Imagine um tratamento que pode aumentar a durabilidade do metal com uma precisão exacta, distorção mínima e sem adicionar materiais extra. O tratamento térmico a laser faz exatamente isso, utilizando lasers de alta intensidade para endurecer superfícies metálicas, resultando numa maior resistência ao desgaste, à fadiga e à corrosão. Neste artigo, irá descobrir como funciona esta tecnologia avançada, as suas vantagens em relação aos métodos tradicionais e as suas vastas aplicações em indústrias como a automóvel e a aeroespacial. Prepare-se para saber como o tratamento térmico a laser está a revolucionar a engenharia de materiais.
O tratamento térmico a laser é uma tecnologia de tratamento térmico de superfícies que utiliza o laser para aquecer materiais metálicos para obter as propriedades de superfície desejadas. O laser é direcionado para a superfície metálica e, se a reflexão for ultrapassada, a maior parte da energia do laser penetra na superfície metálica e é absorvida.
Isto faz com que os electrões do metal fiquem excitados e colidam com a rede ou com outros electrões, transferindo rapidamente o calor da superfície do metal para o seu interior. Isto resulta numa elevada taxa de arrefecimento, o que, por sua vez, leva ao endurecimento da superfície.
O aquecimento a laser tem uma elevada densidade de potência, o que significa que uma grande quantidade de potência é concentrada numa pequena área da peça de trabalho. Esta elevada densidade de potência permite que a peça de trabalho atinja rapidamente a temperatura de austenitização na área irradiada pelo laser.
No entanto, devido ao rápido aquecimento, o calor não pode ser transferido da peça de trabalho por condução e dissipação de calor a tempo. Após a conclusão do aquecimento a laser, a temperatura na maior parte da peça de trabalho permanece baixa.
Isto permite que a área aquecida seja rapidamente arrefecida através da condução de calor dentro da própria peça de trabalho, resultando nos efeitos desejados do tratamento térmico, como o fogo flutuante.
Diagrama esquemático do arrefecimento a laser
Tecnologia de revestimento a laser
O tratamento térmico por laser é um método de modificação das propriedades da superfície dos metais através da utilização de feixes de laser de elevada densidade de potência. Pode induzir o endurecimento por transformação de fase (como o fogo flutuante de superfície), a liga de superfície e outras modificações de superfície, resultando em alterações na composição, estrutura e propriedades da superfície que não podem ser obtidas por outros meios.
Através do tratamento térmico a laser, a dureza da superfície do ferro fundido pode atingir mais de 60 graus de dureza Rockwell (HRC), e a dureza da superfície do ferro fundido médio e aço de alto carbono pode exceder 70 graus HRC, melhorando assim a sua resistência ao desgaste, à fadiga, à corrosão, à oxidação e outras propriedades, e prolongando a sua vida útil.
Em comparação com os processos tradicionais de tratamento térmico, como a têmpera de alta frequência, a cementação e a nitretaçãoO tratamento térmico a laser tem várias vantagens:
A alta potência do laser e o curto tempo de interação com a peça (10^-2 a 10 segundos) resultam numa deformação térmica mínima e na alteração geral da peça, tornando-a adequada para o processamento de peças de alta precisão como procedimento final de processamento de materiais e peças.
O sistema de guia de luz flexível pode direcionar o laser para a peça de processamento conforme desejado, tornando possível processar furos profundos, furos interiores, furos cegos e ranhuras. Também pode ser efectuado um processamento local seletivo.
Para a varrimento de grandes áreas, devem ser utilizadas técnicas de sobreposição múltipla, tecnologia de pontos de grande área, métodos de desfocagem, métodos de banda larga ou métodos de espelho rotativo, uma vez que a área do ponto laser é pequena.
Quando lapidação várias vezes, a microdureza flutua na área entre cada banda de varrimento adjacente e observa-se uma alteração de desempenho macro-periódica no revestimento lapidado de um ponto de vista metalográfico.
Quando se utiliza a tecnologia de pontos de grande área, áreas de pontos maiores resultam em densidades de potência mais baixas quando a potência de saída é constante. O aumento do diâmetro do feixe pode enfraquecer as vantagens da elevada densidade de energia e do aquecimento rápido do laser.
