Warmtebehandeling met laser: Principes, voordelen en toepassingen

1. Principe van laserwarmtebehandeling

Laserwarmtebehandeling is een technologie voor oppervlaktewarmtebehandeling waarbij een laser wordt gebruikt om metalen materialen om de gewenste oppervlakte-eigenschappen te verkrijgen. De laser wordt op het metaaloppervlak gericht en als de reflectie wordt overwonnen, dringt het grootste deel van de laserenergie door in het metaaloppervlak en wordt geabsorbeerd.

Hierdoor raken de elektronen in het metaal aangeslagen en botsen met het rooster of andere elektronen, waardoor de warmte snel van het metaaloppervlak naar het inwendige wordt verplaatst. Dit resulteert in een hoge afkoelsnelheid, wat op zijn beurt leidt tot verharding van het oppervlak.

Laserverwarming heeft een hoge vermogensdichtheid, wat betekent dat een grote hoeveelheid vermogen geconcentreerd is in een klein gebied van het werkstuk. Door deze hoge vermogensdichtheid bereikt het werkstuk snel de austenitiserende temperatuur in het met laser bestraalde gebied.

Door de snelle verhitting kan de warmte echter niet op tijd van het werkstuk worden afgevoerd door geleiding en warmteafvoer. Nadat de laser verhit is, blijft de temperatuur in het grootste deel van het werkstuk laag.

Hierdoor kan het verhitte gebied snel worden afgekoeld door warmtegeleiding in het werkstuk zelf, wat resulteert in de gewenste warmtebehandelingseffecten zoals zwevend vuur.

Schematisch diagram van laserafkoeling

Lasercladdingtechnologie

2. Voor- en nadelen van laserwarmtebehandeling

Laserwarmtebehandeling is een methode om de oppervlakte-eigenschappen van metalen te wijzigen met behulp van laserstralen met hoge vermogensdichtheid. Het kan fasetransformatieverharding (zoals drijvend vuur aan het oppervlak), oppervlakte-legeringen en andere oppervlaktemodificaties teweegbrengen, wat resulteert in veranderingen in de oppervlaktesamenstelling, structuur en eigenschappen die op andere manieren niet te bereiken zijn.

Door laserwarmtebehandeling kan de oppervlaktehardheid van gietijzer meer dan 60 Rockwell-hardheidsgraden (HRC) bereiken, en de oppervlaktehardheid van medium en hoog koolstofstaal kan 70 HRC graden overschrijden, waardoor de slijtage, vermoeidheid, corrosie, oxidatieweerstand en andere eigenschappen worden verbeterd en de levensduur wordt verlengd.

Vergeleken met traditionele warmtebehandelingsprocessen zoals hoogfrequent afschrikken, carboneren en nitrerenLaserwarmtebehandeling heeft verschillende voordelen:

1. Er zijn geen extra materialen nodig, alleen de structuur van het oppervlak van het behandelde materiaal wordt veranderd.
2. De behandelde gemodificeerde laag heeft voldoende dikte en kan naar wens worden aangepast tot een diepte van 0,1-0,8 mm.
3. Minimale vervorming van het bewerkte onderdeel.

De hoge laservermogen dichtheid en de korte interactietijd met het onderdeel (10^-2 tot 10 seconden) resulteren in minimale thermische vervorming en algehele verandering van het onderdeel, waardoor het geschikt is voor het verwerken van zeer nauwkeurige onderdelen als de laatste verwerkingsprocedure van materialen en onderdelen.

4. Goede verwerkingsflexibiliteit en brede toepassing.

Het flexibele lichtgeleidingssysteem kan de laser naar wens op het bewerkingsdeel richten, waardoor het mogelijk is om diepe gaten, binnengaten, blinde gaten en groeven te bewerken. Er kan ook selectieve lokale bewerking worden uitgevoerd.

Voor het scannen van grote oppervlakken moeten meerdere overlappende technieken, spottechnologie voor grote oppervlakken, defocusmethoden, breedbandmethoden of roterende spiegelmethoden worden gebruikt omdat het laserspotgebied klein is.

Wanneer lapping meerdere keren, de microhardheid fluctueert in het gebied tussen elke aangrenzende scanband en een macro periodieke prestatieverandering wordt waargenomen in de gelapte coating vanuit een metallografisch standpunt.

Bij gebruik van grote spottechnologie resulteren grotere spotoppervlakken in lagere vermogensdichtheden wanneer het uitgangsvermogen constant is. Het vergroten van de straaldiameter kan de voordelen van de hoge energiedichtheid en snelle verwarming van de laser verzwakken.

