1. اصول فنی و فرآیند اساسی
کوئنچ با لیزر در سال‌های اخیر یک روش درمان سطحی رایج در کارخانه‌ها است. به زبان ساده، این شامل استفاده از پرتو لیزر پرانرژی برای تابش سریع سطح یک قطعه فلزی، گرم کردن یک لایه بسیار نازک از سطح فلز تا دمای بسیار بالا در مدت زمان بسیار کوتاه، سپس تکیه بر خود قطعه برای خنک شدن سریع است و در نتیجه سطح را بسیار سخت و مقاوم می‌کند-.
این فرآیند در واقع شباهت هایی به کوئنچ سنتی دارد. هر دو از طریق خنک سازی سریع یک ریزساختار سخت به دست می آورند. با این حال، کوئنچ لیزری ویژگی های خاص خود را دارد: فقط یک لایه سطحی بسیار نازک را گرم می کند و قسمت داخلی قطعه را تا حد زیادی تحت تاثیر قرار نمی دهد و در نتیجه اعوجاج بسیار کمی ایجاد می کند. علاوه بر این، پرتو لیزر می‌تواند انعطاف‌پذیر حرکت کند و می‌تواند قطعات با اشکال پیچیده را درمان کند، که دستیابی به روش‌های خاموش کردن سنتی دشوار است.
2. نحوه عملکرد لیزر کوئنچ
هنگامی که پرتو لیزر به سطح فلز برخورد می کند، انرژی توسط فلز جذب می شود و دمای سطح به سرعت افزایش می یابد. برای فولاد معمولی، دما باید بیش از 800 درجه سانتیگراد باشد، در این مرحله ریزساختار فولاد به آستنیت تبدیل می شود. در این لحظه، پرتو لیزر دور می‌شود و گرما به سرعت با سرعت خنک‌کننده‌ای که می‌تواند به ده‌ها هزار درجه سانتیگراد در ثانیه برسد، به مواد پایه داخلی سرد هدایت می‌شود. تحت چنین سرد شدن سریع، آستنیت به مارتنزیت سخت تبدیل می شود.
چندین نکته کلیدی در این فرآیند وجود دارد: سرعت گرمایش باید به اندازه کافی سریع باشد تا ماده پایه زمان گرم شدن نداشته باشد. سرعت خنک کننده نیز باید به اندازه کافی سریع باشد تا یک ریزساختار مارتنزیتی خوب به دست آید. کوئنچ با لیزر می تواند دقیقاً این نیازها را برآورده کند. این می تواند گرمایش را در یک هزارم ثانیه کامل کند، سپس به اتلاف سریع گرمای خود ماده پایه تکیه کند.
3. ویژگی های اصلی رفع لیزر
اعوجاج کوچک بارزترین مزیت کوئنچ لیزری است. از آنجا که فقط یک لایه سطحی نازک گرم می شود، تغییر دمای کلی قطعه حداقل است و در نتیجه تنش حرارتی پایینی ایجاد می کند. بنابراین، مقدار اعوجاج معمولاً فقط یک دهم- خاموش کردن سنتی است. این امر به ویژه برای قطعات دقیق بسیار مهم است.
سختی بالا یکی دیگر از ویژگی های آن است. گرمایش و خنک کننده سریع لیزر یک ریزساختار مارتنزیتی بسیار ظریف ایجاد می کند. این ریزساختار ریزتر از ریزساختار به دست آمده از کوئنچ معمولی و همچنین سخت تر است. به عنوان مثال، برای فولاد 45، سختی کوئنچ معمولی حدود 55 HRC است، در حالی که کوئنچ لیزری می تواند 60-65 HRC را به دست آورد.
گزینش پذیری خوب به خاموش کردن لیزر مزیت قابل توجهی می دهد. پرتو لیزر می تواند به طور دقیق ناحیه تحت تابش را کنترل کند و تنها قسمت هایی را که نیاز به سخت شدن دارند درمان می کند. به عنوان مثال، سطوح دندانه دنده یا سطوح کار ریل راهنما را می توان سخت کرد در حالی که مناطق دیگر بدون تغییر باقی می مانند.
درجه بالای اتوماسیون نیز قابل توجه است. کل فرآیند کوئنچ را می توان با رایانه کنترل کرد، با پارامترهای پایدار و تکرارپذیری خوب، مناسب برای تولید انبوه.
4. کنترل فرآیند برای رفع لیزر
برای انجام خوب کوئنچ لیزری، چندین پارامتر کلیدی باید کنترل شوند.
توان لیزر میزان انرژی ورودی را تعیین می کند. اگر توان خیلی کم باشد، دمای سطح الزامات را برآورده نمی کند. اگر خیلی زیاد باشد، ممکن است سطح را بسوزاند. به طور کلی بر اساس نوع مواد و عمق سخت شدن مورد نیاز انتخاب می شود که معمولاً بین 500-5000 وات متغیر است.
سرعت اسکن به سرعت حرکت پرتو لیزر اشاره دارد. اگر سرعت خیلی آهسته باشد، گرمای بیش از حد ایجاد می شود که به طور بالقوه بر ماده پایه تأثیر می گذارد. اگر خیلی سریع باشد، گرمایش ناکافی است و تبدیل ریزساختاری ناقص است. این پارامتر باید در ارتباط با قدرت تنظیم شود.
اندازه نقطه بر چگالی انرژی و عرض نوار سخت شده تأثیر می گذارد. یک نقطه کوچک به معنای انرژی متمرکز است که منجر به ایجاد یک لایه سخت شده عمیق اما باریک می شود. لکه بزرگ به معنای نوار سخت شده گسترده اما لایه کم عمق است. در کاربردهای عملی، باید بر اساس شکل قطعه و الزامات سخت شدن انتخاب شود.
