1. Технічні принципи та основний процес
Останнім часом лазерне гартування стає все більш поширеним методом обробки поверхні на заводах. Простіше кажучи, це передбачає використання високо-енергетичного лазерного променя для швидкого опромінення поверхні металевої частини, нагрівання дуже тонкого шару металевої поверхні до дуже високої температури за надзвичайно короткий час, а потім покладання на саму деталь для швидкого охолодження, завдяки чому поверхня стає дуже твердою та -стійкою до зношування.
Цей процес насправді має подібність до традиційного гасіння; обидва отримують тверду мікроструктуру завдяки швидкому охолодженню. Однак лазерне гартування має свої особливості: воно нагріває лише дуже тонкий поверхневий шар, залишаючи внутрішню частину деталі практично незмінною, що призводить до дуже незначних спотворень. Крім того, лазерний промінь може рухатися гнучко та може обробляти деталі складної форми, чого важко досягти традиційними методами загартування.
2. Як працює лазерне гасіння
Коли лазерний промінь потрапляє на металеву поверхню, метал поглинає енергію, і температура поверхні швидко зростає. Для звичайної сталі температура повинна перевищувати 800 градусів за Цельсієм, у цей момент мікроструктура сталі перетворюється на аустеніт. У цей момент лазерний промінь віддаляється, і тепло швидко передається холодному внутрішньому базовому матеріалу зі швидкістю охолодження, яка може досягати десятків тисяч градусів Цельсія на секунду. При такому швидкому охолодженні аустеніт перетворюється на твердий мартенсит.
У цьому процесі є кілька ключових моментів: швидкість нагрівання повинна бути досить високою, щоб матеріал основи не встигав нагрітися; швидкість охолодження також повинна бути достатньо високою для отримання дрібної мартенситної мікроструктури. Лазерне гасіння може точно відповідати цим вимогам. Він може завершити нагрівання протягом тисячних часток секунди, а потім покладатися на власне швидке розсіювання тепла основного матеріалу.
3. Основні характеристики лазерного гасіння
Невелике спотворення є найбільш очевидною перевагою лазерного гасіння. Оскільки нагрівається лише тонкий поверхневий шар, загальна зміна температури деталі мінімальна, що призводить до низького термічного навантаження. Тому ступінь викривлення зазвичай становить лише одну-десяту від традиційного гасіння. Це особливо важливо для точних деталей.
Висока твердість - ще одна характеристика. Швидке лазерне нагрівання та охолодження створює дуже тонку мартенситну мікроструктуру. Ця мікроструктура більш тонка, ніж та, отримана в результаті звичайного загартування, а також твердіша. Наприклад, для сталі 45 звичайна твердість загарту становить близько 55 HRC, тоді як загартування лазером може досягати 60-65 HRC.
Хороша селективність дає значну перевагу лазерного гасіння. Лазерний промінь може точно контролювати опромінену ділянку, обробляючи лише ті частини, які потребують зміцнення. Наприклад, поверхні зубів шестерень або робочі поверхні напрямної рейки можуть бути загартовані, а інші ділянки залишаються незмінними.
Також варто відзначити високий ступінь автоматизації. Весь процес гартування можна контролювати за допомогою комп’ютера, зі стабільними параметрами та хорошою повторюваністю, що підходить для масового виробництва.
4. Контроль процесу лазерного гасіння
Для якісного лазерного гасіння необхідно контролювати кілька ключових параметрів.
Потужність лазера визначає кількість вхідної енергії. Якщо потужність занадто низька, температура поверхні не відповідатиме вимогам; якщо занадто високо, це може обпалити поверхню. Як правило, він вибирається на основі типу матеріалу та вимог до глибини загартування, як правило, в межах 500-5000 Вт.
Швидкість сканування означає швидкість руху лазерного променя. Якщо швидкість надто повільна, накопичується надмірне тепло, що потенційно може вплинути на основний матеріал; якщо занадто швидко, нагрівання недостатнє, і мікроструктурна трансформація неповна. Цей параметр необхідно регулювати в поєднанні з потужністю.
Розмір плями впливає на щільність енергії та ширину зміцненої смуги. Маленька пляма означає концентровану енергію, що призводить до глибокого, але вузького затверділого шару; велика пляма означає широку затверділу смугу, але неглибокий шар. У практичних застосуваннях його слід вибирати на основі форми деталі та вимог до зміцнення.
