CC BY
34
УДК 629.7.036:621.373
Г. И. Пейчев, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, Б. И. Шапар, Н. П. Кришталь
ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО МАРКИРОВАНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ГТД
В статье рассмотрены возможности лазерного маркирования при изготовлении деталей газотурбинных двигателей, а также влияние лазерного луча на поверхностный слой.
Высокие технологии определяют уровень выпускаемой продукции, ее конкурентоспособность и эффективность всей производственной деятельности. К высоким технологиям, прежде всего, относятся новейшие методы обработки материалов, разработанные на базе последних достижений науки и, в частности, лазерная технология.
Маркирование деталей, узлов и изделий является важным процессом в современном производстве. Маркировка на всех этапах производства необходима для контроля качества, просле-живаемости и идентификации продукции.
При производстве и ремонте газотурбинных двигателей на ГП «Ивченко-Прогресс» используется большая номенклатура традиционных процессов маркирования с нарушением и ненарушением поверхностного слоя детали (электрохимическое маркирование, виброкарандаш, ударный способ, литье, штамповка, нанесение краски и др.). Метод маркирования выбирается в зависимости от назначения детали, но одним из основных требований к надписи является четкость, контрастность, различимость мелких шрифтов.
Методы, не нарушающие поверхностный слой, такие как нанесение краски, маркирование бирки, увеличивают ресурс детали. Ограниченное применение данных методов объясняется их недостатками и, прежде всего, малой сохраняемостью информации. А использование электрохимического клеймения связано с большими организационными работами. Методы, нарушающие поверхностный слой — ударный, виброкарандаш, и др. могут влиять на усталостную прочность деталей, и, следовательно, снижать ресурс.
Современное производство требует высоко -технологичных методов маркировки — гибких, скоростных, не оказывающих влияние на свойства маркируемых деталей. Из существующих на сегодняшний день методов, лазерная технология — наиболее современный и технологичный метод, обладающий гибкостью, возможностью управлять инструментом — лазерным лучом во времени и пространстве, а также точно дозировать и регулировать мощность и энергию излучения. Ранее, в применении лазерного маркирования существовали ограничения, так как лазерное излучение оказывает термическое воздействие на материал;
широкие возможности совершенствования процесса и расширения области применения появились благодаря созданию импульсно-периодических лазеров, обеспечивающих малую длительность импульса и высокую частоту следования импульса.
Метод лазерного маркирования — бесконтактный, обеспечивающий минимальное загрязнение зоны обработки, возможность выполнения как глубокого клеймения (глубина до 0,2 мм), так и без нарушения поверхностного слоя (образование окисных пленок глубиной до 0,005 мм) для определенных материалов, кроме того, отсутствует механическое воздействие инструмента на материал, нет вибраций, электрических и других паразитных воздействий, нет необходимости в дорогостоящих штампах и трафаретах.
Работы проводились на лазерном оборудовании производства фирм ЛВТ и «Сканер» (г.П Черкассы) — лазерном маркировочном комплексе OptiScan 100/200Z.
Активный элемент лазера — алюмоиттриевый гранат (YAG), обеспечивает длину волны лазерного излучения — 1064 нм. Импульс светового излучения большой плотности и интенсивности фокусируется на поверхности обрабатываемой детали, что вызывает локальный разогрев, плавление и частичное испарение материала при минимальном термомеханическом воздействии на маркируемое изделие. Высокая плотность мощности сфокусированного лазерного луча при лазерном маркировании позволяет наносить знаки на различные материалы, в том числе и на труднообрабатываемые, при этом обеспечивая высокую степень разрешения и качество знаков.
Основной целью нашей работы является требование минимального нарушения поверхностного слоя деталей при лазерном маркировании для обеспечения ресурса и надежности изделий, соблюдая при этом требование глубины маркирования — она не должна превышать глубину при традиционных способах, указанных в конструкторской документации (электрохимический способ, механическое гравирование и другие).
Рассмотрим факторы, оказывающие наибольшее влияние на качество маркировок.