3. Toepassing van laserwarmtebehandeling

Laserwarmtebehandeling kan worden toegepast op bijna alle warmtebehandelingen van metaaloppervlakken. Op dit moment wordt het veel gebruikt in industrieën met veel slijtage, zoals auto's, metallurgie, petroleum, zware machines, landbouwmachines en high-tech producten zoals lucht- en ruimtevaart en luchtvaart.

1. Auto-industrie

Laserwarmtebehandeling wordt veel gebruikt in de auto-industrie en kan worden toegepast op veel belangrijke onderdelen van een voertuig, zoals cilinderblokken, cilindervoeringen en krukassen.

General Motors in de Verenigde Staten gebruikt bijvoorbeeld meer dan een dozijn kilowattlasers voor warmtebehandeling in de auto-industrie. Op belangrijke auto-onderdelen worden CO₂ lasers harden de binnenwand van de behuizing van de commutator gedeeltelijk uit, met een dagelijkse output van 30.000 sets, wat resulteert in een viervoudige verbetering van de werkefficiëntie.

2. Productie van grote locomotieven

Laserwarmtebehandeling wordt toegepast in de productie van grote locomotieven en verbetert de levensduur van locomotieven. Dit omvat laserwarmtebehandeling van grote krukassen en cilindervoeringen en hoofdveren van locomotiefdieselmotoren.

Het matrijzenproductieproces in deze industrie is complex en vereist hoge precisie, met verschillende vormen en brede toepassingen. De korte levensduur van de matrijzen leidt echter vaak tot hogere kosten en reparatieproblemen.

Om deze problemen aan te pakken, wordt de laserwarmtebehandeling van matrijsoppervlakken steeds meer erkend en toegepast. Deze methode kan de levensduur van de matrijs verdubbelen zonder beperkt te worden door vorm of grootte.

De laser oppervlaktebehandeling technologie omvat verschillende technieken waaronder: laser fasetransformatie, laser cladding, laser legeren en laser oppervlakte composiet behandeling.

1. Laser afschrikken van oppervlakken

(1) Principe van afschrikken van het laseroppervlak

Bij oppervlakteafkoeling met een laser wordt een laser gebruikt om het oppervlak van een metaalmateriaal tot een temperatuur boven het transformatiepunt. Als het materiaal afkoelt, transformeert het van austeniet tot martensiet, waardoor het oppervlak harder wordt. Dit resulteert in een laag van drukspanning, die de vermoeiingssterkte van het oppervlak. Door dit proces te gebruiken kan de slijtvastheid en vermoeiingsweerstand van materialen sterk worden verbeterd.

(2) Kenmerken van afschrikken van het laseroppervlak

Recent onderzoek heeft aangetoond dat het afschrikken van het laseroppervlak terwijl het werkstuk onder druk staat en het verwijderen van de externe kracht na het afschrikken de restdrukspanning kan verhogen en de druk- en vermoeiingssterkte van het werkstuk kan verbeteren.

Bovendien resulteert de snelle afschriksnelheid van laserafschrikken in minder warmteoverdracht naar het materiaal, waardoor de thermische vervorming 1/3 tot 1/10 kleiner is dan bij hoogfrequent afschrikken. Dit vermindert de werklast van de daaropvolgende bewerkingen en verlaagt de productiekosten.

Het proces koelt zichzelf af, waardoor het een schone en hygiënische warmtebehandelingsmethode is. Het is ook handig om samengestelde bewerkingen uit te voeren met dezelfde laserbewerking systeem. Dit maakt automatische productie mogelijk door vraag en aanbod van laserstralen direct in de productielijn te integreren.

De contactloze aard van het proces maakt het ideaal voor het blussen van oppervlakken in smalle groeven en onderoppervlakken.

(3) Toepassing van het doven van het laseroppervlak

Het doven van het laseroppervlak wordt veel gebruikt vanwege de vele voordelen. Het kan de slijtvastheid van motorcilinderblokken met meer dan drie keer verhogen, de levensduur van snijkanten op hete oppervlakken verdubbelen en de weerstand tegen slijtage verhogen. gerold staal plaatschaarmachines en wordt gebruikt voor het blussen van geleiderails van werktuigmachines, tandwieloppervlakken, krukhalzen en nokken van motorkrukassen en diverse snijranden van gereedschappen.