7 представлены процесс лазерной сварки, фрагмент алмазного сегментного круга после лазерной сварки, а также готовая продукция.

Лазерная термообработка (закалка, легирование).

Лазерная термообработка основана на использовании тепла, генерируемого на поверхности материала при поглощении им лазерного луча. Метод лазерной обработки обладает рядом достоинств: высокая локальность упрочнения (что дает значительную экономию), отсутствие необходимости применения охлаждающих сред, возможность использования в качестве финишной операции вследствие отсутствия опасности коробления, большие возможности автоматизации процесса, и другие.

Лазерная технология упрочнения применима к весьма широкой номенклатуре деталей. В ФТИ НАН Беларуси, например, разработана технология лазерной закалки деталей навески двигателей Д – 30 (кронштейны, вилки и проушины силовых установок), что позволило повысить их долговечность в 3 раза.

Перспективно использование лазерного упрочнения в инструментальном производстве. Так, упрочнение режущего и холодновысадочного инструмента, деталей прессоштамповой оснастки позволяет повысить их стойкость в 3–5 и более раз. Эффект упрочнения в 1,6–3,0 раза наблюдается также для металло- и дереворежущего инструмента, в том числе оснащенного твердосплавными вставками.

В институте разработан процесс легирования ковочных штампов из стали 5ХНМ, долговечность которых при этом возрастает в 3–4 раза. Метод лазерного легирования позволяет получать на сталях и титановых сплавах слои с твердостью 68–70 ед. HRC, а на сплавах алюминия – слои с твердостью до 25–30 ед. HRC (см. авторское свидетельство на изобретение)

Лазерная наплавка.

По сравнению с традиционными методами лазерная наплавка обеспечивает минимальную зону термического влияния, значительное снижение остаточных деформаций в детали, минимальное перемешивание наплавляемого материала с материалом основы и т.п.

Оценка практической значимости показывает, что предложенные технологии позволяют:

● восстанавливать детали, имеющие выработки по технологиям МАРЗ (завод 407 ГА);

● повысить ресурс работы быстроизнашивающихся деталей различных машин и механизмов в 2 – 3 и более раз;

● осуществить значительную экономию дорогостоящих сталей и сплавов;

● повысить производительность труда и технический уровень производства.

В ФТИ НАН Беларуси разработаны и внедрены технологические процессы по восстановлению стальных деталей, из титановых, алюминиевых и медных сплавов. Технология признана ВИАМ МАК РФ и внедрена в производстве Минского авиаремонтного завода № 407 ГА, для литейной и штамповой оснастки на БелОМО, ЗАО «Атлант» и др.

Лазерное модифицирование быстроизнашивающихся деталей.

Весьма эффективным методом повышения износостойкости и восстановления деталей авиационных агрегатов, а также машин общепромышленного и сельскохозяйственного назначения является лазерное модифицирование (наплавка) с одновременной закалкой поверхностного слоя.