Достижения и перспективы развития лазерной технологии. А.Г.Григорьянц

По инициативе и под руководством академика Г. А. Николаева на кафедре "Сварки" МВТУ им. Н.Э.Баумана, начиная с 1978 года, стали проводить научные исследования по применению мощного лазерного излучения для целей сварки и изучению физических процессов в металлах, происходящих при лазерной сварке. На этой базе в 1981 году в МВТУ была создана первая в стране кафедра "Оборудование и технология лазерной обработки" ( Зав. кафедрой проф., д.т.н. А.Г.Григорьянц).
В работах кафедры реализован комплексный подход к изучению и решению современных проблем лазерных технологий - от создания теоретических основ до разработки технологических процессов лазерной сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов лазерной обработки.

Разработаны оптимальные технологические фокусирующие системы, методики их расчета, существенно повышающие энергетическую эффективность воздействия лазерного излучения.
Низкая эффективность использования энергии при обработке мощным лазерным излучением в значительной мере определяется плазменными процессами, вызывающими поглощение и рассеяние излучения, и в итоге снижение мощности и степени сосредоточенности теплового источника на поверхности материала.

В результате теоретического и экспериментального исследований плазменных процессов разработаны высокоэффективные процессы лазерной сварки в защитных газах, когда дополнительный поток газа направляется через область формирования плазмы в канал проплавления.
Проведено физическое моделирование режима "кинжального" проплавления лазерным лучем на оптически прозрачных материалах и комбинированных образцах из металла и оптически прозрачного материала с регистрацией процессов формирования парогазового канала и массопереноса.
На основе этих исследований разработан новый способ сварки в режиме осциллирования сфокусированного излучения, обеспечивающий высокую эффективность использования энергии лазерного излучения.
Выполнено физическое моделирование процессов лазерной сварки и последующий математический анализ характеристик колебаний задней стенки парогазового канала. Установлено, что для предотвращения натекания металла в корневую часть парогазового канала и, следовательно, образования дефектов проплавления необходимо создать вынужденные импульсы давления в канале с частотой, обеспечивающей возникновение в жидкой фазе развивающихся колебаний. На этойоснове разработан метод повышения эффективности и стабильности проплавления при лазерной сварке с помощью дополнительной импульсной подачи газа.
Разработан механизм теплового воздействия лазерного излучения на металлы и созданы эффективные средства теоретического анализа тепловых процессов при лазерной обработке. Созданы алгоритмы и программы, реализующие разработанные методикирешения оптических и тепловых задач лазерной технологии, оформленные в виде пакетов прикладных программ.
Предложена модель глубокого проплавления при лазерной сварке с учетом поглощения излучения в газовой фазе и металлом на передней стенке канала, последующего теплового влияния парогазовой среды на стенки канала и рассеяния энергии, теряемой с парами и радиацией в условиях периодического перемещения фронта плавления и испарения по передней стенке канала в направлении сверху вниз, сопровождаемого переносом расплавленного металла в хвостовую часть ванны по боковым стенкам преимущественно в горизонтальном направлении. Эта сложная модель реализована в пакете программ, разработанном совместно с группой сотрудников института прикладной математики им. Келдыша во главе с академиком А.А.Самарским.

Разработаны численные методы решения упругопластических задач для определения временных и остаточных деформаций и напряжений, возникающих при различных видах лазерной обработки.
Эти методы базируются на многолетних успешных работах выдающейся школы сварщиков- прочнистов МВТУ им.Баумана во главе с академиком Г.А. Николаевым и профессором В.А. Винокуровым. Дальнейшее развитие этих работ позволило учестьспецифику лазерной обработки металлов, связанную с высокой степенью концентрации энергии, большими градиентами изменения температур, высокими скоростями перемещения источника нагрева и др.

В многочисленных теоретических и экспериментальных исследованиях установлены:

1) закономерности образования временных и остаточных деформаций и напряжений при лазерной сварке, наплавке, резке, термоупрочнении и других видах лазерной обработки;

2) возможности регулирования распределения временных и остаточных напряжений с целью обеспечения высоких служебных характеристик;

3) условия получения прецизионных деталей и узлов машин в результате лазерной обработки.