1. Длительность импульса. Доля жидкой фазы находится в прямой зависимости от длительнос-
© Г. И. Пейчев, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, Б. И. Шапар, Н. П. Кришталь, 2009 — 116 —
ти импульса. Одновременно чрезмерная длительность импульса за счет увеличения толщины прогретого слоя приводит к значительным изменениям структуры и свойств материала в зоне, непосредственно прилегающей к зоне обработки. Длительность импульса и частота следования подбираются таким образом, чтобы объем жидкой фазы был минимальным (длительность импульса 3......7 мс, частота модуляции 10......18 кГц).
2. Энергия накачки активного элемента лазера. Так как увеличение энергии накачки приводит к последовательному возбуждению генерации мод все более высоких порядков, то более низкий уровень энергии накачки позволяет максимально приблизить распределение интенсивности излучения по сечению выходного луча к виду гауссовой кривой, и, следовательно, получить стабильный процесс (ток накачки 21......23 А).
3. Рабочая скорость. С увеличением скорости маркирования уменьшается толщина прогретого слоя. Однако в нашем случае скорость оказывает не столь существенное влияние.
4. Для получения более стабильного процесса в данном комплексе имеется функция подавления первого импульса.
Были проведены исследовательские работы по применению лазерного маркирования на деталях из жаропрочных деформируемых сплавов взамен электрохимического и механического гравирования. Проведенные металлографические исследования образцов показали следующее (рис. 1-8):
Образцы из сплава ЭП718-ИД
Рис. 1. Внешний вид маркировки
1
«г
Рис. 2. Изменения в микроструктуре материала
Полученная маркировка имеет четкие границы, надписи выделяются на поверхности за счет формирования четкого рельефа. Глубина микронеровностей с измененным слоем составляет 0,002......0,01 мм.
Образцы из сплава ЭИ698-ВД
I
Рис. 3. Внешний вид маркировки
Рис. 4. Изменения в микроструктуре материала
Полученная маркировка имеет четкие очертания, в зоне маркирования сохранен исходный рельеф поверхности. Формирование клейм происходит за счет образования окисных пленок темно-коричневого цвета. Глубина измененного слоя составляет 0,005......0,01 мм.
Образцы из сплава ЭП742-ИД
+
^ ■
Рис. 5. Внешний вид маркировки
I II Г ■
Рис. 6. Изменения в микроструктуре материала
В зоне маркировок сохранен исходный рельеф поверхности, подобно образцам из сплава ЭИ698-ВД. Формирование клейм происходит за счет образования окисных пленок темно-коричневого цвета. Глубина измененного слоя составляет 0,0025......0,01 мм.
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
- 117 -
Образцы из сплава ВЖЛ12Э-ВИ
Рис. 7. Внешний вид маркировки
Рис. 8. Изменения в микроструктуре материала
Полученная маркировка имеет четкие границы, надписи выделяются на поверхности за счет формирования четкого рельефа. Шероховатость
исходной поверхности ~ 0,025......0,035 мм. При этом
глубина маркирования 0,01...0,015 мм, в том числе глубина измененного слоя 0,005...0,01 мм.
В настоящее время ведутся исследовательские работы по применению лазерного маркирования на деталях из жаропрочных сплавов взамен электрохимического маркирования и меха-
нического гравирования. На данных материалах для объективной рекомендации к выбору какого-либо метода маркирования необходимо сравнивать их между собой с позиции концентрации напряжений, необходимо проведение испытаний на усталостную прочность и металлографических исследований.
Постоянное увеличение номенклатуры изготавливаемых деталей требует постоянного совершенствования процессов, максимальной замены традиционных методов маркирования лазерным маркированием, благодаря более широким технологическим возможностям, и, следовательно, продолжения работ по расширению номенклатуры маркируемых материалов.
Перечень ссылок
1. Григорьянц А. Г. Технологические процессы лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с.
2. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / [Братухин А. Г., Язов Г. К., Карасев Б. Е. идр.] ; под ред. А. Г. Брату-хина. — М. : Машиностроение, 1997. — 416 с.
3. Рыкалин Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов : справочник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. Н. Кокора. — М. : Машиностроение, 1985. — 496 с.
Поступила в редакцию 12.02.2008
У cmammi розглянуто MOMmueocmi лазерного маркування при виготовленш деталей газотурбшних двигунiв, а також вплив лазерного променя на поверхневий шар деталей.
The article focuses on the feasibility of laser identification when manufacturing gas turbine engine components, and the laser beam effect on a surface layer as well
