1. Tekniske prinsipper og grunnleggende prosess
Laserquenching er en stadig mer vanlig overflatebehandlingsmetode i fabrikker de siste årene. Enkelt sagt innebærer det å bruke en høy-laserstråle for å raskt bestråle overflaten til en metalldel, varme opp et veldig tynt lag av metalloverflaten til en veldig høy temperatur på ekstremt kort tid, for så å stole på at selve delen avkjøles raskt, og dermed gjøre overflaten veldig hard og slitebestandig-.
Denne prosessen har faktisk likheter med tradisjonell quenching; begge får en hard mikrostruktur gjennom rask avkjøling. Imidlertid har laserquenching sine egne egenskaper: den varmer bare opp et veldig tynt overflatelag, og etterlater det indre av delen stort sett upåvirket, noe som resulterer i svært liten forvrengning. Dessuten kan laserstrålen bevege seg fleksibelt og kan behandle deler med komplekse former, noe som er vanskelig å oppnå for tradisjonelle bråkjølingsmetoder.
2. Hvordan laserquenching fungerer
Når en laserstråle treffer en metalloverflate, absorberes energi av metallet, og overflatetemperaturen stiger raskt. For vanlig stål må temperaturen overstige 800 grader Celsius, og da forvandles mikrostrukturen til stålet til austenitt. I dette øyeblikket beveger laserstrålen seg bort, og varme ledes raskt inn i det kalde indre basismaterialet med en avkjølingshastighet som kan nå titusenvis av grader Celsius per sekund. Under en slik rask avkjøling forvandles austenitten til hard martensitt.
Det er flere nøkkelpunkter i denne prosessen: oppvarmingshastigheten må være rask nok til at grunnmaterialet ikke rekker å varmes opp; kjølehastigheten må også være rask nok til å oppnå en fin martensittisk mikrostruktur. Laserquenching kan nøyaktig oppfylle disse kravene. Den kan fullføre oppvarmingen innen en tusendel av et sekund, og deretter stole på grunnmaterialets egen raske varmeavledning.
3. Hovedkarakteristika ved Laserquenching
Liten forvrengning er den mest åpenbare fordelen med laserquenching. Fordi bare et tynt overflatelag varmes opp, er den totale temperaturendringen til delen minimal, noe som resulterer i lav termisk spenning. Derfor er mengden av forvrengning vanligvis bare en-tidel av tradisjonell quenching. Dette er spesielt viktig for presisjonsdeler.
Høy hardhet er en annen egenskap. Rask laseroppvarming og avkjøling gir en veldig fin martensittisk mikrostruktur. Denne mikrostrukturen er finere enn den som oppnås ved konvensjonell bråkjøling og også hardere. For eksempel, for 45 stål, er konvensjonell bråkjølingshardhet rundt 55 HRC, mens laserkjøling kan oppnå 60-65 HRC.
God selektivitet gir laserquenching en betydelig fordel. Laserstrålen kan kontrollere det bestrålte området nøyaktig, og behandler kun de delene som trenger herding. For eksempel kan tannhjulsoverflater eller styreskinnenes arbeidsflater herdes mens andre områder forblir uendret.
Høy grad av automatisering er også bemerkelsesverdig. Hele bråkjølingsprosessen kan styres av datamaskin, med stabile parametere og god repeterbarhet, egnet for masseproduksjon.
4. Prosesskontroll for laserquenching
For å utføre laserquenching godt, må flere nøkkelparametere kontrolleres.
Laserkraft bestemmer mengden tilført energi. Hvis strømmen er for lav, vil overflatetemperaturen ikke oppfylle kravene; hvis det er for høyt, kan det brenne overflaten. Det velges vanligvis basert på materialtype og krav til herdedybde, vanligvis mellom 500-5000 watt.
Skannehastighet refererer til bevegelseshastigheten til laserstrålen. Hvis hastigheten er for lav, bygges overdreven varme opp, som potensielt påvirker grunnmaterialet; hvis for raskt, er oppvarming utilstrekkelig, og mikrostrukturell transformasjon er ufullstendig. Denne parameteren må justeres i forbindelse med strøm.
Spotstørrelsen påvirker energitettheten og herdet båndbredde. En liten flekk betyr konsentrert energi, noe som resulterer i et dypt, men smalt herdet lag; en stor flekk betyr et bredt herdet bånd, men grunt lag. I praktiske applikasjoner bør det velges ut fra delens form og krav til herding.
