1. Tekniska principer och grundläggande process
Laserhärdning är en allt vanligare ytbehandlingsmetod i fabriker de senaste åren. Enkelt uttryckt innebär det att man använder en hög-laserstråle för att snabbt bestråla ytan på en metalldel, värma upp ett mycket tunt lager av metallytan till en mycket hög temperatur på extremt kort tid, och sedan förlita sig på att själva delen svalnar snabbt, vilket gör ytan mycket hård och slitstark-.
Denna process har faktiskt likheter med traditionell härdning; båda får en hård mikrostruktur genom snabb kylning. Men lasersläckning har sina egna egenskaper: den värmer bara upp ett mycket tunt ytskikt, vilket lämnar delens inre i stort sett opåverkad, vilket resulterar i mycket liten distorsion. Dessutom kan laserstrålen röra sig flexibelt och kan behandla detaljer med komplexa former, vilket är svårt för traditionella härdningsmetoder att uppnå.
2. Hur lasersläckning fungerar
När en laserstråle träffar en metallyta absorberas energi av metallen och yttemperaturen stiger snabbt. För vanligt stål behöver temperaturen överstiga 800 grader Celsius, då omvandlas stålets mikrostruktur till austenit. I detta ögonblick rör sig laserstrålen bort och värme leds snabbt in i det kalla inre basmaterialet med en kylhastighet som kan nå tiotusentals grader Celsius per sekund. Under sådan snabb kylning omvandlas austeniten till hård martensit.
Det finns flera nyckelpunkter i denna process: uppvärmningshastigheten måste vara tillräckligt snabb så att basmaterialet inte hinner värmas upp; kylningshastigheten måste också vara tillräckligt snabb för att erhålla en fin martensitisk mikrostruktur. Lasersläckning kan exakt uppfylla dessa krav. Den kan slutföra uppvärmningen inom en tusendels sekund och sedan förlita sig på basmaterialets egen snabba värmeavledning.
3. Huvudkännetecken för lasersläckning
Liten distorsion är den mest uppenbara fördelen med lasersläckning. Eftersom endast ett tunt ytskikt värms upp är den totala temperaturförändringen av delen minimal, vilket resulterar i låg termisk spänning. Därför är mängden distorsion vanligtvis bara en-tiondel av den traditionella släckningen. Detta är särskilt viktigt för precisionsdetaljer.
Hög hårdhet är en annan egenskap. Snabb laseruppvärmning och kylning ger en mycket fin martensitisk mikrostruktur. Denna mikrostruktur är finare än den som erhålls från konventionell härdning och även hårdare. Till exempel, för 45 stål, är konventionell härdningshårdhet cirka 55 HRC, medan laserhärdning kan uppnå 60-65 HRC.
God selektivitet ger lasersläckning en betydande fördel. Laserstrålen kan exakt kontrollera det bestrålade området och behandlar endast de delar som behöver härdas. Till exempel kan kuggkuggsytor eller styrskenors arbetsytor härdas medan andra ytor förblir oförändrade.
Hög grad av automatisering är också anmärkningsvärt. Hela härdningsprocessen kan styras av dator, med stabila parametrar och god repeterbarhet, lämplig för massproduktion.
4. Processkontroll för lasersläckning
För att utföra lasersläckning väl måste flera nyckelparametrar kontrolleras.
Laserkraft bestämmer mängden inmatad energi. Om effekten är för låg kommer yttemperaturen inte att uppfylla kraven; om den är för hög kan den bränna ytan. Den väljs vanligtvis utifrån materialtyp och krav på härdningsdjup, vanligtvis mellan 500-5000 watt.
Skanningshastighet avser laserstrålens rörelsehastighet. Om hastigheten är för låg, byggs överdriven värme upp, vilket potentiellt påverkar basmaterialet; om den är för snabb är uppvärmningen otillräcklig och mikrostrukturell omvandling är ofullständig. Denna parameter måste justeras i samband med effekt.
Punktstorleken påverkar energitätheten och den härdade bandbredden. En liten fläck betyder koncentrerad energi, vilket resulterar i ett djupt men smalt härdat lager; en stor fläck betyder ett brett härdat band men grunt lager. I praktiska tillämpningar bör den väljas utifrån detaljens form och härdningskrav.