Изучены физические особенности процесса лазерной сварки металлов, разработаны основы технологии лазерной сварки различных контрукционных материалов, позволившие установить область эффективного применения лазерной сварки в сопоставлении с традиционными способами сварки.
Разработан способ непрерывной лазерной сварки изделий средних (до 5 мм) толщин, отличающийся высокой производительностью и эффективностью использования энергии лазерного излучения и позволяющий получать прецизионные сварные соединения с высокой технологической и эксплуатационной прочностью. Высокоскоростные режимы лазерной сварки характеризуются повышенными теплофизическими показателями, достигающими 60-70% для эффективного к.п.д. и 42-46% для термического к.п.д. при устойчивом существовании узкого парогазового канала в зоне проплавления.
Стыковые соединения из ряда высокопрочных сталей и титановых сплавов остаются практически равнопрочными основному металлу в случае, если величина зазора не превышает 5-7%, а величина смешения кромок - 20-25% от толщины материала при статических испытаниях.
Глубина проплавления при импульсно-периодическом лазерном воздействии с большой скважностью в 3-5 раз больше, чем при непрерывном той же мощности.
Основными факторами, способствующими увеличению глубины проплавления, является:

1) уменьшение потерь на теплопроводность при повышении плотности мощности на фронте взаимодействия луча и металла;

2) уменьшение потерь на экранирование ирассеяние энергии луча плазмой;

3) приближение фронта воздействия луча к границе фазового раздела.
При уровнях плотности мощности около 10 Вт/см перенос металла в кратере осуществляется преимущественно в паровой фазе, поэтому оказывается возможным получение особо узких и глубоких швов с соотношением глубины шва к его ширине, равным 10 и более при толщине свариваемого металла до 5-6 мм.

Разработана технология импульсно-периодической лазерной сварки среднеуглеродистых среднелегированных и мартенситностареющих сталей толщиной до 7 мм. типа 30ХГСА и 08Х15Н5Д2Т.
Разработана технология лазерной сварки непрерывным излучением сварных соединений встык и проплавных соединений из легированных сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ и углеродистой стали Ст.35 на изделиях (карданный вал, шестерни коробки передач) в автомобильной промышленности.
Разработана технология однопроходной лазерной сварки среднелегированных конструкционных сталей толщиной до 16 мм вместо 8...16-ти проходной дуговой сварки с обеспечением высокого комплекса технологических и механических свойств при высокой производительности.
Разработана технология лазерной сварки соединений типа труба-трубная решетка из сплавов ПТ-3В и ПТ-7М с гарантированным качеством по периметру кольцевого шва, обеспечиваемым управлением параметрами излучения на начальном и заключительном участках кольцевого шва. Установлено, что высокие механические свойства и циклическая прочность сварных соединений из титановых сплавов, выполненных лазерным излучением, определяется прежде всего увеличением дисперсности структуры металла шва, а также измельчением структуры околошовной зоны.
Применение лазерной сварки при изготовлении тонколистовых конструкций из жаропрочных никелевых сплавов позволило существенно повысить надежность сварных соединений вследствие значительного снижения вероятности образованиякристаллизационных, подсолидусных трещин и трещин при дисперсном упрочнении наряду с повышением жаропрочности сварных соединений, а также повысить производительность и упростить технологический процесс изготовленияза счет исключения послесварочной термообработки.
Разработан процесс лазерной сварки нержавеющих и мартенситностареющих сталей типа 08Х15Н5Д2Т, обеспечивающий повышение стойкости сварных соединений против коррозионного растрескивания и образования холодных трещин, а также повышение комплекса механических свойств и полное исключение трещинообразования при последующей штамповке сварных деталей. Это объясняется малым временем протекания процессов обеднения хромом приграничных областей зерен при выпадении карбидов хрома по границам, снижением эффекта вторичного твердения металла зоны термического влияния при ограниченном времени выпадения мелкодисперсных карбидов хрома в матрице зерна и значительным уменьшением потенциальной энергии остаточных растягивающих напряжений вследствие локализации их в более узкой зоне.
Разработан технологический процесс лазерной сварки тонколистовых алюминиевых конструкций, основанный на существовании критической плотности мощности лазерного излучения, обеспечивающей образование сварочной ванны и каналапроплавления. Проплавление алюминиевых сплавов носит пороговый характер. При этом величина критической плотности мощности уменьшается при увеличении концентрации активных элементов (Mg, Zn, Li) в составе свариваемогосплава.
Наиболее эффективным технологическим приемом снижения уровня критической плотности мощности является применение лазерной сварки при пониженном давлении и совмещение лазерного излучения с малоамперной дугой, что позволяет использовать для сварки маломощные лазеры.
Разработана технология лазерной сварки титановых сплавов ОТ4 и ВТ6С непосредственно по лазерному резу без промежуточной механической обработки применительно к тонколистовым конструкциям. При этом достигается значительное снижение трудоемкости изготовления крупногабаритных конструкций и обеспечивается равнопрочность сварных соединений с основным металлом.