O tratamento térmico a laser pode ser aplicado a quase todos os tratamentos térmicos de superfícies metálicas. Atualmente, é amplamente utilizado em indústrias com elevado desgaste, como a indústria automóvel, metalúrgica, petrolífera, maquinaria pesada, maquinaria agrícola e produtos de alta tecnologia, como a indústria aeroespacial e a aviação.
O tratamento térmico a laser é amplamente utilizado na indústria automóvel e pode ser aplicado a muitas peças-chave de um veículo, tais como blocos de cilindros, camisas de cilindros e cambotas.
Por exemplo, a General Motors, nos Estados Unidos, utiliza mais de uma dúzia de lasers de nível quilowatt para tratamento térmico na indústria automóvel. Nas principais peças automóveis, o CO2 Os lasers endurecem parcialmente a parede interna do invólucro do comutador, com uma produção diária de 30.000 conjuntos, resultando numa melhoria de quatro vezes na eficiência do trabalho.
O tratamento térmico por laser foi adotado na indústria de fabrico de locomotivas de grandes dimensões, melhorando o tempo de vida útil das locomotivas. Isto inclui o tratamento térmico por laser de grandes cambotas, camisas de cilindros e molas principais de motores diesel de locomotivas.
O processo de fabrico de moldes nesta indústria é complexo e exige uma elevada precisão, com várias formas e amplas aplicações. No entanto, a curta vida útil dos moldes conduz frequentemente a custos acrescidos e a dificuldades de reparação.
Para resolver estes problemas, o tratamento térmico a laser das superfícies dos moldes está gradualmente a ganhar reconhecimento e a ser adotado. Este método pode duplicar a vida útil do molde sem estar limitado pela sua forma ou tamanho.
O laser tratamento de superfície abrange várias técnicas, incluindo: transformação de fase a laser, revestimento a laser, ligas a laser e tratamento composto de superfície a laser.
1. Têmpera superficial a laser
(1) Princípio do arrefecimento da superfície por laser
Na têmpera superficial a laser, é utilizado um laser para aquecer a superfície de um material metálico a uma temperatura acima do seu ponto de transformação. À medida que o material arrefece, transforma-se de austenite para martensite, o que endurece a superfície. Isto resulta numa camada de tensão de compressão, que melhora a resistência à fadiga da superfície. Ao utilizar este processo, a resistência ao desgaste e à fadiga dos materiais pode ser muito melhorada.
(2) Características do arrefecimento da superfície por laser
Investigações recentes demonstraram que a aplicação da têmpera superficial a laser enquanto a peça de trabalho está sob pressão e a remoção da força externa após a têmpera pode aumentar a tensão de compressão residual e melhorar a resistência à compressão e à fadiga da peça de trabalho.
Além disso, a velocidade de arrefecimento rápida do arrefecimento de superfícies a laser resulta numa menor transferência de calor para o material, o que reduz a deformação térmica em 1/3 a 1/10 em comparação com o arrefecimento de alta frequência. Isto reduz a carga de trabalho das operações subsequentes e diminui os custos de fabrico.
O processo é de auto-arrefecimento, o que o torna um método de tratamento térmico limpo e higiénico. Também é conveniente efetuar o processamento de compostos com o mesmo processamento a laser sistema. Isto permite a produção automática, integrando diretamente a oferta e a procura de têmpera a laser na linha de produção.
A natureza sem contacto do processo torna-o ideal para a têmpera de superfícies em ranhuras estreitas e superfícies inferiores.
(3) Aplicação do arrefecimento de superfícies por laser
A têmpera superficial a laser é amplamente utilizada devido às suas inúmeras vantagens. Pode aumentar a resistência ao desgaste dos blocos de cilindros do motor em mais de três vezes, duplicar o tempo de vida útil das arestas de corte em peças quentes aço laminado máquinas de corte de chapas e é utilizado para a têmpera de calhas de guia de máquinas-ferramentas, superfícies de dentes de engrenagens, gargalos de manivelas de motores e cames, e várias arestas de corte de ferramentas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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