С середины 70‑х годов прошлого века лазерные технологии активно развивались. Самые значимые внедрения были, прежде всего, на автомобильных заводах ЗИЛ и АЗЛК, где были запущены лазерные автоматизированные линии по термообработке газового стыка головки цилиндров двигателя автомобиля и ступицы колес. В дальнейшем применение лазеров в промышленности продолжало расти.

1. Лазерная резка

В настоящее время разработана серия лазерных станков для резки листового металла и многих неметаллов, в том числе тканей.

В частности, нашим предприятием разработана серия лазерных станков для резки листового металла толщиной до 30 мм с использованием СО₂ и оптоволоконных лазеров. Типоразмер станков представлен в таблице 1, а внешний вид некоторых станков на рис. 1.

        а)                                                                            б)
Рис. 1. Двухполетные автоматизированные станки для резки металлов с оптоволоконными лазерами: а — поле обработки 3,0×1,5 м; б — поле обработки 6,0×2,0 м.

2. Лазерная сварка

Важнейшим направлением эффективного применения лазерной технологии является сварка металлоконструкций. Приведем примеры.

Лазерная сварка нержавеющих труб

При сварке нержавеющих труб из сталей аустенитного класса производительность выросла в 10 раз по сравнению с аргонодуговой сваркой. Результаты испытаний лазерных сварных соединений на сталях 08Х18 Н10 Т, 08Х18 Т1, 08Х18 Н10 по механическим показателям и коррозионной стойкости находились на уровне основного металла. Данная технология была внедрена на одном из металлургических заводов Украины.

Трубосварочный стан (рис. 2) состоит из лазера мощностью 5 кВт, металлооптического фокусирующего объектива, формовочной клети, вальцующей ленту в обечайку, клети резки сваренной трубы в заданный размер. Для стабильного и качественного получения сварного шва была разработана и поставлена на сварочный стан следящая система за свариваемым стыком с электронным управлением, что обеспечило получение качественного сварного шва на протяжении всей сварки. Контроль качества сварного соединения проводился непрерывно ультразвуковой установкой в ходе сварки.

     а)                                               б)

Рис. 2. Трубопрокатный стан лазерной сварки нержавеющих труб — а,
элементы труб, подвергнутые различным видам испытаний — б.
 

Результаты НИОР по лазерной сварке газонефтепроводных труб

Лазерная сварка металлов толщиной от 12 до 100 мм в настоящее время может выполняться на лазерах мощностью в несколько десятков кВт.

Преимущества лазерной сварки больших толщин в сопоставлений с дуговой сваркой под флюсом и электрошлаковой сваркой очевидны. Лазерная сварка выполняется:
1. без разделки кромок, за один проход на всю свариваемую толщину;
2. без применения дорогостоящих флюсов;
3. потребление присадочной проволоки в 30–50 раз меньше в сопоставлении с дуговой сваркой в разделку. Проволока используется только на компенсацию зазоров в свариваемом стыке, который на трубопрокатных станах колеблется от 0 до 2 мм;
4. скорость лазерной сварки зависит от вкладываемой энергии лазерного излучения и для газонефтепроводных труб будет в пределах 4–6 м/мин;
5. свойства лазерных сварных соединений, как правило, находится на уровне основного металла.

Приведем некоторые данные по результатам исследований проведенных нашим предприятием совместно ОАО «ВНИИСТ», ОАО «ВНИИГАЗ», ИЭС им. Патона и ОАО «ЧТПЗ», а также с ОАО «СЕВМАШ». Полученные результаты исследований по лазерной сварке трубных и судостроительных сталей толщиной от 8 до 50 мм интересуют многих специалистов.

При соблюдении оптимальных параметров лазерного излучения процесс проплавления металла разной толщины выполняется с качественным формированием сварного шва и заданных параметров по геометрии (рис. 3).

     а)                       б)              в)

Рис. 3. Характер проплавления при лазерной сварке сталей: а — толщина 10 мм, Ризл.= 10 кВт, Vсв. = 1 м/мин; б – толщина 30 мм, Ризл.~ 28 кВт, Vсв. = 1 м/мин; в – толщина 50 мм, Ризл.~ 55 кВт, Vсв. = 1 м/мин.         

Нами найдены условия, при которых свойствами металла шва и зоны термического влияния (твердостью) и их размерами можно управлять.

В таблице 2 представлены результаты замера твердости и механические свойства лазерных сварных соединений, полученных на стали 08 Г1 НФБ с присадочной проволокой Св‑08 Г2 С (испытание проводились в ЦЗЛ
ОАО «ЧТПЗ»).

После испытаний на механические свойства были заварены продольные стыки труб, которые прошли на ЧТПЗ полный цикл испытаний. Результаты представлены в таблице 3.

Экономические расчеты, проведенные ОАО «ВТЗ», показали, что все затраты при переходе с дуговой сварке под флюсом на лазерную сварку окупаются менее чем за один год.

Лазерная сварка шестигранных труб для хранения «ТВЕЛОВ»

В настоящее время выпускаются лазеры нового поколения — волоконные фирмы ООО НТО  «ИРЭ-Полюс», г. Фрязино. На данных лазерах наше предприятие отработало ряд технологий. Например, лазерную сварку шестигранной трубы из специальной нержавеющей стали с добавками бора 4–6% для хранения «ТВЕЛОВ». Заказчик ОАО «Росатом» (рис. 4).

