Laserové kalení
Úvod Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství. poslední době se začínají komerčně prosazovat nové způsoby zpracování pomocí energetických svazků iontů, elektronů nebo laserového záření.
Úvod Elektronový svazek umožňuje ohřev a tavení povrchu většiny kovů. Gaussovský profil předurčuje tuto techniku například pro hluboké penetrační svařování. Nevýhodou je vznik RTG záření a s ním spojené bezpečnostní rizika, stejně jako potřeba vakua v pracovním prostoru.
Úvod Laserový svazek tuto nevýhodu nemá a proto jeho poptávka pro zpracování materiálu roste. Pomocí výkonového laseru je možné rychlé, kvalitní a reprodukovatelné tepelné zpracování.
Zpracování materiálu Procesy působení svazku na povrch materiálu lze rozdělit do 3 tříd: Ohřev (kalení, atd.) Tavení (svařování, atd.) Odpařování (řezání, vrtání, atd.) Závisí to na hustotě výkonu laseru a na době interakce s materiálem
Princip laserového kalení spočívá v rychlém ohřevu (pod bod tání) povrchu materiálu laserem, krátké výdrži na teplotě a následném prudkém ochlazení vlivem tepelné vodivosti materiálu. Ve fázi ohřívání dochází k austenizaci (požadovaná povrchová vrstva musí být ohřátá nad austenizační teploty a setrvat na těchto teplotách po dobu homogenizace austenitu.)
Ve fázi chladnutí dochází k martenzitické transformaci (tepelně zpracovaná povrchová oblast musí být v dobrém kontaktu s adekvátním objemem základního materiálu pro intenzivní odvod tepla a samo-ochlazovací efekt). Tento samo-ochlazovací efekt způsobuje v povrchových vrstvách vznik jemnozrnné martenzitické struktury o vysoké tvrdosti, při zachování houževnatosti jádra. Tloušťka materiálu by měla být až 10x větší než hloubka prokalení (v jiném případě by bylo nutné použít chlazení)
Laserové kalení patří k procesům povrchového kalení. laserový svazek intenzivně zahřívá pouze povrchové vrstvy materiálu, zatímco okolní materiál se udržuje na teplotě prostředí Používá se výhradně u železných materiálů, které lze kalit. To jsou oceli a litiny s podílem uhlíku více než 0,2 procenta.
Ke kalení jsou zapotřebí relativně nízké výkony. Zároveň má být obrobek obroben plošně. Proto se vytvoří laserový svazek tak, aby ozářil co největší plochu. Běžné jsou obdélníkové ozařovací plochy. Ke kalení se rovněž používají skenerové optiky. Pohybují laserovým paprskem s kruhovým ohniskem velmi rychle sem a tam. Na obrobku vznikne linie s téměř rovnoměrným výkonem. Tím lze vytvořit pruhy kalení až o šířce 60 milimetrů.
Významnou výhodou je možnost lokálního kalení jen na požadovaném místě. Je možné řídit hloubku prokalení a výslednou tvrdost. volený výkon (0.5 10 kw) řídí především dodanou energii, tedy teplotu procesu rychlostí pohybu (5 400 mm/s) po povrchu se ovlivňuje hloubka prokalení (0.1 2.5 mm).
Samozřejmě dalším parametrem je vlastní chemické složení materiálu (absorpce) a některé další faktory jako třeba výkonový profil a velikost svazku. Teplota kalení je kontrolována pyrometrem, který ve zpětné vazbě řídí výkon laseru.
Nevýhody běžných metod kalení (indukční, plamenem) Kalení plamenem je těžko definovatelný proces d obtížně řiditelnou teplotou a velkým ovlivněním základního materiálu. Indukční kalení vyžaduje konstrukci induktoru podle tvaru součástky
Chlazení kapalinou a následná oxidace povrchu. Nutné další opracování. Především kalení plamenem probíhá ručně a pomalu. Přenos tepla do materiálu má malou účinnost a roste doba potřebná pro austenitizaci. Tím hrubne zrno.
Výhody laserového kalení: Vysoký výkon Přesnost Spolehlivost Efektivita Rychlost (seriová produkce, cena ) Kvalita
Další výhody: Neomezená velikost kaleného předmětu Lze kalit i složité tvary (otvory,drážky, atd.) Minimální teplotní deformace (přesný a rychlý ohřev, malý přenos tepla) Lokální kalení (zanechání houževnatosti okolo, nízké tepelné zatížení okolo) Žádné další obrábění (nízká oxidace)
Minimální vznik trhlin Nemusíme dodatečně chladit Delší životnost produktů Možnost volby vlnové délky pro zvýšenou absorpci Řízení počítačem (průmysloví roboti, přesné zpracování)
Kalení paprskem laseru je v průmyslu používáno asi 10 let. S vývojem vhodných laserových systémů nabývá v současné době stále na významu. Pro kalení laserem se používají CO 2 lasery, lasery Nd:YAG, vláknové lasery a dnes také vysoce výkonné diodové lasery. Vysoce výkonné diodové lasery pracují s relativně krátkými vlnovými délkami (805nm). Absorpce přiváděné energie materiálem obrobku je ve srovnání s ostatními druhy laserů značně větší, účinnost těchto laserů je cca 35 %. Jejich provoz je rychlejší a hospodárnější.
Použití laserového kalení (všude) Ozubená kola Lopatky turbín Navíjecí bubny Pístní kroužky Atd. Nejvíce v automobilovém průmyslu
KONEC