Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Влияние изменения распределения интенсивности во времени при постоянной длительности светового импульса представляет в настоящее время большой интерес. Исследования в этой области были проведены совместно с Б. М. Жиряковым и А. К. Фаннибо.
Излучение импульсного оптического квантового генератора лазера с активным элементом из синтетического рубина в условиях «свободной генерации» (без применения специальных устройств модуляции добротности) может осуществляться в двух разных режимах, зависящих от параметра резонатора. Первый из них, так называемый «пичковый режим», достаточно подробно описан в литературе [101]. Импульс такой генерации дискретен, имеет сложную структуру и при общей продолжительности — 10в-3 сек состоит из большого числа (порядка 10в2) хаотических пульсаций — «пичков». Их длительность имеет величину 5*10в-7/10в-6 сек, а частота следования 10в6 гц. Мощность, которую имеет каждый пичок, в десятки раз выше средней мощности всего импульса в целом. Реализуется этот режим при использовании схемы резонатора, выполненного по типу плоскопараллельного интерферометра Фабри—Перо, на внутренние поверхности которого нанесены диэлектрические отражающие покрытия, соответствующие длине волны генератора лазера (в нашем случае λ=6943 А).
Второй «квазинепрерывный» или «беспичковый» режим значительно менее исследован. Устранение хаотических пульсаций способствует использованию резонаторов со сферическими зеркалами. Осциллограмма импульса при этом имеет вид непрерывной генерации, характеризующейся наличием постоянного уровня излучения, иногда слегка промодулированного периодическими .колебаниями малой амплитуды.
Длительность и выходная энергия при прочих равных условиях имели те же значения, что и в случае «пичкового» импульса. Однако мощность была как минимум на порядок ниже, чем при «пичковой» генерации той же энергии, так как она определяется не параметрами пичка, а энергией и длительностью импульса в целом.
Использовались лазеры с плоскопараллельными и сферическими резонаторами с радиусом зеркал 175 мм. Коэффициенты отражения покрытий в обоих случаях составляли 99 и 50%. Строго в центре резонатора находился рубиновый стержень длиной 120 мм и диаметром 12 мм. Накачка осуществлялась импульсной лампой ИФПП-7000. Выходная энергия импульса генерации лежала в пределах 10/15 дж, а плотность потока достигла 1,5*10в6 вт/см2 в случае квазинепрерывного излучения, а при пичковом импульсе той же энергии эффективная мощность (отношение суммарной энергии пичков к их суммарной продолжительности) была на порядок выше.
Для исследования были выбраны различные чистые металлы и железоуглеродистые сплавы. Исследование проводилось методами скоростей киносъемки процесса взаимодействия луча с металлом, измерения геометрических характеристик в зоне воздействия, изучение структурных эффектов проводилось рентгеноструктурным и металлографическим методами.
Скоростная киносъемка камерой «СФР-1М» в режиме фоторегистратора показала, что при дискретном импульсе каждый пичок приводит к испарению материала и выбросу конденсированного вещества. На регистрограмме воздействия пичкового импульса на железо хорошо видны газовые струи, образованные в результате действия каждого пичка, а также разлет конденсированного вещества мишени. Обработка регпстрограмм дает значение скорости газа, равное 3/5*10в5 см/сек. Скорость выброса конденсированных частиц значительно меньше и равна 10в3/10в4 см/сек, что хорошо согласуется с результатами работы.
При беспичковом режиме наблюдается качественно иная картина: равномерное испарение материала без образования струй и выброса конденсированного вещества. Области воздействия луча при дискретном и квазинепрерывном импульсе одинаковой энергии также сильно отличаются друг от друга. При дискретном импульсе света, сфокусированного на поверхность образца, возникает кратер приближенно конической формы, окруженный выплеском. Размеры и форма кратера, а также размеры выплеска зависят от плотности энергии излучения и теплофизических характеристик облучаемого вещества. Уменьшение плотности энергии с помощью дефокусировки луча приводит к уменьшению глубины кратера и увеличению его диаметра до некоторой предельной величины, после чего диаметр кратера опять уменьшается. Уменьшение плотности энергии путем снижения энергии излучения лазера без изменения фокусировки приводит к падению как глубины, так и диаметров кратеров.
Воздействие квазинепрерывного (беспичкового) импульса проявляется в образовании на поверхности металла пятна, покрытого концентрическими волнами материала. При точной фокусировке света на поверхность металла диаметр этого пятна в несколько раз больше, чем диаметр отверстия кратера. При дефокусировке луча диаметр кратера несколько уменьшается.
Отметим, что площадь пятна на образце примерно на порядок больше, чем размеры области фокусировки луча.