При обробці великих площ необхідно враховувати коефіцієнт перекриття. Щоб охопити всю область, шляхи сканування лазерного променя повинні частково перекриватися. Занадто малий нахлест залишає незатверділі зони; занадто велике перекриття може призвести до розм'якшення відпуску. Як правило, доцільно контролювати його в межах 10-30%.
5. Ключові моменти обробки різних матеріалів
Різні матеріали по-різному реагують на лазерне гасіння, вимагаючи різних процесів.
Серед{0}}вуглецеві сталі є одними з найбільш придатних матеріалів для лазерного гарту. Такі матеріали, як сталь 45 і 40Cr, мають помірний вміст вуглецю, можуть досягти високої твердості після загартування та менш схильні до розтріскування. Під час обробки щільність потужності може бути відповідно вищою, а швидкість сканування також може бути вищою.
Інструментальні сталі, такі як Cr12MoV, H13 тощо, мають кращу прогартовуваність завдяки наявності легуючих елементів. Лазерне гартування може досягти глибшого загартованого шару, але слід приділяти увагу контролю температури нагрівання, щоб уникнути перегріву.
Чавунні матеріали також можуть піддаватися лазерному гарту. Однак через наявність графіту необхідна особлива увага під час обробки. Потужність не може бути занадто високою, інакше графіт буде розкладатися і створювати пори. Як правило, спочатку потрібна попередня обробка поверхні, щоб покращити поглинання лазера.
-Кольорові метали, як-от алюмінієві сплави, титанові сплави тощо, демонструють менш очевидний вплив лазерного гарту порівняно зі сталлю, але все ж можуть досягти певного ефекту зміцнення. При обробці необхідний більш точний контроль параметрів.
6. Важливість попередньої обробки поверхні
Багато металевих матеріалів мають високу відбивну здатність для лазерів, особливо такі матеріали, як алюміній і мідь, від яких відбивається більшість лазерної енергії. Щоб підвищити ефективність поглинання лазерної енергії, необхідна обробка поверхні перед загартуванням.
Обробка фосфатуванням є широко використовуваним методом. На поверхні утворюється шар фосфатного покриття, яке добре поглинає енергію лазера. Після обробки фосфатуванням ступінь поглинання сталі лазером може збільшитися приблизно з 30% до понад 70%.
Покриття фарбою,-що поглинає світло, також дуже поширене. На ринку є фарби, спеціально розроблені для лазерної термообробки. Тонкий шар покриття на поверхні може значно покращити поглинання. Ці фарби в процесі гасіння вигорають і не залишаються на поверхні.
Шорсткість поверхні також може покращити поглинання. Такі методи, як піскоструминна обробка, роблять поверхню шорсткою, збільшуючи поглинання лазера. Однак зверніть увагу, що шорсткість повинна бути відповідною; занадто шорстка може вплинути на якість поверхні.
7. Ключові моменти конфігурації обладнання
Система лазерного гасіння в основному включає лазер, систему руху, систему охолодження та систему керування.
Лазер є основним компонентом. Волоконні лазери та напівпровідникові лазери зараз широко використовуються через їхню високу електро-ефективність оптичного перетворення та відносно просте обслуговування. Вибір потужності залежить від потреб виробництва. Як правило, близько 1000 Вт достатньо для дрібних деталей, тоді як для великих деталей може знадобитися понад 3000 Вт.
Система руху керує відносним рухом між лазерною головкою та деталлю. Існують типи рухомих робочих столів, типи рухомих лазерних головок і типи роботизованих рук. Вибір залежить від розміру та форми деталі. Для складних криволінійних поверхонь зазвичай потрібні багато{3}}системи з’єднання.
Дуже важлива система охолодження. Сам лазер потребує охолодження, а заготовка також потребує відповідного охолодження під час загартування. Зазвичай використовується водяне охолодження, що забезпечує стабільний потік і температуру охолоджувальної води.
Тепер системою керування керує-комп’ютер. Він може зберігати кілька наборів параметрів процесу для прямого виклику під час роботи. Хороша система керування також може контролювати параметри процесу в режимі реального часу та автоматично регулювати їх для забезпечення стабільної якості.