Разработана высокопроизводительная технология лазерной сварки конструкционных сталей толщиной 10...30 мм с подачей присадочной проволоки, обеспечивающей повышение энергетической эффективности процесса, высокие значения статической и усталостной прочности сварных соединений. При этом для устранения влияния зазоров в стыке и выгорания легирующих элементов на эксплуатационные свойства сварных соединений процесс сварки осуществляется в щелевую разделку с подачейприсадочной проволоки впереди точки фокусировки луча в область, ограниченную яркостным радиусом приповерхностной плазмы.

Перспективными представляются разработка и исследование процесса лазерной сварки композиционных, армированных частицами материалов типа Fe-Cu, Fe-(Cu-Pb) и Fe-(Cu-Pb-Sn), склонных к образованию при сварке плавлением дефектов типа "полость" и расслоений в сварных швах. Разработана технология лазерной сварки таких композиционных материалов с использованием в качестве легирующих добавок прослоек из никеля и алюминия. Разработаны технологические схемы изготовления изделий из композиционных материалов, выполняемых с использованием лазерной сварки.
Разработан технологический процесс лазерной сварки узлов авиационных газотурбинных двигателей в виде тонкостенных оболочек большого диаметра из жаропрочных никелевых сплавов. Повышенная сопротивляемость швов образованию горячих трещин, а также высокие механические и служебные свойства сварных соединений обуславливаются ступенчатым процессом формирования шва, когда имеет место прерывисто-периодический характер кристаллизации металла нижней части шва с образованием слоистой структуры, высокая дисперсность структуры металла шва, наличие области равноосных кристаллитов в центре зоны кинжального проплавления и возможность подпитки кристаллизующегося металла жидким расплавом изверхней части ванны.

Разработаны теплофизические основы процесса комбинированной лазерно-дуговой сварки (ЛДС) для обеспечения возможности эффективной замены части энергии лазерного излучения на более дешевую энергию электрической дуги снеплавящимся электродом. Было показано, что при ЛДС с использованием СО2-лазеров роль приповерхностного взаимодействия излучения с дугой на характер проплавления металла весьма значительна, а при ЛДС с применением АИГ-лазера
приповерхностное взаимодействие лазерного излучения с дугой несущественно для процессов нагрева и плавления металла при сварке.
Разработаны теоретические основы поверхностной лазерной обработки материалов и конкретных технологических процессов, обеспечивающих высокоэффективную обработку деталей и узлов машин.
Исследованы различные способы лазерного упрочнения поверхностей. На базе теоретического анализа тепловых процессов представлены металлофизические аспекты лазерного термоупрочнения и выполнена систематизация способов, режимов лазерного упрочения конструкционных материалов, обеспечивающая практическое применение лазерного термоупрочнения.
Выявлены наиболее эффективные составляющие для поглощающих покрытий, которые рекомендованы для применения при лазерной закалке сталей излучением непрерывного СО2-лазера. Установлен характер влияния режимов обработки, химического и фазового составов, предварительной термообработки на формирование структур железоуглеродистых сплавов в зоне лазерного воздействия.

