1. Technische Prinzipien und grundlegender Prozess
Das Laserabschrecken ist in den letzten Jahren eine zunehmend verbreitete Oberflächenbehandlungsmethode in Fabriken. Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, die Oberfläche eines Metallteils mit einem hochenergetischen Laserstrahl schnell zu bestrahlen, eine sehr dünne Schicht der Metalloberfläche in extrem kurzer Zeit auf eine sehr hohe Temperatur zu erhitzen und dann darauf zu achten, dass das Teil selbst schnell abkühlt, wodurch die Oberfläche sehr hart und verschleißfest wird.
Dieser Prozess weist tatsächlich Ähnlichkeiten mit dem herkömmlichen Abschrecken auf; beide erhalten durch schnelles Abkühlen eine harte Mikrostruktur. Allerdings hat das Laserhärten seine eigenen Eigenschaften: Es erhitzt nur eine sehr dünne Oberflächenschicht, während das Innere des Teils weitgehend unberührt bleibt, was zu einer sehr geringen Verformung führt. Darüber hinaus kann sich der Laserstrahl flexibel bewegen und Teile mit komplexen Formen bearbeiten, was mit herkömmlichen Abschreckmethoden nur schwer zu erreichen ist.
2. Funktionsweise des Laserabschreckens
Wenn ein Laserstrahl auf eine Metalloberfläche trifft, wird Energie vom Metall absorbiert und die Oberflächentemperatur steigt schnell an. Bei gewöhnlichem Stahl muss die Temperatur 800 Grad Celsius überschreiten, wobei sich die Mikrostruktur des Stahls in Austenit umwandelt. In diesem Moment entfernt sich der Laserstrahl und die Wärme wird schnell mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die Zehntausende Grad Celsius pro Sekunde erreichen kann, in das kalte innere Grundmaterial geleitet. Bei dieser schnellen Abkühlung wandelt sich der Austenit in harten Martensit um.
Bei diesem Prozess gibt es mehrere wichtige Punkte: Die Aufheizgeschwindigkeit muss schnell genug sein, damit das Grundmaterial keine Zeit zum Aufheizen hat; Die Abkühlgeschwindigkeit muss außerdem schnell genug sein, um eine feine martensitische Mikrostruktur zu erhalten. Die Laserabschreckung kann genau diese Anforderungen erfüllen. Es kann die Erwärmung innerhalb einer Tausendstelsekunde abschließen und sich dann auf die schnelle Wärmeableitung des Grundmaterials verlassen.
3. Hauptmerkmale der Laserlöschung
Geringe Verformungen sind der offensichtlichste Vorteil der Laserhärtung. Da nur eine dünne Oberflächenschicht erhitzt wird, ist die Gesamttemperaturänderung des Teils minimal, was zu einer geringen thermischen Belastung führt. Daher beträgt das Ausmaß der Verzerrung normalerweise nur ein -Zehntel des Ausmaßes der herkömmlichen Abschreckung. Dies ist insbesondere bei Präzisionsteilen wichtig.
Ein weiteres Merkmal ist die hohe Härte. Durch schnelles Erhitzen und Abkühlen des Lasers entsteht eine sehr feine martensitische Mikrostruktur. Diese Mikrostruktur ist feiner als die, die durch herkömmliches Abschrecken erreicht wird, und auch härter. Bei 45-Stahl liegt die herkömmliche Abschreckhärte beispielsweise bei etwa 55 HRC, während durch Laserabschrecken 60–65 HRC erreicht werden können.
Eine gute Selektivität verschafft der Laserlöschung einen erheblichen Vorteil. Der Laserstrahl kann den bestrahlten Bereich präzise steuern und nur die Teile behandeln, die gehärtet werden müssen. Beispielsweise können Zahnoberflächen oder Laufflächen von Führungsschienen gehärtet werden, während andere Bereiche unverändert bleiben.
Hervorzuheben ist auch der hohe Automatisierungsgrad. Der gesamte Abschreckprozess kann per Computer gesteuert werden, mit stabilen Parametern und guter Wiederholbarkeit, geeignet für die Massenproduktion.
4. Prozesskontrolle für das Laserhärten
Um eine gute Laserabschreckung durchzuführen, müssen mehrere Schlüsselparameter kontrolliert werden.
Die Laserleistung bestimmt die Menge der zugeführten Energie. Wenn die Leistung zu niedrig ist, entspricht die Oberflächentemperatur nicht den Anforderungen; Wenn es zu hoch ist, kann es zu Verbrennungen an der Oberfläche kommen. Die Auswahl erfolgt im Allgemeinen auf der Grundlage der Materialart und der Anforderungen an die Härtetiefe und liegt typischerweise zwischen 500 und 5000 Watt.
Unter Scangeschwindigkeit versteht man die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls. Bei zu geringer Geschwindigkeit entsteht eine übermäßige Hitzeentwicklung, die möglicherweise das Grundmaterial beeinträchtigt. Bei zu schneller Erwärmung ist die Erwärmung unzureichend und die mikrostrukturelle Umwandlung ist unvollständig. Dieser Parameter muss in Verbindung mit der Leistung angepasst werden.
Die Punktgröße beeinflusst die Energiedichte und die Breite des gehärteten Bandes. Ein kleiner Fleck bedeutet konzentrierte Energie, was zu einer tiefen, aber schmalen, gehärteten Schicht führt; Ein großer Fleck bedeutet ein breites, verhärtetes Band, aber eine flache Schicht. In praktischen Anwendungen sollte es basierend auf der Teileform und den Härteanforderungen ausgewählt werden.
