1. Tehnična načela in osnovni postopek
Lasersko kaljenje je zadnja leta vse pogostejša metoda površinske obdelave v tovarnah. Preprosto povedano, vključuje uporabo visoko{1}}energetskega laserskega žarka za hitro obsevanje površine kovinskega dela, segrevanje zelo tanke plasti kovinske površine na zelo visoko temperaturo v izjemno kratkem času, nato pa se zanaša na to, da se del sam hitro ohladi, zaradi česar je površina zelo trda in-odporna na obrabo.
Ta postopek je dejansko podoben tradicionalnemu kaljenju; oba pridobita trdo mikrostrukturo s hitrim ohlajanjem. Vendar pa ima lasersko kaljenje svoje lastne značilnosti: segreje le zelo tanko površinsko plast, pri čemer ostane notranjost dela večinoma nedotaknjena, kar povzroči zelo majhno popačenje. Poleg tega se lahko laserski žarek premika prožno in lahko obdeluje dele s kompleksnimi oblikami, kar je težko doseči s tradicionalnimi metodami kaljenja.
2. Kako deluje lasersko kaljenje
Ko laserski žarek zadene kovinsko površino, kovina absorbira energijo in površinska temperatura hitro naraste. Za običajno jeklo mora temperatura preseči 800 stopinj Celzija, pri kateri se mikrostruktura jekla spremeni v avstenit. V tem trenutku se laserski žarek odmakne in toplota se hitro prevaja v hladen notranji osnovni material s hitrostjo ohlajanja, ki lahko doseže več deset tisoč stopinj Celzija na sekundo. Pri tako hitrem ohlajanju se avstenit spremeni v trdi martenzit.
V tem procesu je več ključnih točk: stopnja segrevanja mora biti dovolj visoka, da osnovni material nima časa za segrevanje; tudi hitrost ohlajanja mora biti dovolj visoka, da dobimo fino martenzitno mikrostrukturo. Lasersko kaljenje lahko natančno izpolni te zahteve. Lahko dokonča segrevanje v tisočinki sekunde, nato pa se zanaša na lastno hitro odvajanje toplote osnovnega materiala.
3. Glavne značilnosti laserskega kaljenja
Majhna distorzija je najbolj očitna prednost laserskega dušenja. Ker se segreje le tanka površinska plast, je skupna temperaturna sprememba dela minimalna, kar povzroči nizko toplotno obremenitev. Zato je količina popačenja običajno le ena-desetina običajnega kaljenja. To je še posebej pomembno za natančne dele.
Visoka trdota je še ena značilnost. Hitro lasersko segrevanje in hlajenje povzroči zelo fino martenzitno mikrostrukturo. Ta mikrostruktura je finejša od tiste, pridobljene s konvencionalnim kaljenjem, in tudi trša. Na primer, za jeklo 45 je običajna trdota kaljenja približno 55 HRC, medtem ko lahko lasersko kaljenje doseže 60-65 HRC.
Dobra selektivnost daje laserskemu kaljenju pomembno prednost. Laserski žarek lahko natančno nadzoruje obsevano območje in obdeluje le dele, ki jih je treba utrditi. Na primer, površine zob zobnikov ali delovne površine vodilnih tirnic se lahko utrdijo, medtem ko ostala področja ostanejo nespremenjena.
Omeniti velja tudi visoko stopnjo avtomatizacije. Celoten proces kaljenja je mogoče nadzorovati z računalnikom, s stabilnimi parametri in dobro ponovljivostjo, primerno za množično proizvodnjo.
4. Nadzor procesa za lasersko kaljenje
Za dobro izvedbo laserskega kaljenja je treba nadzorovati več ključnih parametrov.
Moč laserja določa količino vhodne energije. Če je moč prenizka, površinska temperatura ne bo ustrezala zahtevam; če je previsoka, lahko opeče površino. Na splošno se izbere glede na vrsto materiala in zahteve glede globine utrjevanja, ki se običajno gibljejo med 500-5000 vatov.
Hitrost skeniranja se nanaša na hitrost gibanja laserskega žarka. Če je hitrost prepočasna, se prekomerno segreje, kar lahko vpliva na osnovni material; če je prehitro, je segrevanje nezadostno in mikrostrukturna transformacija nepopolna. Ta parameter je treba prilagoditi v povezavi z močjo.
Velikost točke vpliva na energijsko gostoto in širino utrjenega pasu. Majhna lisa pomeni koncentrirano energijo, rezultat pa je globoka, a ozka utrjena plast; velika lisa pomeni širok utrjen trak, a plitko plast. V praktičnih aplikacijah ga je treba izbrati glede na obliko dela in zahteve glede utrjevanja.