هنگام درمان مناطق بزرگ باید نسبت همپوشانی در نظر گرفته شود. برای پوشش کل منطقه، مسیرهای اسکن پرتو لیزر باید تا حدی همپوشانی داشته باشند. همپوشانی بسیار کم باعث می شود که مناطق سفت نشده باقی بماند. همپوشانی بیش از حد ممکن است باعث نرم شدن تلطیف شود. به طور کلی کنترل آن بین 10 تا 30 درصد مناسب است.
5. نکات کلیدی درمان برای مواد مختلف
مواد مختلف واکنش متفاوتی به کوئنچ لیزری نشان می‌دهند و به فرآیندهای متفاوتی نیاز دارند.
فولادهای کربن متوسط-از جمله مواد مناسب برای خاموش کردن لیزر هستند. موادی مانند فولاد 45 و 40 کروم دارای محتوای کربن متوسطی هستند، پس از خاموش شدن می توانند به سختی بالایی دست یابند و کمتر در معرض ترک خوردن هستند. در طول پردازش، چگالی توان می تواند به طور مناسب بالاتر باشد، و سرعت اسکن نیز می تواند سریعتر باشد.
فولادهای ابزار مانند Cr12MoV، H13 و غیره به دلیل وجود عناصر آلیاژی، سختی بهتری دارند. کوئنچ لیزری می تواند لایه سخت تری را به دست آورد، اما برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد باید به کنترل دمای گرمایش توجه شود.
مواد چدنی نیز می توانند تحت کوئنچ لیزری قرار گیرند. با این حال، به دلیل وجود گرافیت، توجه ویژه ای در طول پردازش لازم است. قدرت نمی تواند خیلی زیاد باشد، در غیر این صورت گرافیت تجزیه می شود و منافذ ایجاد می کند. به طور کلی، برای بهبود جذب لیزر ابتدا به پیش تصفیه سطح نیاز است.
فلزات غیرآهنی مانند آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای تیتانیوم و غیره در مقایسه با فولاد، اثرات آشکار کمتری از خاموش کردن لیزر نشان می‌دهند، اما همچنان می‌توانند اثر تقویتی داشته باشند. کنترل پارامتر دقیق تری در طول پردازش مورد نیاز است.
6. اهمیت پیش تصفیه سطح
بسیاری از مواد فلزی بازتاب بالایی نسبت به لیزر دارند، به ویژه موادی مانند آلومینیوم و مس که بیشتر انرژی لیزر در آنها منعکس می شود. برای بهبود راندمان جذب انرژی لیزر، عملیات سطحی قبل از خاموش کردن ضروری است.
تصفیه فسفاته یک روش متداول است. لایه ای از پوشش فسفات روی سطح تشکیل می شود که انرژی لیزر را به خوبی جذب می کند. پس از عملیات فسفاته کردن، میزان جذب فولاد به لیزر می تواند از حدود 30 درصد به بیش از 70 درصد افزایش یابد.
پوشش با رنگ{0}}جاذب نور نیز بسیار رایج است. رنگ هایی در بازار وجود دارد که به طور خاص برای عملیات حرارتی لیزری طراحی شده اند. یک لایه نازک پوشش داده شده بر روی سطح می تواند به طور قابل توجهی جذب را بهبود بخشد. این رنگ ها در طی فرآیند کوئنچ می سوزند و روی سطح باقی نمی مانند.
زبری سطح نیز می تواند جذب را بهبود بخشد. روش هایی مانند سندبلاست، سطح را ناهموار می کند و جذب لیزر را افزایش می دهد. با این حال، توجه داشته باشید که زبری باید مناسب باشد. بیش از حد زبر ممکن است کیفیت سطح را تحت تاثیر قرار دهد.
7. نکات کلیدی برای پیکربندی تجهیزات
سیستم کوئنچ لیزری عمدتاً شامل لیزر، سیستم حرکتی، سیستم خنک کننده و سیستم کنترل است.
لیزر جزء اصلی است. لیزرهای فیبر و لیزرهای نیمه هادی به دلیل راندمان تبدیل الکترو{1} نوری بالا و نگهداری نسبتاً ساده در حال حاضر معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب نیرو به نیازهای تولید بستگی دارد. به طور کلی، حدود 1000 وات برای قطعات کوچک کافی است، در حالی که قطعات بزرگ ممکن است به بیش از 3000 وات نیاز داشته باشند.
سیستم حرکت حرکت نسبی بین سر لیزر و قطعه کار را کنترل می کند. انواع میز کار متحرک، انواع سر لیزری متحرک و انواع بازوی رباتیک وجود دارد. انتخاب بستگی به اندازه و شکل قطعه دارد. سطوح منحنی پیچیده معمولاً به سیستم‌های پیوندی{3} چند محوری نیاز دارند.
سیستم خنک کننده بسیار مهم است. خود لیزر نیاز به خنک سازی دارد و قطعه کار نیز در حین کوئنچ به خنک سازی مناسب نیاز دارد. خنک کننده آب به طور کلی استفاده می شود که جریان و دمای آب خنک کننده پایدار را تضمین می کند.
اکنون سیستم کنترل{0}}کامپیوتر کنترل می شود. این می تواند مجموعه های متعددی از پارامترهای فرآیند را برای فراخوانی مستقیم در طول عملیات ذخیره کند. یک سیستم کنترل خوب همچنین می تواند پارامترهای فرآیند را در زمان واقعی نظارت کند و به طور خودکار آنها را برای اطمینان از کیفیت ثابت تنظیم کند.
