1. Tehnilised põhimõtted ja põhiprotsess
Laserkarastus on viimastel aastatel tehastes üha levinum pinnatöötlusmeetod. Lihtsamalt öeldes hõlmab see suure-energia laserkiire kasutamist metallosa pinna kiireks kiiritamiseks, väga õhukese metallpinna kihi kuumutamist väga lühikese aja jooksul väga kõrgele temperatuurile ja seejärel detaili enda kiiret jahtumist, muutes pinna väga kõvaks ja kulumiskindlaks.
Sellel protsessil on tegelikult sarnasusi traditsioonilise karastamisega; mõlemad saavad kiirel jahutamisel kõva mikrostruktuuri. Laserkustutamisel on aga oma omadused: see soojendab ainult väga õhukese pinnakihi, jättes detaili sisemuse suures osas mõjutamata, mille tulemuseks on väga väikesed moonutused. Lisaks võib laserkiir liikuda paindlikult ja töödelda keeruka kujuga osi, mida on traditsiooniliste karastusmeetodite puhul raske saavutada.
2. Kuidas laserkustutamine töötab
Kui laserkiir tabab metallpinda, neeldub metall energia ja pinna temperatuur tõuseb kiiresti. Tavalise terase puhul peab temperatuur ületama 800 kraadi Celsiuse järgi, sel hetkel muutub terase mikrostruktuur austeniidiks. Sel hetkel liigub laserkiir eemale ja külma sisemise alusmaterjali sisse juhitakse kiiresti soojust jahutuskiirusega, mis võib ulatuda kümnetesse tuhandetesse Celsiuse kraadidesse sekundis. Sellise kiire jahutamise korral muutub austeniit kõvaks martensiidiks.
Selles protsessis on mitu põhipunkti: kuumutuskiirus peab olema piisavalt kiire, et alusmaterjalil poleks aega soojeneda; jahutuskiirus peab olema ka piisavalt kiire, et saada peen martensiitne mikrostruktuur. Laserkustutus suudab neid nõudeid täpselt täita. See võib kuumutamise lõpule viia tuhande sekundi jooksul ja seejärel tugineda põhimaterjali enda kiirele soojuse hajumisele.
3. Laserkustutamise peamised omadused
Väikesed moonutused on laseriga kustutamise kõige ilmsem eelis. Kuna kuumutatakse ainult õhukest pinnakihti, on detaili üldine temperatuurimuutus minimaalne, mille tulemuseks on madal termiline pinge. Seetõttu on moonutuste hulk tavaliselt vaid üks-kümnendik traditsioonilise kustutamise omast. See on eriti oluline täppisosade puhul.
Kõrge kõvadus on veel üks omadus. Laserkiire kuumutamine ja jahutamine loovad väga peene martensiitse mikrostruktuuri. See mikrostruktuur on peenem kui tavapärasel karastamisel saadud ja ka kõvem. Näiteks 45 terase puhul on tavaline karastamise kõvadus umbes 55 HRC, samas kui laseriga karastamine võib saavutada 60–65 HRC.
Hea selektiivsus annab laserkustutamisele olulise eelise. Laserkiir suudab täpselt juhtida kiiritatud ala, töödeldes ainult kõvenemist vajavaid osi. Näiteks hammasratta hammaste pindu või juhtsiinide tööpindu saab karastada, samal ajal kui muud alad jäävad muutumatuks.
Tähelepanu väärib ka kõrge automatiseerituse tase. Kogu karastusprotsessi saab juhtida arvutiga, stabiilsete parameetrite ja hea korratavusega, mis sobib masstootmiseks.
4. Laserkustutamise protsessi juhtimine
Laserkustutamise edukaks läbiviimiseks tuleb kontrollida mitmeid põhiparameetreid.
Laseri võimsus määrab sisendenergia hulga. Kui võimsus on liiga madal, ei vasta pinnatemperatuur nõuetele; kui see on liiga kõrge, võib see pinda põletada. Tavaliselt valitakse see materjali tüübi ja kõvenemissügavuse nõuete alusel, tavaliselt vahemikus 500–5000 vatti.
Skaneerimiskiirus viitab laserkiire liikumiskiirusele. Kui kiirus on liiga aeglane, koguneb liigne kuumus, mis võib mõjutada alusmaterjali; kui see on liiga kiire, on kuumutamine ebapiisav ja mikrostruktuuriline transformatsioon on puudulik. Seda parameetrit tuleb reguleerida koos võimsusega.
Laigu suurus mõjutab energiatihedust ja karastatud riba laiust. Väike laik tähendab kontsentreeritud energiat, mille tulemuseks on sügav, kuid kitsas kõvastunud kiht; suur laik tähendab laia kõvastunud riba, kuid madalat kihti. Praktilistes rakendustes tuleks see valida detaili kuju ja kõvenemisnõuete alusel.