Еще большее различие в воздействии двух типов импульсов лазера проявляется при исследовании сечений кратеров и пятен. Сечение кратера при фокусировке луча на поверхность образца имеет форму, близкую к конической, размеры конуса и угол при вершине зависят от материала образца, условия фокусировки и энергии импульса. Сечение по диаметру пятна имеет волнообразную поверхность, обычно с выпуклостью в центральной части.
Металлографическое исследование показало, что в зоне воздействия луча вокруг кратера в малоуглеродистой стали можно четко выделить область, которая к моменту окончания дискретного импульса была целиком аустенитной, а возможно, и расплавленной (эта зона имеет троосто-мартенситную структуру), и зону термического влияния, состоящую из мартенситных зерен, расположенных на месте зерен перлита и ферритной основы.
В сталях с более высоким содержанием углерода хорошо выявляется только закаленная зона, по-видимому, образовавшаяся из расплава.
Все эти особенности структуры можно получить и при облучении стали квазинепрерывными (беспичковыми) импульсами лазера.
Измерение микротвердости зон показало, что облучение квазинепрерывным импульсом также приводит к значительному упрочнению стали. В качестве примера приведем таблицу значений твердости стали-60 (0,6% С), полученных усреднением по нескольким десяткам измерений. Измерение твердости проводилось на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 100 Г.
Из таблицы 4.2 видно, что облучение квазинепрерывным импульсом дает при той же металлографической структуре твердость даже несколько большую, чем при облучении импульсом.
Анализ микроструктуры сечения пятна еще раз подтверждает целесообразность применения квазинепрерывного импульса для сварки_и термической обработки стали. Дело в том, что при дискретном импульсе можно уменьшать его удельную энергию с помощью уменьшения энергии накачки импульсных ламп, светофильтров или дефокусировки луча. В первых двух случаях уменьшение удельной энергии сопровождается общим уменьшением энергии светового импульса. В последнем случае та же энергия распределяется на большую площадь и возникает пятно на поверхности образца (кратер очень малой глубины).
Представляет интерес сравнение сечений пятна для случаев дискретного и непрерывного импульсов одинаковой энергии. Такие сечения приведены на рис. 4.2. Из микрофотографий видно, что при квазинепрерывном импульсе поверхность пятна имеет волнообразную структуру с выпуклостью в центре, в то время как при дефокусированном дискретном импульсе имеется кратер очень небольшой глубины. Основным отличием между обоими режимами является то, что при квазинепрерывном импульсе объем термически обработанной зоны более чем на порядок превышает объем упрочненной зоны при дискретном дефокусированном импульсе, а также отсутствует расплескивание материала, что особенно важно для сварки.
Рассмотрим некоторые особенности структурного механизма возникновения упрочненной зоны. Ранее отмечалось, что границы зон являются очень резкими и могут пересекать зерна перлита, что наблюдается при обычной термической обработке стали. Для дальнейшего исследования этого вопроса была изучена Ст-45 с очень крупными зернами перлита (размеры зерен около 0,5 мм), разделенными ферритными прослойками. На микрофотографиях хорошо видно, что при обоих типах импульсов граница зоны пересекает перлитные зерна по совершенно ровной линии, соответствующей изотерме превращения, т. е. в обоих случаях превращение идет настолько быстро, что перераспределение углерода в зерне перлита не успевает произойти. Другой особенностью является сохранение перлитных прослоек в закаленной области, т. е. не успевает пройти также и полное превращение феррита в аустенит. Рентгеноструктурное исследование показывает, что в термически обработанной зоне происходит мартенситное превращение, а также указывает на общее сходство структурных превращений при обоих типах лазерных импульсов.
Итак, на основании полученных результатов можно представить следующие механизмы воздействия на металл импульсного лазерного излучения с различным распределением интенсивности t в импульсе.
Для дискретного (пичкового) распределения интенсивности характерно испарение материала в начале импульса, плавление поверхности образовавшегося углубления и выброс жидкого металла под давлением газов. Такой процесс, повторяющийся много раз в течение импульса, приводит к образованию кратера, окруженного тонкой, термически обработанной зоной.
Для квазинепрерывного (беспичкового) распределения интенсивности характерно равномерное испарение, полное отсутствие уноса металла в жидкой фазе, плавление материала, идущее в течение всего импульса, и теплопередача в глубь образца. Эти обстоятельства приводят к тому, что остаточное поглощение энергии твердым телом в случае квазинепрерывного распределения интенсивности в импульсе гораздо полнее, чем при дискретном распределении. Таким образом, даже при квазинепрерывном импульсе время импульса слишком мало для того, чтобы в материале могло пройти диффузионное перераспределение углерода в стали. Поэтому структурные превращения при обоих типах импульсов имеют близкую природу. Кратер в материале, по-видимому, можно получить и при непрерывном импульсе, но для этого необходимо значительное повышение удельной энергии до величины, превышающей порог разрушения материала.