1. Tehniskie principi un pamatprocess
Lāzera dzēšana pēdējos gados ir arvien izplatītāka virsmu apstrādes metode rūpnīcās. Vienkārši sakot, tas ietver augstas-enerģijas lāzera stara izmantošanu, lai ātri apstarotu metāla daļas virsmu, ļoti īsā laikā uzsildot ļoti plānu metāla virsmas slāni līdz ļoti augstai temperatūrai, pēc tam paļaujoties uz pašas daļas ātru atdzišanu, tādējādi padarot virsmu ļoti cietu un nodilumizturīgu.
Šim procesam faktiski ir līdzības ar tradicionālo dzēšanu; abas iegūst cietu mikrostruktūru, ātri atdzesējot. Tomēr lāzera dzēšanai ir savas īpašības: tā uzsilda tikai ļoti plānu virsmas slāni, atstājot daļas iekšpusi lielākoties neskartu, kā rezultātā rodas ļoti nelieli kropļojumi. Turklāt lāzera stars var pārvietoties elastīgi un var apstrādāt detaļas ar sarežģītām formām, ko ir grūti sasniegt ar tradicionālajām dzēšanas metodēm.
2. Kā darbojas lāzera dzēšana
Kad lāzera stars skar metāla virsmu, metāls absorbē enerģiju, un virsmas temperatūra strauji paaugstinās. Parastajam tēraudam temperatūrai ir jāpārsniedz 800 grādi pēc Celsija, un šajā brīdī tērauda mikrostruktūra pārvēršas austenītā. Šajā brīdī lāzera stars attālinās, un siltums ātri tiek novadīts aukstā iekšējā pamatmateriālā ar dzesēšanas ātrumu, kas var sasniegt desmitiem tūkstošu grādu pēc Celsija sekundē. Tik strauji atdzesējot, austenīts pārvēršas cietā martensītā.
Šajā procesā ir vairāki galvenie punkti: sildīšanas ātrumam jābūt pietiekami ātram, lai pamatmateriālam nebūtu laika uzkarst; arī dzesēšanas ātrumam jābūt pietiekami lielam, lai iegūtu smalku martensīta mikrostruktūru. Lāzera dzēšana var precīzi izpildīt šīs prasības. Tas var pabeigt sildīšanu sekundes tūkstošdaļās, pēc tam paļaujoties uz paša pamatmateriāla ātru siltuma izkliedi.
3. Lāzera dzēšanas galvenās īpašības
Nelieli kropļojumi ir visredzamākā lāzera slāpēšanas priekšrocība. Tā kā tiek uzkarsēts tikai plāns virsmas slānis, detaļu kopējās temperatūras izmaiņas ir minimālas, kā rezultātā rodas zems termiskais spriegums. Tāpēc izkropļojumu apjoms parasti ir tikai viena-desmitā daļa no tradicionālās dzēšanas. Tas ir īpaši svarīgi precīzām daļām.
Vēl viena īpašība ir augsta cietība. Ātra lāzera sildīšana un dzesēšana rada ļoti smalku martensīta mikrostruktūru. Šī mikrostruktūra ir smalkāka par to, kas iegūta ar parasto rūdīšanu, un arī cietāka. Piemēram, 45 tēraudam parastā rūdīšanas cietība ir aptuveni 55 HRC, savukārt lāzera dzēšana var sasniegt 60–65 HRC.
Laba selektivitāte sniedz lāzera slāpēšanai ievērojamu priekšrocību. Lāzera stars var precīzi kontrolēt apstaroto zonu, apstrādājot tikai tās daļas, kurām nepieciešama sacietēšana. Piemēram, zobrata zobu virsmas vai vadošās sliedes darba virsmas var tikt rūdītas, kamēr citas vietas paliek nemainīgas.
Jāatzīmē arī augsta automatizācijas pakāpe. Visu dzēšanas procesu var kontrolēt ar datoru, ar stabiliem parametriem un labu atkārtojamību, kas ir piemērots masveida ražošanai.
4. Lāzera dzēšanas procesa kontrole
Lai labi veiktu lāzera dzēšanu, ir jākontrolē vairāki galvenie parametri.
Lāzera jauda nosaka ievadītās enerģijas daudzumu. Ja jauda ir pārāk zema, virsmas temperatūra neatbilst prasībām; ja tas ir pārāk augsts, tas var apdedzināt virsmu. Parasti to izvēlas, pamatojoties uz materiāla veidu un cietēšanas dziļuma prasībām, kas parasti svārstās no 500 līdz 5000 vatiem.
Skenēšanas ātrums attiecas uz lāzera stara kustības ātrumu. Ja ātrums ir pārāk lēns, uzkrājas pārmērīgs karstums, kas var ietekmēt pamatmateriālu; ja pārāk ātri, apkure ir nepietiekama, un mikrostrukturālā transformācija ir nepilnīga. Šis parametrs ir jāpielāgo kopā ar jaudu.
Plankuma izmērs ietekmē enerģijas blīvumu un cietinātās joslas platumu. Neliels plankums nozīmē koncentrētu enerģiju, kā rezultātā veidojas dziļš, bet šaurs sacietējis slānis; liels plankums nozīmē plašu sacietējušu joslu, bet seklu slāni. Praktiskā pielietojumā tas jāizvēlas, pamatojoties uz detaļas formu un rūdīšanas prasībām.