Проведено комплексное исследование влияния остаточных напряжений, образующихся при лазерном термическом упрочнении железоуглеродистых сплавов, на эксплуатационные характеристики поверхностных слоев. Было показано, что знак и распределение остаточных напряжений на поверхности стали регулируются изменением степени перекрытия зон лазерного воздействия. Наложение полос закалки на среднеуглеродистых сталях таким образом, что перекрываются зоны неполной закалки, приводит к формированию на границе зон лазерного воздействия сжимающих остаточных напряжений, значительно повышающих износостойкость и циклическую долговечность.
Установлены закономерности формирования микроструктур в зонах лазерного воздействия легированных, претерпевающих перитектическое превращение сталей, заключающееся в замедлении концентрационного перераспределения легирующих элементов в процессе охлаждения и формировании в зоне оплавления ячеек с мартенситно-аустенитной структурой повышенной твердости, окруженных сеткой пластичной фазы. Вследствие этого при переходе к режимам обработки с оплавлением поверхностиэксплуатационные характеристики, такие как твердость, износостойкость, коррозионная стойкость скачкообразно возрастают при сохранении высокого уровня усталостной прочности.

Разработан способ импульсной лазерной поверхностной обработки вольфрамокобальтовых твердых сплавов с целью повышения стойкости инструмента, изготовленного на их основе. Основой механизма упрочнения является дополнительное растворение периферии зерен карбида вольфрама в кобальте, перераспределении кобальтовой фазы к поверхности и увеличении степени микроискажений кристаллической решетки карбидной фазы сплавов. Наибольшее увеличение стойкости твердосплавного режущегоинструмента в 1,5-2 раза достигается в условиях его адгезионно-усталостного износа.
Большую перспективу представляет получение покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами при минимальном термическом воздействии на подложку путем применения непрерывного лазерного излучения и использованием порошковсистемы Ni-Cr-B-Si. Наиболее перспективна схема подачи порошка непосредственно в зону обработки. Газопорошковая лазерная наплавка проводится на высоких скоростях, что обеспечивает формирование двухфазной квазиэвтектической структуры. Это приводит к значительному повышению износостойкости наплавленных лазером покрытий по сравнению с традиционными методами нанесения покрытий индукционной наплавкой, газопламенным переплавом плазменного напыления и т.д., когда в процессе кристаллизации выделяются крупные первичные карбиды и бориды хрома. На основе глубоких исследований природы образования кристаллизационных трещин при лазерной наплавке порошков системы Ni-Cr-B-Si разработаны условия повышения технологической прочности применением предварительного подогрева порошкового материала. Это позволяет увеличить допустимые скорости наплавки без появления горячих трещин, что приводит не только к возрастанию производительности процесса, но и получению мелкодисперсной структуры, обеспечивающей повышение износостойкости и работоспособности более чем в 2,5 раза при восстановлении авиадеталей методом лазерной наплавки.

Несомненный научный и практический интерес представляет разработка способа лазерной наплавки, обеспечивающего повышение высокотемпературной износостойкости и жаростойкости путем формирования композиционной структуры. При этом параметры лазерного воздействия ограничивают допустимую степень разложения и растворения упрочняющих фаз и сублимацию химических элементов, образующих эти фазы. Такой процесс лазерной наплавки обеспечивает повышение жаростойкости в 4-5 раз по сравнению с вакуумно-плазменным покрытием, высокотемпературной фреттинг-коррозии в 2 раза по сравнению со сплавом ЖС6У, абразивной износостойкости в 6 раз по сравнению с некомпозиционным покрытием, износостойкости в условиях ударного нагружения на кромке пуансона в 6 раз по сравнению с материалом штампа - сталью 5ХНМ.

Представлены физические основы и особенности процесса лазерной резки металлических и неметаллических материалов, позволяющие достигать высоких показателей качества и производительности.
Разработан технологический процесс резки слоистых пластиков стеклотекстолита, гетинакса и др. излучением СО2-лазера. При газолазерной резке этих сублимирующих материалов образуется многокомпонентный эрозионный факел, экранирующий излучение. Характерной особенностью при этом является образование скачка уплотнения у поверхности разрезаемого материала при натекании на нее сверхзвукового потока, что ограничивает скорость газа в канале реза, определяющую эффективность удаления аэрозоля, значением скорости звука.
Для увеличения эффективности процесса и снижения экранирующего влияния факела разработан комбинированный способ удаления аэрозоля, сочетающий динамическое и химическое действие за счет подачи в зону резки углекислого газа.

