Принцип, характеристики и приложение на технологията за лазерно закаляване

Лазерното закаляване е авангарден процес, който използва високоенергийни лазерни лъчи за нагряване на повърхностите на материалите отвъд точките им на фазов преход. С естественото охлаждане на материала, аустенитът се трансформира в мартензит, създавайки втвърден слой с изключителна твърдост и износоустойчивост върху повърхността на продукта. Тази техника значително променя микроструктурата и свойствата на повърхностите на детайлите, без да се прави компромис с общите характеристики на основния материал, постигайки локализирано повишаване на якостта чрез контролирана термична обработка.

Характеристиките на лазерното повърхностно закаляване включват:

Висока плътност на мощността: лазерното повърхностно закаляване използва фокусиран лазерен лъч като източник на топлина за бързо нагряване на повърхността на детайла и образуване на аустенит.

Бързо нагряване и охлаждане: Процесът постига бързо нагряване в рамките на секунди (обикновено 0,01-0,001 секунди), като ефективно минимизира деформацията на детайла. Този чист и ефикасен метод на закаляване елиминира необходимостта от вода или масло като охлаждащи агенти. В сравнение с процесите на индукционно закаляване, пламъчно закаляване и цементация, лазерното закаляване осигурява равномерно закален слой с превъзходна твърдост (обикновено с 1-3HRC по-висока от индукционното закаляване).

Минимална деформация на детайлите: Бързият процес на нагряване и охлаждане минимизира деформацията на детайла, позволявайки прецизен контрол на дълбочината и траекторията на нагряване. Това позволява автоматизация, без да се изискват персонализирани индукционни бобини за различни размери на детайлите, както е необходимо при индукционно закаляване. Също така елиминира ограниченията за размера на пещта, свързани с химическа термична обработка, като цементация и закаляване за големи компоненти. Следователно, лазерното закаляване все повече замества традиционните методи, като индукционно закаляване и химическа термична обработка, в различни индустриални приложения. Важно е да се отбележи, че лазерното закаляване причинява незначителна деформация на материала преди и след обработката. При високотемпературни метални части, където температурите на закаляване съвпадат с точките на топене, повърхностното закаляване на базата на индукция често уврежда ъгли или неравни области, което води до брак. Лазерното повърхностно закаляване напълно избягва това ограничение.

Следователно, той е особено подходящ за повърхностна обработка на части с високи изисквания за прецизност. Обработеният детайл не е необходимо да се шлайфа и може да се използва като последен процес на довършителна обработка.

Подходящ за сложни форми: Може да се използва за компоненти със сложна форма, като например глухи отвори, вътрешни отвори, малки канали, тънкостенни части и др. Силна гъвкавост: Поради голямата дълбочина на фокусиране на лазера, няма строги ограничения за размера, размерите или повърхността на частите по време на закаляване. За разлика от това, съществуващото средно-високочестотно закаляване изисква специално изработени индукционни сензори за различни части;

Дълбочината на лазерно закалените слоеве обикновено варира в диапазона от 0,3 до 2,0 мм, в зависимост от фактори като състав на материала, спецификации, характеристики на повърхността и ключови параметри на обработка. При извършване на закаляване на валови шийки на големи трансмисионни зъбни колела или компоненти на валове на двигатели, грапавостта на повърхността остава практически непроменена. Това елиминира необходимостта от последваща обработка, за да се отговорят на специфични оперативни изисквания.

Лазерното закаляване използва два метода на сканиране: теснолентово сканиране с кръгли или правоъгълни петна и широколентово сканиране с линейни петна. Ширината на втвърдената зона при теснолентовото сканиране съответства точно на диаметъра на петното, обикновено в рамките на 5 мм. За приложения за закаляване с голяма площ са необходими последователни сканирания, където припокриващите се зони създават темперирани омекващи ленти. Ширината на тези ленти зависи от характеристиките на петното, като равномерните правоъгълни петна обикновено създават по-малки ленти. За да се смекчат неблагоприятните ефекти от омекващите ленти, се използва технология за широколентово сканиране. Този метод трансформира фокусираните кръгли петна в линейни, като значително разширява ширината на сканиране.

Изследванията, разработването и приложението на технологията за лазерно закаляване в момента са във възходяща фаза, въпреки че продължават да съществуват предизвикателства при обработката на детайли със сложна форма. Въпреки това, като авангардна иновация в термичната обработка, лазерното закаляване позволява постигането на технически цели, които традиционните методи за повърхностно закаляване трудно постигат. Забележително е, че този процес елиминира необходимостта от охлаждащи среди по време на производството, което е в съответствие с ангажимента на световната индустрия за стандарти за „ниско окисление и екологично производство“. Той се оказва особено ефективен за повърхностна термична обработка на различни механични компоненти, включително ръбове на режещи инструменти, уплътнителни повърхности на клапани, малки зъбни колела, миниатюрни форми, автомобилни части, зъбни венци, водачи на машинни инструменти, валове на двигатели и редукторни валове.