1. Tehnički principi i osnovni proces
Lasersko gašenje je sve češća metoda površinske obrade u tvornicama posljednjih godina. Jednostavno rečeno, uključuje korištenje laserskog snopa visoke{1}}energetske zrake za brzo zračenje površine metalnog dijela, zagrijavanje vrlo tankog sloja metalne površine na vrlo visoku temperaturu u izuzetno kratkom vremenu, a zatim oslanjanje na sam dio da se brzo ohladi, čineći tako površinu vrlo tvrdom i-otpornom na habanje.
Ovaj proces zapravo ima sličnosti sa tradicionalnim gašenjem; oba dobijaju tvrdu mikrostrukturu brzim hlađenjem. Međutim, lasersko gašenje ima svoje karakteristike: zagrijava samo vrlo tanak površinski sloj, ostavljajući unutrašnjost dijela uglavnom nepromijenjenom, što rezultira vrlo malim izobličenjem. Štaviše, laserska zraka može se fleksibilno kretati i može tretirati dijelove složenih oblika, što je teško postići tradicionalnim metodama gašenja.
2. Kako funkcionira lasersko gašenje
Kada laserski snop udari u metalnu površinu, metal apsorbuje energiju i temperatura površine brzo raste. Za običan čelik, temperatura treba da pređe 800 stepeni Celzijusa, pri čemu se mikrostruktura čelika pretvara u austenit. U ovom trenutku, laserski snop se udaljava, a toplota se brzo prenosi u hladni unutrašnji osnovni materijal brzinom hlađenja koja može dostići desetine hiljada stepeni Celzijusa u sekundi. Pod takvim brzim hlađenjem, austenit se pretvara u tvrdi martenzit.
Postoji nekoliko ključnih tačaka u ovom procesu: brzina zagrijavanja mora biti dovoljno brza da osnovni materijal nema vremena za zagrijavanje; brzina hlađenja također mora biti dovoljno brza da se dobije fina martenzitna mikrostruktura. Lasersko gašenje može precizno ispuniti ove zahtjeve. Može završiti zagrijavanje u roku od hiljaditi dio sekunde, a zatim se osloniti na brzo odvođenje topline osnovnog materijala.
3. Glavne karakteristike laserskog gašenja
Mala distorzija je najočiglednija prednost laserskog gašenja. Budući da se zagrijava samo tanak površinski sloj, ukupna promjena temperature dijela je minimalna, što rezultira niskim toplinskim naprezanjem. Stoga je količina izobličenja obično samo jedna-desetina od tradicionalnog gašenja. Ovo je posebno važno za precizne dijelove.
Visoka tvrdoća je još jedna karakteristika. Brzo lasersko grijanje i hlađenje stvaraju vrlo finu martenzitnu mikrostrukturu. Ova mikrostruktura je finija od one dobijene konvencionalnim gašenjem, a takođe i tvrđa. Na primjer, za čelik 45, konvencionalna tvrdoća kaljenja je oko 55 HRC, dok lasersko gašenje može postići 60-65 HRC.
Dobra selektivnost daje značajnu prednost laserskom gašenju. Laserski snop može precizno kontrolisati ozračeno područje, tretirajući samo dijelove koji trebaju očvrsnuti. Na primjer, površine zupčanika zupčanika ili radne površine vodilice mogu se očvrsnuti dok ostale površine ostaju nepromijenjene.
Visok stepen automatizacije je takođe vredan pažnje. Cijeli proces gašenja može se kontrolisati kompjuterski, sa stabilnim parametrima i dobrom ponovljivošću, pogodnim za masovnu proizvodnju.
4. Kontrola procesa za lasersko gašenje
Da bi se lasersko gašenje dobro izvršilo, potrebno je kontrolirati nekoliko ključnih parametara.
Laserska snaga određuje količinu ulazne energije. Ako je snaga preniska, temperatura površine neće zadovoljiti zahtjeve; ako je previsok, može izgorjeti površinu. Općenito se bira na osnovu vrste materijala i zahtjeva dubine stvrdnjavanja, obično u rasponu između 500-5000 vati.
Brzina skeniranja se odnosi na brzinu kretanja laserskog snopa. Ako je brzina prespora, nakuplja se prekomjerna toplina, što može utjecati na osnovni materijal; ako je prebrzo, zagrijavanje je nedovoljno, a mikrostrukturna transformacija je nepotpuna. Ovaj parametar treba podesiti zajedno sa snagom.
Veličina mrlje utiče na gustinu energije i širinu očvrslog pojasa. Mala tačka znači koncentrisanu energiju, što rezultira dubokim, ali uskim očvrsnutim slojem; velika mrlja znači široku očvrsnutu traku, ali plitak sloj. U praktičnim primjenama, treba ga odabrati na osnovu oblika dijela i zahtjeva za otvrdnjavanjem.
