1. Principii tehnice și proces de bază
Călirea cu laser este o metodă de tratare a suprafețelor din ce în ce mai comună în fabrici în ultimii ani. Mai simplu spus, implică utilizarea unui fascicul laser de-energie mare pentru a iradia rapid suprafața unei piese metalice, încălzirea unui strat foarte subțire al suprafeței metalice la o temperatură foarte ridicată într-un timp extrem de scurt, apoi bazându-ne pe piesa în sine să se răcească rapid, făcând astfel suprafața foarte dura-și rezistentă la uzură.
Acest proces are de fapt asemănări cu stingerea tradițională; ambele obțin o microstructură dură prin răcire rapidă. Cu toate acestea, stingerea cu laser are propriile sale caracteristici: încălzește doar un strat de suprafață foarte subțire, lăsând interiorul piesei în mare parte neafectat, rezultând o distorsiune foarte mică. În plus, fasciculul laser se poate mișca flexibil și poate trata piese cu forme complexe, ceea ce este dificil de realizat pentru metodele tradiționale de stingere.
2. Cum funcționează stingerea cu laser
Când un fascicul laser lovește o suprafață metalică, energia este absorbită de metal, iar temperatura suprafeței crește rapid. Pentru oțelul obișnuit, temperatura trebuie să depășească 800 de grade Celsius, moment în care microstructura oțelului se transformă în austenită. În acest moment, fasciculul laser se îndepărtează, iar căldura este condusă rapid în materialul de bază intern rece la o viteză de răcire care poate atinge zeci de mii de grade Celsius pe secundă. Sub o astfel de răcire rapidă, austenita se transformă în martensită dură.
Există mai multe puncte cheie în acest proces: viteza de încălzire trebuie să fie suficient de rapidă, astfel încât materialul de bază să nu aibă timp să se încălzească; viteza de răcire trebuie să fie de asemenea suficient de rapidă pentru a obține o microstructură martensitică fină. Călirea cu laser poate îndeplini cu precizie aceste cerințe. Poate finaliza încălzirea într-o miime de secundă, apoi se bazează pe disiparea rapidă a căldurii proprie a materialului de bază.
3. Principalele caracteristici ale stingerii cu laser
Mica distorsiune este cel mai evident avantaj al stingerii cu laser. Deoarece este încălzit doar un strat subțire de suprafață, modificarea generală a temperaturii piesei este minimă, rezultând o solicitare termică scăzută. Prin urmare, cantitatea de distorsiune este, de obicei, de doar o-zecime față de stingerea tradițională. Acest lucru este deosebit de important pentru piesele de precizie.
Duritatea ridicată este o altă caracteristică. Încălzirea și răcirea rapidă cu laser produc o microstructură martensitică foarte fină. Această microstructură este mai fină decât cea obținută prin călirea convențională și, de asemenea, mai dură. De exemplu, pentru oțelul 45, duritatea convențională de călire este de aproximativ 55 HRC, în timp ce călirea cu laser poate atinge 60-65 HRC.
Selectivitatea bună conferă stingerii cu laser un avantaj semnificativ. Raza laser poate controla cu precizie zona iradiata, tratand doar piesele care au nevoie de intarire. De exemplu, suprafețele dinților angrenajului sau suprafețele de lucru ale șinei de ghidare pot fi întărite în timp ce alte zone rămân neschimbate.
De asemenea, este de remarcat gradul ridicat de automatizare. Întregul proces de stingere poate fi controlat de computer, cu parametri stabili și repetabilitate bună, potrivite pentru producția de masă.
4. Controlul procesului pentru stingerea cu laser
Pentru a efectua bine stingerea cu laser, mai mulți parametri cheie trebuie controlați.
Puterea laserului determină cantitatea de energie de intrare. Dacă puterea este prea scăzută, temperatura suprafeței nu va îndeplini cerințele; dacă este prea mare, poate arde suprafața. Este selectat în general pe baza tipului de material și a cerințelor de adâncime de întărire, de obicei variind între 500-5000 wați.
Viteza de scanare se referă la viteza de mișcare a fasciculului laser. Dacă viteza este prea mică, se acumulează căldură excesivă, care poate afecta materialul de bază; dacă este prea rapidă, încălzirea este insuficientă, iar transformarea microstructurală este incompletă. Acest parametru trebuie ajustat împreună cu puterea.
Dimensiunea spotului afectează densitatea energiei și lățimea benzii întărite. O pată mică înseamnă energie concentrată, rezultând un strat întărit profund, dar îngust; o pată mare înseamnă o bandă largă întărită, dar strat superficial. În aplicațiile practice, acesta ar trebui să fie ales pe baza formei piesei și a cerințelor de întărire.