Bei der Behandlung großer Flächen muss das Überlappungsverhältnis berücksichtigt werden. Um die gesamte Fläche abzudecken, müssen sich die Scanpfade des Laserstrahls teilweise überlappen. Eine zu geringe Überlappung hinterlässt ungehärtete Zonen; Eine zu große Überlappung kann zu einer Erweichung der Temperierung führen. Im Allgemeinen ist eine Kontrolle zwischen 10 und 30 % angemessen.
5. Behandlungsschwerpunkte für verschiedene Materialien
Verschiedene Materialien reagieren unterschiedlich auf die Laserabschreckung und erfordern unterschiedliche Prozesse.
Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt gehören zu den am besten geeigneten Materialien für das Laserhärten. Materialien wie 45-Stahl und 40Cr haben einen moderaten Kohlenstoffgehalt, können nach dem Abschrecken eine hohe Härte erreichen und sind weniger anfällig für Risse. Bei der Verarbeitung kann die Leistungsdichte entsprechend höher sein und auch die Scangeschwindigkeit kann schneller sein.
Werkzeugstähle wie Cr12MoV, H13 usw. weisen aufgrund des Vorhandenseins von Legierungselementen eine bessere Härtbarkeit auf. Durch Laserabschrecken kann eine tiefere Härtungsschicht erreicht werden, es muss jedoch darauf geachtet werden, die Erwärmungstemperatur zu kontrollieren, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Auch Gusseisenwerkstoffe können einer Laserhärtung unterzogen werden. Aufgrund des Graphitgehalts ist bei der Verarbeitung jedoch besondere Aufmerksamkeit erforderlich. Die Leistung darf nicht zu hoch sein, da sich sonst der Graphit zersetzt und Poren entstehen. Im Allgemeinen ist zunächst eine Oberflächenvorbehandlung erforderlich, um die Laserabsorption zu verbessern.
Nicht-Nichteisenmetalle wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen usw. zeigen im Vergleich zu Stahl weniger offensichtliche Auswirkungen durch das Laserhärten, können aber dennoch einen gewissen Verstärkungseffekt erzielen. Während der Verarbeitung ist eine genauere Parametersteuerung erforderlich.
6. Bedeutung der Oberflächenvorbehandlung
Viele metallische Materialien haben ein hohes Reflexionsvermögen für Laser, insbesondere Materialien wie Aluminium und Kupfer, wo die meiste Laserenergie reflektiert wird. Um die Absorptionseffizienz der Laserenergie zu verbessern, ist vor dem Abschrecken eine Oberflächenbehandlung erforderlich.
Die Phosphatierungsbehandlung ist eine häufig verwendete Methode. Auf der Oberfläche bildet sich eine Phosphatschicht, die die Laserenergie gut absorbiert. Nach der Phosphatierungsbehandlung kann die Absorptionsrate des Stahls gegenüber dem Laser von etwa 30 % auf über 70 % steigen.
Auch die Beschichtung mit licht-absorbierender Farbe ist weit verbreitet. Auf dem Markt gibt es Lacke, die speziell für die Laserwärmebehandlung entwickelt wurden. Eine dünne Schicht auf der Oberfläche kann die Absorption deutlich verbessern. Diese Lacke verbrennen beim Abschreckvorgang und verbleiben nicht auf der Oberfläche.
Auch das Aufrauen der Oberfläche kann die Absorption verbessern. Methoden wie Sandstrahlen machen die Oberfläche rau und erhöhen so die Absorption des Lasers. Beachten Sie jedoch, dass die Rauheit angemessen sein sollte; Zu rau kann die Oberflächenqualität beeinträchtigen.
7. Wichtige Punkte für die Gerätekonfiguration
Ein Laserabschrecksystem umfasst hauptsächlich einen Laser, ein Bewegungssystem, ein Kühlsystem und ein Steuerungssystem.
Der Laser ist die Kernkomponente. Aufgrund ihrer hohen elektro-optischen Umwandlungseffizienz und relativ einfachen Wartung werden heutzutage häufig Faserlaser und Halbleiterlaser verwendet. Die Leistungsauswahl hängt von den Produktionsanforderungen ab. Im Allgemeinen reichen für kleine Teile etwa 1000 Watt aus, während für große Teile auch über 3000 Watt erforderlich sein können.
Das Bewegungssystem übernimmt die Relativbewegung zwischen Laserkopf und Werkstück. Es gibt bewegliche Arbeitstischtypen, bewegliche Laserkopftypen und Roboterarmtypen. Die Wahl hängt von der Teilegröße und -form ab. Komplexe gekrümmte Oberflächen erfordern typischerweise mehrachsige Verbindungssysteme.
Das Kühlsystem ist sehr wichtig. Der Laser selbst benötigt eine Kühlung und auch das Werkstück benötigt beim Abschrecken eine entsprechende Kühlung. Im Allgemeinen wird Wasserkühlung verwendet, um einen stabilen Kühlwasserfluss und eine stabile Temperatur zu gewährleisten.
Das Steuerungssystem ist jetzt computergesteuert-. Es kann mehrere Sätze von Prozessparametern speichern, um sie während des Betriebs direkt abzurufen. Ein gutes Steuerungssystem kann außerdem Prozessparameter in Echtzeit überwachen und automatisch anpassen, um eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen.