а)                                            б)
Рис. 4. Лазерная сварка: шестигранной трубы из нержавеющей стали: а — сварка СО₂‑лазером (Р=8 кВт) и б — сварка оптоволоконным лазером (Р=8 кВт).

Лазерная сварка шестерен коробки передач автомобилей

Отработаны технологические процессы сварки шесте-рен коробки передач автомобилей ЗИЛ, ВАЗ, изготавливаемых из сталей 12Х2 Н4 А, 18ХГТ (рис. 5). При этом достоинства лазерной сварки, как прецизионного процесса, были подтверждены замерами, которые показали практически нулевые остаточные после сварочные отклонения размеров от заданных значений в чертежах на шестерни. Показатели механических свойств сварных соединений находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на ОАО «АВТОВАЗ» с поставкой лазерного оборудования.

а)                                     б)

Рис. 5. Шестерни заваренные СО₂‑лазером: а — автомобиля ЗИЛ; Р_изл.= 5 кВт, V_св. = 3 м/мин; б — автомобиля ВАЗ; Р_изл.=2,5 кВт,  V_св. = 2 м/мин.

3. Лазерная наплавка деталей машин

Предприятием разработана технология лазерного восстановления методом порошковой наплавки деталей машин, например, таких как коленчатые валы автомобилей, клапаны, седла, распредвалы, детали запорной арматуры, лопатки турбин разного назначения и роторы.

Роботизированный станок (рис. 6) для восстановления роторов газоперекачивающих турбин был разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию в 2008 г. на одном из предприятий г. Оренбурга, выполняющих ремонтные работы для ОАО «Газпром».

Рис. 6. Роботизированный станок лазерного восстановления изношенных поверхностей.

Станок состоит из оптоволоконного лазера, мощность которого определяется поставленными задачами и может варьироваться от 300 Вт до 5 кВт; робота грузоподъемностью до 30 кг, установленного на платформу с приводом, которая с помощью реечной передачи через редуктор движется по направляющим на расстояние до 7 м вдоль вращателя. На робот установлен питатель порошка, и через систему шлангов порошок подается в зону наплавки, где под воздействием луча расплавляется на поверхности изделия, подлежащего восстановлению. Вращатель состоит из патрона, который движется от привода с редуктором, люнета и конусной опоры. Все элементы вращателя по направляющим раздвигаются в разные стороны до 7 м. Его грузоподъемность может быть от 500 до 10 т.

Лазерная наплавка позволяет увеличить ресурс деталей в 1,5–3 раза в сопоставлении с новыми валами, которые идут без наплавки.

4. Лазерная технология поверхностного термоупрочнения деталей машин

Лазерное поверхностное упрочнение деталей машин из сталей, алюминиевых сплавов, из специальных жаростойких и жаропрочных сплавов и т. д. придает упрочненной поверхности повышенную износостойкость в различных условиях эксплуатации.

Оборудование по упрочнению червяка редуктора лифта

Так, упрочненные поверхности лучом лазера червячной передачи редуктора лифта позволяет увеличить срок эксплуатации редуктора не менее чем в 2,5 раза. Данная технология с оборудованием (рис. 7) поставлена в 1992 г. на Могилевский лифтостроительный завод и успешно работает до настоящего времени.

                      а)               б)
Рис. 7. Оборудование по лазерному упрочнению червяка редуктора лифта: а — внешний вид оборудования, состоящего из лазера ТЛ‑2,5 и станка для вращения редуктора и перемещения луча лазера вдоль обрабатываемой поверхности; б — внешний вид упрочненного стального червяка редуктора.
 

Применение поверхностного лазерного упрочнения цилиндра двигателя внутреннего сгорания локомотива

Увеличение срока эксплуатации различных деталей железнодорожного транспорта является важнейшей задачей, в которой лазерные технологии уже показали довольно заметные свои перспективы. В частности, лазерное упрочнение гильзы цилиндра (рис. 8) позволило в четыре раза увеличить ресурс ее работы совместно с поршневой группой. Маневровые локомотивы с упрочненными лазером гильзами, поставленные в Германию, в течение 20 лет эксплуатации показали лучшие характеристики в сопоставлении с локомотивами, изготовленными фирмами Германии и Англии.

Рис. 8. Гильза цилиндра, упрочненная лазером.

Другим удачным применением лазерного упрочнения является проведенная совместно с ВНИИЖТ работа по термоупрочнению железнодорожных колес, которые были испытаны на пассажирском поезде по маршруту Москва — Владивосток. Ресурс эксплуатации железнодорожных колес в среднем был увеличен более чем в три раза.

Потенциал по лазерному термоупрочнению чрезвычайно велик и в других отраслях, таких, как аэрокосмическая техника, автомобилестроение, металлургия, сельхозмашино-строение и т. д.

А. Н. Грезев, В. А. Грезев
ООО «НПО Лазерный технологический центр»
+7 985 776 25 11, lasergd@mail.ru
www. Lasercentr.ru