Raportul de suprapunere trebuie luat în considerare atunci când se tratează suprafețe mari. Pentru a acoperi întreaga zonă, traseele de scanare ale fasciculului laser trebuie să se suprapună parțial. Prea puțină suprapunere lasă zone neîntărite; prea multă suprapunere poate cauza înmuierea călirii. În general, este adecvat să-l controlezi între 10-30%.
5. Puncte cheie de tratament pentru diferite materiale
Diferitele materiale reacţionează diferit la stingerea cu laser, necesitând procese diferite.
Oțelurile cu carbon mediu-se numără printre cele mai potrivite materiale pentru călirea cu laser. Materiale precum oțelul 45 și 40Cr au un conținut moderat de carbon, pot atinge duritate ridicată după călire și sunt mai puțin predispuse la crăpare. În timpul procesării, densitatea de putere poate fi în mod corespunzător mai mare, iar viteza de scanare poate fi, de asemenea, mai mare.
Oțelurile pentru scule precum Cr12MoV, H13 etc., au o călibilitate mai bună datorită prezenței elementelor de aliere. Călirea cu laser poate obține un strat întărit mai adânc, dar trebuie acordată atenție controlului temperaturii de încălzire pentru a evita supraîncălzirea.
Materialele din fontă pot suferi, de asemenea, călire cu laser. Cu toate acestea, din cauza prezenței grafitului, este necesară o atenție specială în timpul procesării. Puterea nu poate fi prea mare, altfel grafitul se va descompune și va crea pori. În general, pretratarea suprafeței este necesară mai întâi pentru a îmbunătăți absorbția laserului.
Metalele neferoase, cum ar fi aliajele de aluminiu, aliajele de titan etc., prezintă efecte mai puțin evidente de la călirea cu laser în comparație cu oțelul, dar pot obține totuși un anumit efect de întărire. Este necesar un control mai precis al parametrilor în timpul procesării.
6. Importanța pretratării suprafeței
Multe materiale metalice au o reflectivitate ridicată la lasere, în special materiale precum aluminiul și cuprul, unde este reflectată cea mai mare parte a energiei laserului. Pentru a îmbunătăți eficiența de absorbție a energiei laser, este necesar un tratament de suprafață înainte de stingere.
Tratamentul cu fosfatare este o metodă frecvent utilizată. Pe suprafață se formează un strat de acoperire cu fosfat, care absoarbe bine energia laserului. După tratamentul de fosfatare, rata de absorbție a oțelului la laser poate crește de la aproximativ 30% la peste 70%.
Acoperirea cu vopsea-absorbantă de lumină este, de asemenea, foarte comună. Pe piață există vopsele special concepute pentru tratamentul termic cu laser. Un strat subțire acoperit pe suprafață poate îmbunătăți semnificativ absorbția. Aceste vopsele ard în timpul procesului de călire și nu rămân la suprafață.
Asperarea suprafeței poate îmbunătăți, de asemenea, absorbția. Metode precum sablare fac suprafața rugoasă, crescând absorbția laserului. Cu toate acestea, rețineți că rugozitatea ar trebui să fie adecvată; prea aspră poate afecta calitatea suprafeței.
7. Puncte cheie pentru configurarea echipamentelor
Un sistem de stingere cu laser include în principal un laser, un sistem de mișcare, un sistem de răcire și un sistem de control.
Laserul este componenta de bază. Laserele cu fibră și laserele cu semiconductor sunt utilizate în mod obișnuit acum datorită eficienței lor ridicate de conversie electro-optică și întreținere relativ simplă. Alegerea puterii depinde de nevoile de producție. În general, aproximativ 1000 de wați este suficient pentru piesele mici, în timp ce piesele mari pot necesita peste 3000 de wați.
Sistemul de mișcare gestionează mișcarea relativă dintre capul laser și piesa de prelucrat. Există tipuri de mese de lucru mobile, tipuri de cap cu laser mobil și tipuri de brațe robotizate. Alegerea depinde de dimensiunea și forma piesei. Suprafețele curbe complexe necesită de obicei sisteme de legătură cu mai multe axe.
Sistemul de racire este foarte important. Laserul în sine are nevoie de răcire, iar piesa de prelucrat necesită, de asemenea, o răcire adecvată în timpul călirii. În general, se utilizează răcirea cu apă, asigurând un debit și o temperatură stabile a apei de răcire.
Sistemul de control este acum controlat de computer-. Poate stoca mai multe seturi de parametri de proces pentru rechemarea directă în timpul funcționării. Un sistem de control bun poate monitoriza, de asemenea, parametrii procesului în timp real și îi poate ajusta automat pentru a asigura o calitate constantă.