Overlappingsforhold må vurderes ved behandling av store områder. For å dekke hele området, må skannebanene til laserstrålen delvis overlappe. For lite overlapp etterlater uherdede soner; for mye overlapping kan føre til mykning av tempereringen. Generelt er det hensiktsmessig å kontrollere den mellom 10-30 %.
5. Behandlingsnøkkelpunkter for forskjellige materialer
Ulike materialer reagerer forskjellig på laserslukning, og krever forskjellige prosesser.
Medium-karbonstål er blant de best egnede materialene for laserkjøling. Materialer som 45 stål og 40Cr har moderat karboninnhold, kan oppnå høy hardhet etter bråkjøling, og er mindre utsatt for sprekker. Under behandlingen kan strømtettheten være passende høyere, og skannehastigheten kan også være raskere.
Verktøystål som Cr12MoV, H13, etc., har bedre herdbarhet på grunn av tilstedeværelsen av legeringselementer. Laserquenching kan oppnå et dypere herdet lag, men det må tas hensyn til å kontrollere oppvarmingstemperaturen for å unngå overoppheting.
Støpejernsmaterialer kan også gjennomgå laserquenching. På grunn av tilstedeværelsen av grafitt er det imidlertid nødvendig med spesiell oppmerksomhet under behandlingen. Kraften kan ikke være for høy, ellers vil grafitten brytes ned og skape porer. Generelt er overflateforbehandling nødvendig først for å forbedre laserabsorpsjonen.
Ikke-jernholdige metaller som aluminiumslegeringer, titanlegeringer osv. viser mindre tydelige effekter fra laserkjøling sammenlignet med stål, men kan likevel oppnå en viss styrkende effekt. Mer presis parameterkontroll er nødvendig under behandlingen.
6. Viktigheten av overflateforbehandling
Mange metalliske materialer har høy reflektivitet til lasere, spesielt materialer som aluminium og kobber, der mest laserenergi reflekteres. For å forbedre absorpsjonseffektiviteten til laserenergi er overflatebehandling nødvendig før bråkjøling.
Fosfatbehandling er en vanlig metode. Et lag med fosfatbelegg dannes på overflaten, som absorberer laserenergi godt. Etter fosfatbehandling kan absorpsjonshastigheten av stål til laser øke fra rundt 30 % til over 70 %.
Maling med lett-absorberende maling er også veldig vanlig. Det finnes maling på markedet spesielt utviklet for laser varmebehandling. Et tynt lag belagt på overflaten kan forbedre absorpsjonen betydelig. Disse malingene brenner av under bråkjølingsprosessen og forblir ikke på overflaten.
Oppruing av overflaten kan også forbedre absorpsjonen. Metoder som sandblåsing gjør overflaten ru, og øker absorpsjonen av laseren. Vær imidlertid oppmerksom på at ruheten skal være passende; for grov kan påvirke overflatekvaliteten.
7. Nøkkelpunkter for utstyrskonfigurasjon
Et laserquenching-system inkluderer hovedsakelig en laser, bevegelsessystem, kjølesystem og kontrollsystem.
Laseren er kjernekomponenten. Fiberlasere og halvlederlasere er ofte brukt nå på grunn av deres høye elektro-optiske konverteringseffektivitet og relativt enkle vedlikehold. Strømvalg avhenger av produksjonsbehov. Generelt er rundt 1000 watt tilstrekkelig for små deler, mens store deler kan kreve over 3000 watt.
Bevegelsessystemet håndterer den relative bevegelsen mellom laserhodet og arbeidsstykket. Det finnes bevegelige arbeidsbordtyper, bevegelige laserhodetyper og robotarmtyper. Valget avhenger av delens størrelse og form. Komplekse buede overflater krever vanligvis koblingssystemer med flere-akser.
Kjølesystemet er veldig viktig. Selve laseren trenger kjøling, og arbeidsstykket krever også passende kjøling under bråkjøling. Vannkjøling brukes vanligvis, noe som sikrer stabil kjølevannstrøm og temperatur.
Kontrollsystemet er nå datamaskinstyrt-. Den kan lagre flere sett med prosessparametere for direkte tilbakekalling under drift. Et godt kontrollsystem kan også overvåke prosessparametere i sanntid og automatisk justere dem for å sikre jevn kvalitet.
