1. Технически принципи и основен процес
Лазерното закаляване е все по-разпространен метод за повърхностна обработка във фабриките през последните години. Казано по-просто, това включва използване на високо-енергиен лазерен лъч за бързо облъчване на повърхността на метална част, нагряване на много тънък слой от металната повърхност до много висока температура за изключително кратко време, след което се разчита на самата част да се охлади бързо, като по този начин прави повърхността много твърда и -устойчива на износване.
Този процес всъщност има прилики с традиционното закаляване; и двете получават твърда микроструктура чрез бързо охлаждане. Лазерното закаляване обаче има свои собствени характеристики: то загрява само много тънък повърхностен слой, оставяйки вътрешността на частта до голяма степен незасегната, което води до много малка деформация. Освен това лазерният лъч може да се движи гъвкаво и може да обработва части със сложни форми, което е трудно постижимо за традиционните методи за закаляване.
2. Как работи лазерното охлаждане
Когато лазерен лъч удари метална повърхност, енергията се абсорбира от метала и температурата на повърхността се повишава бързо. За обикновената стомана температурата трябва да надвишава 800 градуса по Целзий, при което микроструктурата на стоманата се трансформира в аустенит. В този момент лазерният лъч се отдалечава и топлината бързо се отвежда в студения вътрешен основен материал със скорост на охлаждане, която може да достигне десетки хиляди градуса по Целзий в секунда. При такова бързо охлаждане аустенитът се превръща в твърд мартензит.
Има няколко ключови момента в този процес: скоростта на нагряване трябва да бъде достатъчно висока, така че основният материал да няма време да се нагрее; скоростта на охлаждане също трябва да бъде достатъчно висока, за да се получи фина мартензитна микроструктура. Лазерното закаляване може точно да отговори на тези изисквания. Той може да завърши нагряването в рамките на хилядна от секундата, след което разчита на собственото бързо разсейване на топлината на основния материал.
3. Основни характеристики на лазерното охлаждане
Малкото изкривяване е най-очевидното предимство на лазерното охлаждане. Тъй като се нагрява само тънък повърхностен слой, общата промяна на температурата на частта е минимална, което води до ниско термично напрежение. Следователно размерът на изкривяването обикновено е само една-десета от традиционното охлаждане. Това е особено важно за прецизните части.
Високата твърдост е друга характеристика. Бързото лазерно нагряване и охлаждане създава много фина мартензитна микроструктура. Тази микроструктура е по-фина от тази, получена при конвенционално закаляване, а също и по-твърда. Например за стомана 45 конвенционалната твърдост на закаляване е около 55 HRC, докато лазерното закаляване може да постигне 60-65 HRC.
Добрата селективност дава значително предимство на лазерното охлаждане. Лазерният лъч може прецизно да контролира облъчваната зона, като третира само частите, които се нуждаят от закаляване. Например повърхностите на зъбите на зъбните колела или работните повърхности на водещите релси могат да бъдат закалени, докато други области остават непроменени.
Заслужава да се отбележи и висока степен на автоматизация. Целият процес на охлаждане може да се контролира от компютър, със стабилни параметри и добра повторяемост, подходящи за масово производство.
4. Контрол на процеса за лазерно охлаждане
За да се извърши добре лазерното закаляване, трябва да се контролират няколко ключови параметъра.
Мощността на лазера определя количеството вложена енергия. Ако мощността е твърде ниска, температурата на повърхността няма да отговаря на изискванията; ако е твърде висока, може да изгори повърхността. Обикновено се избира въз основа на вида на материала и изискванията за дълбочина на втвърдяване, като обикновено варира между 500-5000 вата.
Скоростта на сканиране се отнася до скоростта на движение на лазерния лъч. Ако скоростта е твърде ниска, се натрупва прекомерна топлина, което потенциално засяга основния материал; ако е твърде бързо, нагряването е недостатъчно и микроструктурната трансформация е непълна. Този параметър трябва да се регулира във връзка с мощността.
Размерът на петното влияе върху енергийната плътност и ширината на втвърдената лента. Малко петно означава концентрирана енергия, което води до дълбок, но тесен втвърден слой; голямо петно означава широка втвърдена лента, но плитък слой. При практически приложения трябва да се избира въз основа на формата на детайла и изискванията за втвърдяване.
