1. Технические принципы и основной процесс
В последние годы лазерная закалка становится все более распространенным методом обработки поверхности на заводах. Проще говоря, он предполагает использование высокоэнергетического лазерного луча-для быстрого облучения поверхности металлической детали, нагревания очень тонкого слоя металлической поверхности до очень высокой температуры за чрезвычайно короткое время, а затем быстрого охлаждения самой детали, что делает поверхность очень твердой и -износостойкой.
Этот процесс на самом деле имеет сходство с традиционной закалкой; оба получают твердую микроструктуру за счет быстрого охлаждения. Однако лазерная закалка имеет свои особенности: она нагревает только очень тонкий поверхностный слой, оставляя внутреннюю часть детали практически незатронутой, что приводит к очень небольшим искажениям. Более того, лазерный луч может гибко перемещаться и обрабатывать детали сложной формы, чего трудно достичь традиционными методами закалки.
2. Как работает лазерная закалка
Когда лазерный луч попадает на металлическую поверхность, энергия поглощается металлом, и температура поверхности быстро возрастает. Для обычной стали температура должна превышать 800 градусов Цельсия, после чего микроструктура стали превращается в аустенит. В этот момент лазерный луч удаляется, и тепло быстро передается в холодный внутренний основной материал со скоростью охлаждения, которая может достигать десятков тысяч градусов Цельсия в секунду. При таком быстром охлаждении аустенит превращается в твердый мартенсит.
В этом процессе есть несколько ключевых моментов: скорость нагрева должна быть достаточно быстрой, чтобы основной материал не успел нагреться; скорость охлаждения также должна быть достаточно высокой для получения мелкой мартенситной микроструктуры. Лазерная закалка может точно удовлетворить этим требованиям. Он может завершить нагрев за тысячную долю секунды, а затем полагаться на быстрое рассеивание тепла базовым материалом.
3. Основные характеристики лазерной закалки.
Малые искажения являются наиболее очевидным преимуществом лазерной закалки. Поскольку нагревается только тонкий поверхностный слой, общее изменение температуры детали минимально, что приводит к низкому термическому напряжению. Поэтому величина искажений обычно составляет лишь одну-десятую часть от традиционного гашения. Это особенно важно для прецизионных деталей.
Высокая твердость – еще одна характеристика. Быстрый лазерный нагрев и охлаждение создают очень мелкую мартенситную микроструктуру. Эта микроструктура тоньше, чем полученная при обычной закалке, а также более твердая. Например, для стали 45 твердость при обычной закалке составляет около 55 HRC, а при лазерной закалке можно достичь 60-65 HRC.
Хорошая селективность дает лазерной закалке значительное преимущество. Лазерный луч может точно контролировать облучаемую область, обрабатывая только те части, которые нуждаются в закалке. Например, поверхности зубьев шестерен или рабочие поверхности направляющих могут быть закалены, а другие участки остаются неизменными.
Также следует отметить высокую степень автоматизации. Весь процесс закалки может контролироваться компьютером, имеет стабильные параметры и хорошую повторяемость, что подходит для массового производства.
4. Управление процессом лазерной закалки
Для эффективного выполнения лазерной закалки необходимо контролировать несколько ключевых параметров.
Мощность лазера определяет количество входной энергии. Если мощность слишком низкая, температура поверхности не будет соответствовать требованиям; если слишком высоко, это может привести к ожогу поверхности. Обычно ее выбирают в зависимости от типа материала и требований к глубине закалки, обычно она составляет 500–5000 Вт.
Скорость сканирования относится к скорости движения лазерного луча. Если скорость слишком низкая, образуется чрезмерное тепло, что может повлиять на основной материал; если слишком быстро, нагрев будет недостаточным, и микроструктурное преобразование будет неполным. Этот параметр необходимо регулировать совместно с мощностью.
Размер пятна влияет на плотность энергии и ширину закаленной полосы. Небольшое пятно означает концентрированную энергию, в результате чего образуется глубокий, но узкий затвердевший слой; большое пятно означает широкую закаленную полосу, но неглубокий слой. В практических применениях его следует выбирать в зависимости от формы детали и требований к закалке.