Pri obdelavi velikih površin je treba upoštevati razmerje prekrivanja. Za pokrivanje celotnega območja se morajo poti skeniranja laserskega žarka delno prekrivati. Premajhno prekrivanje pušča neutrjene cone; preveč prekrivanja lahko povzroči mehčanje pri temperiranju. Na splošno je primeren nadzor nad 10-30 %.
5. Ključne točke obdelave za različne materiale
Različni materiali se različno odzivajo na lasersko kaljenje, zato so potrebni različni postopki.
Srednje{0}}ogljična jekla so med najprimernejšimi materiali za lasersko kaljenje. Materiali, kot sta jeklo 45 in 40Cr, imajo zmerno vsebnost ogljika, po kaljenju lahko dosežejo visoko trdoto in so manj nagnjeni k pokanju. Med obdelavo je lahko gostota moči primerno večja, hitrost skeniranja pa je lahko tudi večja.
Orodna jekla, kot so Cr12MoV, H13 itd., imajo boljšo kaljivost zaradi prisotnosti legirnih elementov. Lasersko kaljenje lahko doseže globljo utrjeno plast, vendar je treba posvetiti pozornost nadzoru temperature segrevanja, da se prepreči pregrevanje.
Materiale iz litega železa je mogoče tudi lasersko kaliti. Vendar pa je zaradi prisotnosti grafita potrebna posebna pozornost pri obdelavi. Moč ne sme biti previsoka, sicer se grafit razgradi in ustvari pore. Na splošno je za izboljšanje laserske absorpcije najprej potrebna predobdelava površine.
Barvne-kovine, kot so aluminijeve zlitine, titanove zlitine itd., kažejo manj očitne učinke laserskega kaljenja v primerjavi z jeklom, vendar lahko še vedno dosežejo določen učinek utrjevanja. Med obdelavo je potrebna natančnejša kontrola parametrov.
6. Pomen predobdelave površine
Številni kovinski materiali imajo visoko odbojnost za laserje, zlasti materiali, kot sta aluminij in baker, kjer se odbije večina laserske energije. Za izboljšanje učinkovitosti absorpcije laserske energije je pred kaljenjem potrebna površinska obdelava.
Fosfatiranje je pogosto uporabljena metoda. Na površini se oblikuje plast fosfatne prevleke, ki dobro absorbira lasersko energijo. Po obdelavi s fosfatiranjem se lahko stopnja absorpcije jekla na laser poveča s približno 30 % na več kot 70 %.
Zelo pogost je tudi premaz z-barvo, ki absorbira svetlobo. Na trgu so barve, ki so posebej zasnovane za lasersko toplotno obdelavo. Tanka plast premaza na površini lahko znatno izboljša absorpcijo. Te barve med kaljenjem izgorejo in ne ostanejo na površini.
Površinska hrapavost lahko izboljša tudi absorpcijo. Metode, kot je peskanje, naredijo površino grobo, kar poveča absorpcijo laserja. Vendar upoštevajte, da mora biti hrapavost primerna; pregroba lahko vpliva na kakovost površine.
7. Ključne točke za konfiguracijo opreme
Sistem za lasersko gašenje v glavnem vključuje laser, sistem gibanja, hladilni sistem in nadzorni sistem.
Laser je glavna komponenta. Vlakneni laserji in polprevodniški laserji se zdaj pogosto uporabljajo zaradi visoke učinkovitosti elektro-optične pretvorbe in razmeroma enostavnega vzdrževanja. Izbira moči je odvisna od proizvodnih potreb. Na splošno približno 1000 vatov zadostuje za majhne dele, medtem ko lahko veliki deli zahtevajo več kot 3000 vatov.
Sistem gibanja skrbi za relativno gibanje med lasersko glavo in obdelovancem. Obstajajo tipi premikajočih se delovnih miz, tipi premikajočih se laserskih glav in tipi robotskih rok. Izbira je odvisna od velikosti in oblike dela. Kompleksne ukrivljene površine običajno zahtevajo več{3}}sisteme povezovanja.
Hladilni sistem je zelo pomemben. Sam laser potrebuje hlajenje, obdelovanec pa tudi ustrezno hlajenje med kaljenjem. Na splošno se uporablja vodno hlajenje, ki zagotavlja stabilen pretok in temperaturo hladilne vode.
Nadzorni sistem je zdaj računalniško-nadzorovan. Lahko shrani več sklopov procesnih parametrov za neposreden priklic med delovanjem. Dober nadzorni sistem lahko tudi spremlja procesne parametre v realnem času in jih samodejno prilagaja, da zagotovi dosledno kakovost.