Коефициентът на припокриване трябва да се има предвид при третиране на големи площи. За да покрие цялата област, траекториите на сканиране на лазерния лъч трябва да се припокриват частично. Твърде малкото припокриване оставя невтвърдени зони; твърде голямото припокриване може да причини омекване при темпериране. Като цяло е подходящо да се контролира между 10-30%.
5. Ключови точки за обработка на различни материали
Различните материали реагират по различен начин на лазерно закаляване, което изисква различни процеси.
Средно{0}}въглеродните стомани са сред най-подходящите материали за лазерно охлаждане. Материали като стомана 45 и 40Cr имат умерено съдържание на въглерод, могат да постигнат висока твърдост след закаляване и са по-малко склонни към напукване. По време на обработката плътността на мощността може да бъде съответно по-висока и скоростта на сканиране също може да бъде по-бърза.
Инструменталните стомани като Cr12MoV, H13 и т.н. имат по-добра закаляемост поради наличието на легиращи елементи. Лазерното закаляване може да постигне по-дълбок втвърден слой, но трябва да се обърне внимание на контролирането на температурата на нагряване, за да се избегне прегряване.
Чугунените материали също могат да бъдат подложени на лазерно закаляване. Въпреки това, поради наличието на графит, е необходимо специално внимание при обработката. Силата не може да бъде твърде висока, в противен случай графитът ще се разложи и ще създаде пори. Обикновено първо е необходима предварителна обработка на повърхността, за да се подобри лазерната абсорбция.
Цветните метали, като алуминиеви сплави, титанови сплави и др., показват по-малко очевидни ефекти от лазерното закаляване в сравнение със стоманата, но все пак могат да постигнат известен ефект на укрепване. По време на обработката е необходим по-прецизен контрол на параметрите.
6. Значение на предварителната обработка на повърхността
Много метални материали имат висока отразяваща способност за лазери, особено материали като алуминий и мед, където се отразява повечето лазерна енергия. За да се подобри ефективността на абсорбиране на лазерната енергия, е необходима повърхностна обработка преди закаляването.
Третирането с фосфатиране е често използван метод. На повърхността се образува слой от фосфатно покритие, което добре абсорбира лазерната енергия. След обработка с фосфатиране степента на абсорбция на стомана от лазер може да се увеличи от около 30% до над 70%.
Покриването със светлина{0}}поглъщаща боя също е много разпространено. На пазара има бои, специално предназначени за лазерна топлинна обработка. Тънък слой, покрит върху повърхността, може значително да подобри абсорбцията. Тези бои изгарят по време на процеса на охлаждане и не остават на повърхността.
Грапавостта на повърхността също може да подобри абсорбцията. Методи като пясъкоструене правят повърхността грапава, увеличавайки абсорбцията на лазера. Имайте предвид обаче, че грапавостта трябва да е подходяща; твърде грубата може да повлияе на качеството на повърхността.
7. Ключови точки за конфигурация на оборудването
Системата за лазерно охлаждане включва главно лазер, система за движение, система за охлаждане и система за управление.
Лазерът е основният компонент. Влакнестите лазери и полупроводниковите лазери се използват често поради тяхната висока електро-ефективност на оптично преобразуване и относително лесна поддръжка. Изборът на мощност зависи от производствените нужди. Обикновено около 1000 вата са достатъчни за малки части, докато големите части може да изискват над 3000 вата.
Системата за движение управлява относителното движение между лазерната глава и детайла. Има видове движещи се работни маси, типове движещи се лазерни глави и видове роботизирани ръце. Изборът зависи от размера и формата на частта. Сложните извити повърхности обикновено изискват много{3}}системи за свързване на осите.
Охладителната система е много важна. Самият лазер се нуждае от охлаждане, а детайлът също изисква подходящо охлаждане по време на охлаждане. Обикновено се използва водно охлаждане, което осигурява стабилен поток и температура на охлаждащата вода.
Контролната система вече се-управлява от компютър. Той може да съхранява множество набори от параметри на процеса за директно извикване по време на работа. Една добра система за контрол може също така да наблюдава параметрите на процеса в реално време и автоматично да ги коригира, за да осигури постоянно качество.
