1. Műszaki alapelvek és alapfolyamat
A lézeres kioltás az utóbbi években egyre elterjedtebb felületkezelési módszer a gyárakban. Egyszerűen fogalmazva, ez magában foglalja a nagy-energiájú lézersugarat a fémrész felületének gyors besugárzására, a fémfelület nagyon vékony rétegének rendkívül rövid időn belüli nagyon magas hőmérsékletre történő melegítését, majd az alkatrész gyors lehűlését, ezáltal a felület nagyon kemény és kopásálló lesz.
Ez az eljárás valójában hasonlóságot mutat a hagyományos oltással; mindkettő kemény mikroszerkezetet nyer a gyors hűtés révén. A lézeres kioltásnak azonban megvannak a maga sajátosságai: csak egy nagyon vékony felületi réteget melegít fel, így az alkatrész belsejét nagyrészt érintetlenül hagyja, ami nagyon kis torzulást eredményez. Ezen túlmenően a lézersugár rugalmasan tud mozogni, és bonyolult formájú alkatrészeket is képes kezelni, amit a hagyományos oltási módszerekkel nehéz elérni.
2. Hogyan működik a lézeres kioltás
Amikor egy lézersugár fémfelülethez ér, a fém energiát nyel el, és a felület hőmérséklete gyorsan emelkedik. A közönséges acél esetében a hőmérsékletnek meg kell haladnia a 800 Celsius-fokot, ekkor az acél mikroszerkezete ausztenitté alakul. Ebben a pillanatban a lézersugár eltávolodik, és a hő gyorsan a hideg belső alapanyagba áramlik, olyan hűtési sebességgel, amely akár több tízezer Celsius fokot is elérhet másodpercenként. Ilyen gyors hűtés hatására az ausztenit kemény martenzitté alakul.
Ennek a folyamatnak több kulcsfontosságú pontja van: a melegítési sebességnek elég gyorsnak kell lennie ahhoz, hogy az alapanyagnak ne legyen ideje felmelegedni; a hűtési sebességnek elég gyorsnak kell lennie ahhoz, hogy finom martenzites mikroszerkezetet kapjunk. A lézeres oltás pontosan megfelel ezeknek a követelményeknek. Egy ezredmásodperc alatt képes befejezni a felfűtést, majd az alapanyag saját gyors hőelvezetésére támaszkodik.
3. A lézeres kioltás főbb jellemzői
A kis torzítás a lézeres kioltás legnyilvánvalóbb előnye. Mivel csak egy vékony felületi réteg melegszik fel, az alkatrész teljes hőmérsékletváltozása minimális, ami alacsony hőfeszültséget eredményez. Ezért a torzítás mértéke általában csak egytizede{2}}a hagyományos kioltásénak. Ez különösen fontos a precíziós alkatrészek esetében.
A nagy keménység egy másik jellemző. A gyors lézeres melegítés és hűtés nagyon finom martenzites mikrostruktúrát hoz létre. Ez a mikrostruktúra finomabb, mint a hagyományos oltással kapott, és keményebb is. Például a 45-ös acél esetében a hagyományos edzési keménység 55 HRC körül van, míg a lézeres oltás 60-65 HRC-t érhet el.
A jó szelektivitás jelentős előnyt jelent a lézeres kioltásnak. A lézersugár pontosan tudja szabályozni a besugárzott területet, csak azokat a részeket kezeli, amelyek edzésre szorulnak. Például a fogaskerék fogfelületei vagy a vezetősín munkafelületei edzhetők, míg a többi terület változatlan marad.
Figyelemre méltó a magas fokú automatizálás is. A teljes kioltási folyamat számítógéppel vezérelhető, stabil paraméterekkel, jó ismételhetőségű, tömeggyártásra alkalmas.
4. Folyamatvezérlés a lézeres kioltáshoz
A lézeres kioltás megfelelő végrehajtásához több kulcsparamétert is ellenőrizni kell.
A lézer teljesítménye határozza meg a bemeneti energia mennyiségét. Ha a teljesítmény túl alacsony, a felületi hőmérséklet nem felel meg a követelményeknek; ha túl magas, megégetheti a felületet. Általában az anyag típusa és az edzési mélység követelményei alapján választják ki, jellemzően 500-5000 watt.
A pásztázási sebesség a lézersugár mozgási sebességére utal. Ha a sebesség túl lassú, túlzott hő halmozódik fel, ami hatással lehet az alapanyagra; ha túl gyors, akkor a fűtés nem elegendő, és a mikroszerkezeti átalakulás nem teljes. Ezt a paramétert a teljesítmény függvényében kell beállítani.
A foltok mérete befolyásolja az energiasűrűséget és az edzett sávszélességet. A kis folt koncentrált energiát jelent, ami mély, de keskeny edzett réteget eredményez; a nagy folt széles edzett sávot, de sekély réteget jelent. A gyakorlati alkalmazásoknál az alkatrész alakja és az edzési követelmények alapján kell kiválasztani.
