Лазерное упрочнение резьбовых соединений находится на стадии от опытного апробирования до внедрения в производственные процессы и имеет перспективы развития. Это достаточно сложная, но решаемая задача. Увеличение работоспособности при сохранении гарантированных механических свойств резьбового соединения — главная цель исследователей и разработчиков новой технологии. Существенное улучшение качества упрочнения, а именно отсутствие оплавления поверхности и гарантия свойств поверхностного слоя на заданной глубине делают этот метод все более привлекательным для производственника.

Основные преимущества: возможность проведения обработки труднодоступных и тонкостенных деталей, минимальные поводки и деформации деталей, возможность точно устанавливать режимы и глубину упрочнения, а также глубину прогрева деталей и как следствие управлять возможными деформациями. Упрочненные лазером слои характеризуются повышенными значениями твердости поверхности: износостойкостью и антифрикционными свойствами.

Частично результаты упрочнения резьбовых соединений описывалось в статье [1]. Целью данной статьи является подытожить имеющийся метод по внедрению лазерного упрочнения деталей с резьбовой поверхностью.

Для упрочнения использовались лазеры волоконного типа ЛС‑5, а также углекислотный лазер МТЛ‑2 и др.

Исследование металлографии проводилось на приборе «Неофот‑2», микротвердость измерялась прибором ПМТ‑3 при нагрузке 0,5 Н, механические испытания выполнялись на разрывных машинах по ГОСТ 1497–73. Остаточные напряжения определялись по методу Давиенкова, а также методом Кузнецова при снятии в истинных координатах чистого изгиба поверхностного слоя. Абразивная стойкость проверялась на машинах лоткового типа в пульпе, приближенной к условиям буровой, а окончательное решение о перспективности метода лазерной обработки принималось по результатам натурных промышленных испытаний. Исследования лазерного упрочнения на циклические свойства резьбовых соединений проводились по специально разработанной методике, включавшей в себя испытания имитационных муфтовых соединений на циклический изгиб с кручением. Испытания на механические свойства проводились на образцах свидетелях, с надрезом, соответствующим характеру формы резьбового соединения.

Данные по механическим испытаниям упрочненных образцов с различным надрезом представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы, упрочнение опасных мест существенно изменяет механические характеристики образцов, а, следовательно, по механизму подобия и свойства самого резьбового соединения. Поэтому технологическая операция лазерного упрочнения должна исключить упрочнение мест концентрации напряжений. Для этого обычно применяют соответствующие схемы лазерной обработки.

Следует также всегда помнить о зависимости механических свойств от соотношения упрочненного материала к толщине рабочей стенки металла (рис. 1). Таким образом, напряжение разрушения детали будет определяться по соотношению:
        σ = σ√a/h (1 – η²),                  (1)
η — отношение глубины упроченного металла к толщине стенки металла; h — глубина упроченного слоя; a — коэффициент, постоянный для данного материала. [2]

Рис. 1. Изменение механических характеристик стали 40Х от соотношения глубины упрочнения к толщине стенки образца.

Особое внимание необходимо обращать на распределение остаточных напряжений. Лазерная обработка позволяет получать в поверхностном слое в результате мартенситного превращения сжимающие напряжения, которые способствуют увеличению стойкости резьбового соединения. Но наряду с ними всегда присутствуют и растягивающие напряжения, связанные с нагревом зоны обработки. Без изучения напряжений можно получить обратный эффект. Например, при упрочнении муфтовых концов обработка, как правило, происходит с перекрытием зон и важно, чтобы общий знак упрочненной поверхности был отрицательным. Характерное распределение напряжений при различном перекрытии представлено на рис. 2. Как видно из графика, в зависимости от степени перекрытия зон упрочнения возможно получение на поверхности зон с растягивающими напряжениями.

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений при различном перекрытии треков.

Сами режимы обработки должны быть с максимальным сжимающим эффектом, который достигается за счет уменьшения аустенитной составляющей или уменьшения зон, где упрочнение не прошло из-за структурных неоднородностей или наличия избыточного количества карбидов. Особенностями лазерного упрочнения является малое время нагрева материала выше точки АС3 (критическая точка, соответствующая переходу последних кристаллов феррита в аустенит при нагреве). Это также следует учитывать при разработке режимов. Наиболее подробно этот вопрос изложен в работе [3].
Многие виды резьбового соединения подвергаются циклическим нагружениям. Поэтому проведение циклических испытаний для таких изделий становится необходимым. В нашей работе для получения данных при кручении с изгибом использовались имитаторы, имеющие форму образца на изгиб с кручением, в середине которого было изготовлено резьбовое соединение. Лазерное упрочнение производилось как по резьбе, так и с тыльной стороны. Часть результатов циклических испытаний на базе 10000000 циклов приведены в таблице 2.

Как видим, результаты на выносливость говорят о существенной зависимости от распределения остаточных напряжений и степени перекрытия треков.

Итак, лазерное упрочнение резьбовых соединений является чрезвычайно наукоемким процессом и вероятно требует соответствующей сертификации с целью получения надежных результатов при промышленном внедрении. Однако, первые опытные результаты говорят о высокой эффективности метода, обеспечивающего при решении всех технологических проблем упрочнение в 2-7 раз (рис. 3).

Рис. 3. Трубы после упрочнения.
 

В. О. Попов, ООО «ЛАЗЕРТЕРМ»
С.Н. Смирнов, СП «Лазертех»
 

Литература

1. А. И. Скрипченко, В. О. Попов, С. Ю. Кондратьев, А. Е. Вайнерман, Д. Н. Плавский. Лазерное упрочнение деталей бурового оборудования и инструмента. РИТМ № 9’2010, стр. 26–29.
2. Скрипченко А. И. Попов В. О. Кондратьев С. Ю. Лазерное упрочнение деталей транспортного машиностроения. РИТМ № 5’2011 стр. 86–89.
3. Горынин В. И., Попов В. О. Влияние неизотермических диффузионных процессов на свойства и структуру при лазерном упрочнении без оплавления поверхности. Вопросы материаловедения 2008, № 6, стр. 12–16.