№ 2 (2018)

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.

Статья посвящена рассмотрению такого важного явления в радиодеталях, как раскалывание в многокомпонентных материалах. Композиционные материалы являются важным классом радиоматериалов, поэтому улучшение комплекса их свойств носит важное фундаментальное и прикладное значение и является актуальным направлением материаловедения. Совершенствование композиционных материалов способствует их более широкому применению и изготовлению новых радиодеталей. Наряду с совершенствованием характеристик композиционных материалов значительный интерес для материаловедения представляют соединения, в которых применяются другие элементы, например редкоземельные (сплавы с празеодимом или самарием). Исследуется влияние термоупругих напряжений на работоспособность радиодеталей, содержащих композиционные материалы; выявляются физические факторы, наиболее сильно влияющие на функциональную пригодность изделий с композиционными материалами. Перед нами также стояла задача изучить механизмы возникновения и протекания термоупругого пробоя в композиционном материале, содержащем включения, в частности воздушные. Например, композиционный материал на металлической основе содержит десятки включений различного состава. Как правило, в композиционных материалах содержатся и воздушные включения, влияние которых также необходимо учитывать. Электрическая прочность и срок службы деталей из неоднородных композиционных материалов в сильных электрических полях зависят от содержания воздушных включений и их формы. В статье произведен расчет напряженности электрического поля во включениях и вблизи них. Рассмотрен процесс, происходящий в эллипсоидальном включении под действием сильного электрического поля. Проведен анализ относительного влияния формы крупных включений на механизм упрочнения. Отдельно анализируются процессы для мелких и для крупных включений в композиционном материале и их влияние на разрушение деталей из-за разрядов во включениях. Исследовано влияние комбинированного внешнего воздействия (различные температуры и т. д.). Установлено, что в сильных высокочастотных электрических полях тепловыделение вследствие ионизации в воздушных включениях в композиционных материалах может оказаться значительным, и при интенсивном внешнем воздействии могут иметься разрушающие напряжения. Неравномерный нагрев композиционного материала из-за тепловыделения в крупных включениях приводит к появлению разрушающих термоупругих напряжений и к раскалыванию радиодеталей.

При проведении ремонтных работ металлоконструкций резервуаров, магистральных и технологических трубопроводов системы транспорта нефти и нефтепродуктов наблюдается повышенная пористость сварных швов. В качестве причины повышенной пористости рассматривается изменение химического состава и структуры металлов, возникающее под влиянием эксплуатационных факторов, в том числе при контакте с нефтью и нефтепродуктами. Доминирующими факторами, влияющими на повышенное порообразование при ремонте элементов системы трубопроводного транспорта, описанными ранее в научной литературе с учетом особенностей сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа, являются: повышенное содержание водорода и углерода в сварочной ванне; высокая скорость охлаждения металла, явления деформационного старения ферритно-перлитных сталей и водородного охрупчивания. Сделаны выводы о причинах повышенной пористости. Проведены исследования, подтверждающие увеличенное содержание водорода и углерода в металле под влиянием эксплуатационных факторов, причем в металле со стороны контакта с нефтепродуктами массовая концентрация водорода с внутренней стороны образца более чем в два раза выше массовой концентрации водорода с внешней стороны. Содержание углерода со стороны контакта с нефтью превышает содержание углерода с внутренней стороны на 20 %. На основе проведенного исследования предложен ряд технологических мер по уменьшению пористости в металле шва в производственных условиях ПАО «Транснефть»: увеличение погонной энергии сварки в пределах установленных диапазонов режимов сварки; предварительная термообработка стали, бывшей в эксплуатации, с последующим медленным охлаждением для уменьшения свободного углерода.

Одним из эффективных средств повышения эффективности операций механической обработки заготовок является рациональное использование энергии ультразвуковых колебаний (УЗК). Для разработки рекомендаций по выбору направления и амплитуды УЗК в процессе шлифования выполнены исследования кинематики взаимодействия шлифовального круга с заготовкой. Предложены аналитические зависимости для расчета скорости перемещения абразивного зерна относительно заготовки, количества абразивных зерен, контактирующих с заготовкой, и параметра Ra шероховатости обработанной поверхности при шлифовании с УЗК. С использованием этих зависимостей выполнено численное моделирование для различных условий и режима шлифования. Установлено, что при наложении на заготовку колебаний в направлении, совпадающем с вектором рабочей скорости шлифовального круга, для уменьшения силы трения в зоне контакта круга с заготовкой необходимы колебания с частотой, выходящей за пределы частотного диапазона промышленных ультразвуковых установок. Наложение колебаний в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности, приводит к существенному увеличению высотных параметров шероховатости этой поверхности. При наложении колебаний в направлении, совпадающем с осью круга, обеспечиваются минимальные высотные параметры шероховатости, а за счет прерывистого контакта зерен с заготовкой возможно снижение коэффициента трения, поэтому УЗК целесообразно накладывать в этом направлении. Для наложения колебаний на заготовку использовали устройство, в котором она закрепляется между излучателем колебаний и опорой и является одним из звеньев колебательной системы. Экспериментальные исследования, выполненные при плоском шлифовании заготовок из сталей 3Х3М3Ф и 12Х18Н10Т, позволили установить, что наложение колебаний амплитудой 2A_z=6…9 мкм в направлении, совпадающем с осью круга, обеспечивают снижение сил шлифования на 10…15 %, износа круга на 25…40 %, параметра шероховатости Ra на 12…15 %.