При обработке больших площадей необходимо учитывать коэффициент перекрытия. Чтобы охватить всю площадь, пути сканирования лазерного луча должны частично перекрываться. Слишком малое перекрытие оставляет незакрепленные зоны; слишком большое перекрытие может привести к смягчению отпуска. Как правило, уместно контролировать его в пределах 10-30%.
5. Ключевые моменты обработки различных материалов
Различные материалы по-разному реагируют на лазерную закалку, требуя разных процессов.
Средне-углеродистые стали являются одними из наиболее подходящих материалов для лазерной закалки. Такие материалы, как сталь 45 и 40Cr, имеют умеренное содержание углерода, могут достигать высокой твердости после закалки и менее склонны к растрескиванию. Во время обработки плотность мощности может быть соответственно выше, а скорость сканирования также может быть выше.
Инструментальные стали типа Cr12MoV, H13 и др. обладают лучшей прокаливаемостью благодаря наличию легирующих элементов. Лазерная закалка позволяет добиться более глубокого закаленного слоя, но необходимо уделять внимание контролю температуры нагрева, чтобы избежать перегрева.
Чугунные материалы также могут подвергаться лазерной закалке. Однако из-за присутствия графита при обработке необходимо особое внимание. Мощность не может быть слишком высокой, иначе графит разложится и создаст поры. Как правило, для улучшения поглощения лазера сначала требуется предварительная обработка поверхности.
Цветные-металлы, такие как алюминиевые сплавы, титановые сплавы и т. д., демонстрируют менее очевидный эффект лазерной закалки по сравнению со сталью, но все же могут обеспечить некоторый эффект упрочнения. Во время обработки требуется более точный контроль параметров.
6. Важность предварительной обработки поверхности
Многие металлические материалы имеют высокую отражательную способность для лазеров, особенно такие материалы, как алюминий и медь, от которых отражается большая часть лазерной энергии. Чтобы повысить эффективность поглощения лазерной энергии, перед закалкой необходима обработка поверхности.
Фосфатирование является широко используемым методом. На поверхности образуется слой фосфатного покрытия, хорошо поглощающего лазерную энергию. После фосфатирования степень поглощения стали лазером может увеличиться примерно с 30% до более 70%.
Покрытие светопоглощающей-краской также очень распространено. На рынке имеются краски, специально предназначенные для лазерной термообработки. Тонкий слой, нанесенный на поверхность, может значительно улучшить впитываемость. Эти краски в процессе закалки выгорают и не остаются на поверхности.
Шероховатость поверхности также может улучшить впитываемость. Такие методы, как пескоструйная обработка, делают поверхность шероховатой, увеличивая поглощение лазера. Однако учтите, что шероховатость должна быть соответствующей; слишком шероховатая может повлиять на качество поверхности.
7. Ключевые моменты настройки оборудования
Система лазерной закалки в основном включает в себя лазер, систему движения, систему охлаждения и систему управления.
Лазер является основным компонентом. Волоконные лазеры и полупроводниковые лазеры сейчас широко используются благодаря их высокой эффективности электро-оптического преобразования и относительно простому обслуживанию. Выбор мощности зависит от производственных потребностей. Как правило, для небольших деталей достаточно около 1000 Вт, тогда как для крупных деталей может потребоваться более 3000 Вт.
Система движения обеспечивает относительное перемещение лазерной головки и заготовки. Существуют типы движущихся рабочих столов, типы движущихся лазерных головок и типы роботизированных манипуляторов. Выбор зависит от размера и формы детали. Сложные изогнутые поверхности обычно требуют много-систем связи.
Система охлаждения очень важна. Сам лазер нуждается в охлаждении, а заготовка также требует соответствующего охлаждения при закалке. Обычно используется водяное охлаждение, обеспечивающее стабильный поток и температуру охлаждающей воды.
Система управления теперь управляется компьютером-. Он может хранить несколько наборов параметров процесса для прямого вызова во время работы. Хорошая система управления также может отслеживать параметры процесса в режиме реального времени и автоматически корректировать их для обеспечения стабильного качества.