Nagy területek kezelésekor figyelembe kell venni az átfedési arányt. A teljes terület lefedéséhez a lézersugár pásztázási útvonalainak részben át kell fedniük egymást. A túl kevés átfedés edzetlen zónákat hagy; túl sok átfedés temperáló lágyulást okozhat. Általában célszerű 10-30% között szabályozni.
5. Kezelés Kulcspontok a különböző anyagokhoz
Különböző anyagok eltérően reagálnak a lézeres kioltásra, különböző folyamatokat igényelve.
A közepes-szénacélok a legmegfelelőbb anyagok a lézeres kioltáshoz. Az olyan anyagok, mint a 45-ös acél és a 40Cr, mérsékelt széntartalmúak, nagy keménységet érhetnek el az oltás után, és kevésbé hajlamosak a repedésre. A feldolgozás során a teljesítménysűrűség megfelelően nagyobb lehet, és a szkennelési sebesség is gyorsabb lehet.
Az olyan szerszámacélok, mint a Cr12MoV, H13 stb., az ötvözőelemek jelenléte miatt jobb edzhetőségűek. A lézeres oltással mélyebben megkeményedett réteg érhető el, de a túlmelegedés elkerülése érdekében ügyelni kell a fűtési hőmérséklet szabályozására.
Az öntöttvas anyagok lézeres kioltáson is áteshetnek. A grafit jelenléte miatt azonban különös figyelmet kell fordítani a feldolgozás során. A teljesítmény nem lehet túl nagy, különben a grafit lebomlik és pórusokat hoz létre. Általában először felületi előkezelésre van szükség a lézerabszorpció javítása érdekében.
A színesfémek, például az alumíniumötvözetek, titánötvözetek stb., az acélhoz képest kevésbé nyilvánvalóak a lézeres kioltásból, de bizonyos erősítő hatást még így is elérhetnek. A feldolgozás során pontosabb paramétervezérlés szükséges.
6. A felületi előkezelés jelentősége
Sok fémes anyag nagy visszaverő képességgel rendelkezik a lézerekkel szemben, különösen az olyan anyagok, mint az alumínium és a réz, ahol a legtöbb lézerenergia visszaverődik. A lézerenergia abszorpciós hatékonyságának javítása érdekében az oltás előtt felületkezelésre van szükség.
A foszfátozás egy általánosan használt módszer. A felületen foszfátbevonat képződik, amely jól elnyeli a lézerenergiát. Foszfátozás után az acél lézerrel való elnyelési aránya körülbelül 30%-ról 70% fölé emelkedhet.
A fényelnyelő festékkel való bevonat{0}} szintén nagyon gyakori. Vannak a piacon kifejezetten lézeres hőkezelésre tervezett festékek. A felületre bevont vékony réteg jelentősen javíthatja a felszívódást. Ezek a festékek az oltási folyamat során leégnek, és nem maradnak a felületen.
A felületi érdesítés javíthatja a felszívódást is. Az olyan módszerek, mint a homokfúvás, érdessé teszik a felületet, ami növeli a lézer elnyelését. Azonban vegye figyelembe, hogy az érdességnek megfelelőnek kell lennie; túl érdes hatással lehet a felület minőségére.
7. Főbb pontok a berendezés konfigurálásához
A lézeres kioltórendszer főként lézert, mozgásrendszert, hűtőrendszert és vezérlőrendszert tartalmaz.
A lézer a fő alkotóelem. A szálas lézereket és a félvezető lézereket nagy elektro-optikai átalakítási hatékonyságuk és viszonylag egyszerű karbantartásuk miatt manapság általánosan használják. A teljesítmény kiválasztása a termelési igényektől függ. Általában körülbelül 1000 watt elegendő kis alkatrészekhez, míg a nagy alkatrészekhez több mint 3000 watt is szükséges.
A mozgásrendszer kezeli a lézerfej és a munkadarab közötti relatív mozgást. Léteznek mozgó munkaasztal-típusok, mozgó lézerfej-típusok és robotkar-típusok. A választás az alkatrész méretétől és alakjától függ. Az összetett ívelt felületek általában több-tengelyes összekötő rendszereket igényelnek.
A hűtőrendszer nagyon fontos. Maga a lézer hűtést igényel, és a munkadarab is megfelelő hűtést igényel az edzés során. Általában vízhűtést alkalmaznak, ami stabil hűtővíz áramlást és hőmérsékletet biztosít.
A vezérlőrendszert most számítógép{0}}vezérli. Több folyamatparaméter-készletet képes tárolni a működés közbeni közvetlen visszahíváshoz. Egy jó vezérlőrendszer a folyamatparamétereket valós időben is figyelemmel kíséri, és automatikusan beállítja az egyenletes minőség biztosítása érdekében.