Apstrādājot lielas platības, jāņem vērā pārklāšanās attiecība. Lai aptvertu visu laukumu, lāzera stara skenēšanas ceļiem daļēji jāpārklājas. Pārāk maza pārklāšanās atstāj nesacietētas zonas; pārāk liela pārklāšanās var izraisīt rūdīšanas mīkstināšanu. Parasti ir lietderīgi to kontrolēt no 10 līdz 30%.
5. Dažādu materiālu apstrāde
Dažādi materiāli atšķirīgi reaģē uz lāzera dzēšanu, tāpēc ir nepieciešami dažādi procesi.
Vidēji{0}}oglekļa tēraudi ir vieni no vispiemērotākajiem materiāliem lāzera slāpēšanai. Materiāliem, piemēram, 45 tēraudam un 40 Cr, ir mērens oglekļa saturs, tie var sasniegt augstu cietību pēc rūdīšanas, un tie ir mazāk pakļauti plaisāšanai. Apstrādes laikā jaudas blīvums var būt attiecīgi lielāks, un skenēšanas ātrums var būt arī ātrāks.
Instrumentu tēraudiem, piemēram, Cr12MoV, H13 utt., ir labāka cietība leģējošu elementu klātbūtnes dēļ. Lāzera rūdīšana var panākt dziļāku sacietējušu slāni, taču ir jāpievērš uzmanība apkures temperatūras kontrolei, lai izvairītos no pārkaršanas.
Čuguna materiālus var arī dzēst ar lāzeru. Tomēr, ņemot vērā grafīta klātbūtni, apstrādes laikā ir jāpievērš īpaša uzmanība. Jauda nevar būt pārāk liela, pretējā gadījumā grafīts sadalīsies un veidos poras. Parasti vispirms ir nepieciešama virsmas pirmapstrāde, lai uzlabotu lāzera absorbciju.
Krāsainie metāli, piemēram, alumīnija sakausējumi, titāna sakausējumi utt., salīdzinājumā ar tēraudu rada mazāk acīmredzamu lāzera rūdīšanas efektu, taču tie tomēr var sasniegt zināmu stiprinošu efektu. Apstrādes laikā nepieciešama precīzāka parametru kontrole.
6. Virsmas pirmapstrādes nozīme
Daudziem metāliskiem materiāliem ir augsta atstarošanas spēja pret lāzeriem, īpaši tādiem materiāliem kā alumīnijs un varš, kur tiek atstarota lielākā daļa lāzera enerģijas. Lai uzlabotu lāzera enerģijas absorbcijas efektivitāti, pirms dzēšanas nepieciešama virsmas apstrāde.
Fosfatēšanas apstrāde ir plaši izmantota metode. Uz virsmas veidojas fosfāta pārklājuma slānis, kas labi absorbē lāzera enerģiju. Pēc apstrādes ar fosfatēšanu tērauda absorbcijas ātrums lāzerā var palielināties no aptuveni 30% līdz vairāk nekā 70%.
Ļoti izplatīta ir arī pārklāšana ar gaismu{0}}absorbējošu krāsu. Tirgū ir krāsas, kas īpaši paredzētas lāzera termiskai apstrādei. Plāns slānis, kas pārklāts uz virsmas, var ievērojami uzlabot absorbciju. Šīs krāsas rūdīšanas procesā nodeg un nepaliek uz virsmas.
Virsmas raupināšana var arī uzlabot absorbciju. Tādas metodes kā smilšu strūkla padara virsmu raupju, palielinot lāzera absorbciju. Tomēr ņemiet vērā, ka raupjumam jābūt atbilstošam; pārāk raupja var ietekmēt virsmas kvalitāti.
7. Galvenie punkti aprīkojuma konfigurēšanai
Lāzera slāpēšanas sistēma galvenokārt ietver lāzeru, kustības sistēmu, dzesēšanas sistēmu un vadības sistēmu.
Lāzers ir galvenā sastāvdaļa. Mūsdienās plaši izmanto šķiedru lāzerus un pusvadītāju lāzerus to augstās elektro-optiskās konversijas efektivitātes un salīdzinoši vienkāršas apkopes dēļ. Jaudas izvēle ir atkarīga no ražošanas vajadzībām. Parasti mazām detaļām pietiek ar aptuveni 1000 vatiem, savukārt lielām daļām var būt nepieciešami vairāk nekā 3000 vati.
Kustības sistēma apstrādā relatīvo kustību starp lāzera galvu un apstrādājamo priekšmetu. Ir kustīgu darba galdu veidi, kustīgu lāzergalvu veidi un robotu roku veidi. Izvēle ir atkarīga no detaļas izmēra un formas. Sarežģītām izliektām virsmām parasti ir nepieciešamas vairāku -asu savienojumu sistēmas.
Dzesēšanas sistēma ir ļoti svarīga. Lāzeram pašam ir nepieciešama dzesēšana, un sagatavei ir nepieciešama arī atbilstoša dzesēšana dzesēšanas laikā. Parasti tiek izmantota ūdens dzesēšana, nodrošinot stabilu dzesēšanas ūdens plūsmu un temperatūru.
Vadības sistēma tagad tiek vadīta{0}}dators. Tas var saglabāt vairākas procesa parametru kopas tiešai atsaukšanai darbības laikā. Laba vadības sistēma var arī uzraudzīt procesa parametrus reāllaikā un automātiski pielāgot tos, lai nodrošinātu nemainīgu kvalitāti.
