Modern methods of laser processing of the materials are actively introduced into production. However, their wide application in engineering is hampered by the high energy intensity of the processes and the unexplored complex high-speed processes of such processing technologies. This paper covers the hybrid laser technologies for processing materials, in particular, laser-field hardening of metals. The theoretical study of laser interaction with metal is carried out; it is shown that the laser radiation reflection index and the depth of its penetration depend on the electrical conductivity of a skin layer. The study determined the main interrelations between the quality parameters of a treated layer and the parameters of the laser-field technological complex. The paper gives the results of the study on hybrid laser-field hardening of steels widely used in engineering (Steel 10, Steel 45, and Steel 65G) in the electrostatic field. It is shown, that the electrostatic field superposition on a treatment zone leads to the increase in the depth and hardness of a hardened layer through the directed motion of electrons deep into metals. The authors offer a mathematical model for the temperature field distribution in metal under the influence of laser radiation that considers the electrostatic field superposition and allows investigating the dynamics of the hybrid laser hardening. The limitation of the increase in the rate of material cooling by the electrons directional motion in the electrostatic field is mathematically substantiated. The specific values of the electrostatic field influence coefficient are calculated. It is shown, that when superposing the external field, the threshold, critical value of the density of the laser radiation power causing the melting of the treated surface increases. The authors offer the specific mathematical models to be used when preparing a production for determining the required laser radiation power and the strength of the electrostatic field. Based on the results of the study, the principal process scheme is offered, and the laser-field technological complex facility is designed and manufactured.
Современные методы лазерной обработки материалов активно внедряются в производство. Однако широкое их применение в машиностроении сдерживается высокой энергоемкостью процессов и неизученностью сложных быстропротекающих процессов таких технологий обработки. Статья посвящена гибридным лазерным технологиям обработки материалов, в частности лазерно-полевой закалке металлов. Проведено теоретическое исследование процесса лазерного взаимодействия с металлом; показано, что коэффициент отражения лазерного излучения и глубина его проникновения зависят от электропроводности скин-слоя. Выявлены основные взаимосвязи показателей качества обработанного слоя с параметрами лазерно-полевого технологического комплекса. Приведены результаты исследований по гибридной лазерно-полевой закалке в электростатическом поле широко используемых в машиностроении сталей (Сталь 10, Сталь 45, Сталь 65Г). Показано, что наложение электростатического поля на зону обработки приводит к увеличению глубины и твердости закаленного слоя за счет направленного движения электронов в глубь металла. Предложена математическая модель распределения температурного поля в металле под воздействием лазерного излучения, учитывающая наложение электростатического поля и позволяющая исследовать динамику технологического процесса закалки. Математически обосновано ограничение увеличения скорости охлаждения материала путем направленного движения электронов в электростатическом поле. Рассчитаны конкретные значения коэффициента влияния электростатического поля. Показано, что при наложении внешнего поля пороговое, критическое значение плотности мощности лазерного излучения, вызывающего оплавление обрабатываемой поверхности, увеличивается. Предложены конкретные математические модели для использования при подготовке производства для определения требуемой мощности лазерного излучения и напряженности электростатического поля. На основании полученных результатов предложена принципиальная технологическая схема, разработана и изготовлена установка лазерно-полевого технологического комплекса.