Применение лазера для обработки слоистых пластиков толщиной до 15 мм позволяет повысить скорость резки в 3-5 раз по сравнению с механической обработкой при одновременном сокращении отходов материала в среднем на 20% за счет уменьшения ширины реза и возможности автоматизации процесса изготовления изделий.

Большое внимание уделялось разработке технологических процессов газолазерной резки металлов. Для повышения качества раскроя металлов по криволинейному контуру предложено применение непрерывного и импульсно-периодического излучений. На прямолинейных участках контура и участках, где скорость раскроя металлов заметно не изменяется, для производительной и качественной обработки необходимо использовать непрерывное излучение, а при раскроеуглов или относительно малых радиусов закругления контура - импульсно-периодическое излучение.
Разработан технологический процесс лазерной прошивки отверстий в платах интегральных схем на основе поликора с последующей металлизацией их стенок, позволяющий объединить две различные операции - формообразования отверстия иметаллизации его канала - в одну, состоящую из двух последовательных технологических переходов и совершаемую за один установ заготовки. Отсутствие наплывов и выплесков жидкой фазы на поверхности обрабатываемого материала, а также сплошность и мелкодисперсность токопроводящего покрытия, обеспечиваются тем, что вынос материала из зоны обработки должен происходить только в виде паровой фазы. Для этих целей использованы импульсы лазерного излучения с интенсивностями и длительностями, обеспечивающими минимальное оплавление дна и стенок лунки и удержание расплава в ее кратере в течение действия всего импульса лазерного излучения.

На базе исследований тепловых процессов, решения задач механики разрушения и моделирования разработана технология лазерной резки трубчатых стеклоизделий методом термораскалывания. Оптимизированы требования к лазерному излучению и другим параметрам процесса термораскалывания, обеспечивающим сочетание высоких значений качества и производительности процесса.

В последние годы на кафедре проводятся обобщенные инженерно-физические и конструкторско-технологические разработки, необходимые для эксплуатации технологических лазеров в условиях промышленного производства.

Комплексные исследования лазерной технологии, выполненные кафедрой совместно с ПО "АвтоЗИЛ", удостоены Государственной премии СССР. На кафедре проведена учебно-методическая и организационная работа по открытию в стране в 1984 году новой учебной специальности 0589 "Оборудование и технология лазерной обработки", на базе которой в 1988 году создана учебнаяспециальность 12.07 "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки", разработаны учебные планы, программы, подготовлены учебники и необходимый методический материал.
На кафедре также была организована переподготовка инженерных кадров по специальности "Лазерная техника и технология" и осуществлен выпуск порядка 200 специалистов для предприятий. Кафедра проводила ставшие традиционными Всесоюзные молодежные школы "Актуальные проблемы развития лазерной техники и технологии".

В настоящее время кафедра определена базовой в стране по подготовке кадров по учебной специальности 12.07.

На кафедре выполнена большая организационная работа по созданию новой научной специальности 05.03.07 "Оборудование и технология лазерной обработки". Разработаны программы для сдачи кандидатских минимумов, ринятые ВАК СССР. На базекафедры создан специализированный совет в МГТУ по защите диссертаций по данной специальности. На кафедре подготовили и защитили кандидатские диссертации 28 аспирантов и соискателей и одна докторская диссертация.
Сотрудники кафедры являются авторами фундаментальных работ в области теории и практики лазерной обработки в виде 5 монографий, 9 учебников союзного издания и ряда научных трудов, изобретений.
В настоящее время кафедра совместно с НИИРЛ МГТУ им. Баумана выполняет комплексную инновационную программу по освоению серийного выпуска технологических твердотельных лазеров нового поколения с разработкой лазерных технологических процессов, которая должна способствовать практическому применению прогрессивной технологии.