Omjer preklapanja treba uzeti u obzir pri tretiranju velikih površina. Da bi se pokrilo cijelo područje, putanje skeniranja laserskog snopa moraju se djelomično preklapati. Premalo preklapanja ostavlja neočvršćene zone; previše preklapanja može uzrokovati omekšavanje kaljenja. Općenito, odgovarajuća je kontrola između 10-30%.
5. Ključne tačke tretmana za različite materijale
Različiti materijali različito reaguju na lasersko gašenje, što zahtijeva različite procese.
Srednji{0}}ugljični čelici su među najpogodnijim materijalima za lasersko gašenje. Materijali poput čelika 45 i 40Cr imaju umjeren sadržaj ugljika, mogu postići visoku tvrdoću nakon gašenja i manje su skloni pucanju. Tokom obrade, gustina snage može biti odgovarajuće veća, a brzina skeniranja takođe može biti veća.
Alatni čelici poput Cr12MoV, H13, itd., imaju bolju kaljivost zbog prisustva legirajućih elemenata. Lasersko gašenje može postići dublji očvrsnuti sloj, ali se mora obratiti pažnja na kontrolu temperature grijanja kako bi se izbjeglo pregrijavanje.
Materijali od livenog gvožđa takođe mogu biti podvrgnuti laserskom gašenju. Međutim, zbog prisustva grafita, posebna pažnja je potrebna prilikom obrade. Snaga ne može biti prevelika, inače će se grafit razgraditi i stvoriti pore. Općenito, prvo je potrebna površinska predtretman kako bi se poboljšala apsorpcija lasera.
Obojeni metali kao što su legure aluminijuma, legure titanijuma, itd., pokazuju manje očigledne efekte laserskog gašenja u poređenju sa čelikom, ali ipak mogu postići određeni efekat jačanja. Za vrijeme obrade potrebna je preciznija kontrola parametara.
6. Važnost prethodnog tretmana površine
Mnogi metalni materijali imaju visoku refleksivnost prema laserima, posebno materijali poput aluminija i bakra, gdje se većina laserske energije reflektira. Da bi se poboljšala efikasnost apsorpcije laserske energije, potrebna je površinska obrada prije gašenja.
Fosfatiranje je uobičajena metoda. Na površini se formira sloj fosfatnog premaza koji dobro upija lasersku energiju. Nakon tretmana fosfatiranjem, stopa apsorpcije čelika u laser može se povećati sa oko 30% na preko 70%.
Premazivanje{0}}bojom koja upija svjetlost je također vrlo česta. Na tržištu postoje boje posebno dizajnirane za lasersku termičku obradu. Tanak sloj premazan na površini može značajno poboljšati upijanje. Ove boje sagorevaju tokom procesa kaljenja i ne ostaju na površini.
Ohrapavost površine takođe može poboljšati upijanje. Metode poput pjeskarenja čine površinu grubom, povećavajući apsorpciju lasera. Međutim, imajte na umu da hrapavost treba da bude odgovarajuća; previše grubo može uticati na kvalitet površine.
7. Ključne tačke za konfiguraciju opreme
Sistem za gašenje lasera uglavnom uključuje laser, sistem pokreta, sistem hlađenja i sistem upravljanja.
Laser je osnovna komponenta. Laseri sa vlaknima i poluvodički laseri se danas najčešće koriste zbog njihove visoke efikasnosti elektro-optičke konverzije i relativno jednostavnog održavanja. Izbor snage ovisi o potrebama proizvodnje. Generalno, oko 1000 vati je dovoljno za male dijelove, dok za velike dijelove može biti potrebno preko 3000 vati.
Sistem kretanja upravlja relativnim kretanjem između laserske glave i radnog komada. Postoje tipovi pokretnih radnih stolova, tipovi pokretnih laserskih glava i tipovi robotskih ruku. Izbor ovisi o veličini i obliku dijela. Složene zakrivljene površine obično zahtijevaju više-osne sisteme povezivanja.
Sistem hlađenja je veoma važan. Laseru je potrebno hlađenje, a radni komad takođe zahteva odgovarajuće hlađenje tokom kaljenja. Obično se koristi vodeno hlađenje koje osigurava stabilan protok i temperaturu rashladne vode.
Kontrolni sistem je sada kompjuterski{0}}kontrolisan. Može pohraniti više skupova procesnih parametara za direktno pozivanje tokom rada. Dobar kontrolni sistem takođe može pratiti parametre procesa u realnom vremenu i automatski ih prilagođavati kako bi osigurao dosljedan kvalitet.