Överlappningsförhållande måste beaktas vid behandling av stora ytor. För att täcka hela området måste laserstrålens skanningsvägar delvis överlappa varandra. För lite överlappning lämnar ohärdade zoner; för mycket överlappning kan göra att anlöpningen mjuknar upp. I allmänhet är det lämpligt att kontrollera den mellan 10-30 %.
5. Behandlingsnyckelpunkter för olika material
Olika material reagerar olika på lasersläckning, vilket kräver olika processer.
Medium-kolstål är bland de mest lämpliga materialen för laserhärdning. Material som 45 stål och 40Cr har måttlig kolhalt, kan uppnå hög hårdhet efter härdning och är mindre benägna att spricka. Under bearbetning kan effekttätheten vara lämpligt högre, och skanningshastigheten kan också vara snabbare.
Verktygsstål som Cr12MoV, H13, etc., har bättre härdbarhet på grund av närvaron av legeringselement. Lasersläckning kan uppnå ett djupare härdat lager, men uppmärksamhet måste ägnas åt att kontrollera uppvärmningstemperaturen för att undvika överhettning.
Gjutjärnsmaterial kan också genomgå laserhärdning. Men på grund av närvaron av grafit krävs särskild uppmärksamhet under bearbetningen. Effekten kan inte vara för hög, annars kommer grafiten att sönderdelas och skapa porer. I allmänhet krävs ytförbehandling först för att förbättra laserabsorptionen.
Icke-järnmetaller som aluminiumlegeringar, titanlegeringar, etc., visar mindre uppenbara effekter från laserhärdning jämfört med stål, men kan fortfarande uppnå en viss stärkande effekt. Mer exakt parameterkontroll krävs under bearbetningen.
6. Betydelsen av ytförbehandling
Många metalliska material har hög reflektionsförmåga för lasrar, särskilt material som aluminium och koppar, där mest laserenergi reflekteras. För att förbättra absorptionseffektiviteten hos laserenergi är ytbehandling nödvändig före härdning.
Fosfatbehandling är en vanlig metod. Ett lager av fosfatbeläggning bildas på ytan, som absorberar laserenergin väl. Efter fosfatbehandling kan absorptionshastigheten för stål till laser öka från cirka 30 % till över 70 %.
Beläggning med lätt-absorberande färg är också mycket vanligt. Det finns färger på marknaden speciellt utformade för laservärmebehandling. Ett tunt skikt belagt på ytan kan förbättra absorptionen avsevärt. Dessa färger brinner av under härdningsprocessen och stannar inte kvar på ytan.
Ytgrovning kan också förbättra absorptionen. Metoder som sandblästring gör ytan grov, vilket ökar absorptionen av lasern. Observera dock att grovheten bör vara lämplig; för grov kan påverka ytkvaliteten.
7. Nyckelpunkter för utrustningskonfiguration
Ett lasersläckningssystem inkluderar huvudsakligen en laser, rörelsesystem, kylsystem och styrsystem.
Lasern är kärnkomponenten. Fiberlasrar och halvledarlasrar används ofta nu på grund av deras höga elektro-optiska konverteringseffektivitet och relativt enkla underhåll. Val av effekt beror på produktionsbehov. Generellt räcker cirka 1000 watt för små delar, medan stora delar kan kräva över 3000 watt.
Rörelsesystemet hanterar den relativa rörelsen mellan laserhuvudet och arbetsstycket. Det finns typer av rörliga arbetsbord, typer av rörliga laserhuvuden och typer av robotarmar. Valet beror på delens storlek och form. Komplexa krökta ytor kräver vanligtvis flera-länksystem.
Kylsystemet är mycket viktigt. Själva lasern behöver kylas, och arbetsstycket kräver också lämplig kylning under härdning. Vattenkylning används vanligtvis, vilket säkerställer stabilt kylvattenflöde och temperatur.
Kontrollsystemet är nu datorstyrt-. Den kan lagra flera uppsättningar av processparametrar för direkt återkallning under drift. Ett bra kontrollsystem kan också övervaka processparametrar i realtid och automatiskt justera dem för att säkerställa jämn kvalitet.