Suurte alade töötlemisel tuleb arvestada kattumise suhet. Kogu ala katmiseks peavad laserkiire skaneerimisrajad osaliselt kattuma. Liiga väike kattuvus jätab karastamata tsoonid; liiga palju kattumist võib põhjustada karastamise pehmenemist. Üldiselt on asjakohane kontrollida seda vahemikus 10-30%.
5. Erinevate materjalide töötlemise põhipunktid
Erinevad materjalid reageerivad laseriga kustutamisele erinevalt, nõudes erinevaid protsesse.
Keskmised{0}}süsinikterased on laseriga kustutamiseks kõige sobivamate materjalide hulgas. Materjalid, nagu teras 45 ja 40 Cr, on mõõduka süsinikusisaldusega, võivad pärast karastamist saavutada suure kõvaduse ja on vähem altid pragunemisele. Töötlemise ajal võib võimsustihedus olla sobivalt suurem ja skannimiskiirus võib olla ka kiirem.
Tööriistaterastel nagu Cr12MoV, H13 jne on legeerelementide olemasolu tõttu parem karastatavus. Laserkarastusega on võimalik saavutada sügavam kivistunud kiht, kuid ülekuumenemise vältimiseks tuleb tähelepanu pöörata küttetemperatuuri reguleerimisele.
Malmmaterjale saab ka laseriga karastada. Kuid grafiidi olemasolu tõttu on töötlemisel vaja erilist tähelepanu. Võimsus ei saa olla liiga suur, muidu grafiit laguneb ja tekitab poore. Üldiselt on laseri neeldumise parandamiseks kõigepealt vaja pinna eeltöötlust.
Värvilistel metallidel, nagu alumiiniumisulamid, titaanisulamid jne, on laseriga karastamisel vähem ilmsed mõjud võrreldes terasega, kuid need võivad siiski saavutada teatud tugevdava efekti. Töötlemise ajal on vaja täpsemat parameetrite juhtimist.
6. Pinna eeltöötluse tähtsus
Paljudel metallimaterjalidel on laserite suhtes kõrge peegeldusvõime, eriti sellistel materjalidel nagu alumiinium ja vask, kus suurem osa laserenergiast peegeldub. Laserenergia neeldumistõhususe parandamiseks on enne kustutamist vajalik pinnatöötlus.
Fosfaadiga töötlemine on tavaliselt kasutatav meetod. Pinnale moodustub fosfaatkatte kiht, mis neelab hästi laserenergiat. Pärast fosfaattöötlust võib terase neeldumismäär laseriga tõusta umbes 30%-lt üle 70%-ni.
Valgust{0}}neelava värviga katmine on samuti väga levinud. Turul on spetsiaalselt laserkuumtöötluseks mõeldud värve. Pinnale kantud õhuke kiht võib imendumist oluliselt parandada. Need värvid põlevad karastuse käigus ära ega jää pinnale.
Pinna karestamine võib samuti parandada imendumist. Sellised meetodid nagu liivaprits muudavad pinna karedaks, suurendades laseri neeldumist. Kuid pange tähele, et karedus peaks olema sobiv; liiga kare võib pinna kvaliteeti mõjutada.
7. Seadmete konfigureerimise põhipunktid
Laserkustutussüsteem sisaldab peamiselt laserit, liikumissüsteemi, jahutussüsteemi ja juhtimissüsteemi.
Laser on põhikomponent. Kiudlasereid ja pooljuhtlasereid kasutatakse praegu sageli nende suure elektro-optilise muundamise efektiivsuse ja suhteliselt lihtsa hoolduse tõttu. Võimsuse valik sõltub tootmisvajadustest. Üldiselt piisab väikeste osade jaoks umbes 1000 vatist, samas kui suurte osade jaoks võib vaja minna üle 3000 vatti.
Liikumissüsteem tegeleb suhtelise liikumisega laserpea ja tooriku vahel. On olemas liikuva töölaua tüübid, liikuvad laserpeatüübid ja robotkäetüübid. Valik sõltub detaili suurusest ja kujust. Keerulised kumerad pinnad nõuavad tavaliselt mitme-teljega ühendussüsteeme.
Jahutussüsteem on väga oluline. Laser ise vajab jahutamist ja ka toorik vajab karastamisel vastavat jahutamist. Üldiselt kasutatakse vesijahutust, mis tagab stabiilse jahutusvee voolu ja temperatuuri.
Juhtimissüsteemi juhitakse nüüd-arvutiga. See võib salvestada mitu protsessiparameetrite komplekti, et neid töö ajal otse tagasi kutsuda. Hea juhtimissüsteem suudab ka protsessi parameetreid reaalajas jälgida ja neid automaatselt reguleerida, et tagada ühtlane kvaliteet.
