Princíp, vlastnosti a použitie technológie laserového kalenia
Laserové kalenie je špičkový proces, ktorý využíva vysokoenergetické laserové lúče na ohrev povrchov materiálov za ich body fázového prechodu. Pri prirodzenom chladnutí materiálu sa austenit transformuje na martenzit, čím sa na povrchu výrobku vytvára kalená vrstva s výnimočnou tvrdosťou a odolnosťou proti opotrebovaniu. Táto technika výrazne mení mikroštruktúru a vlastnosti povrchov obrobkov bez toho, aby sa znížil celkový výkon základného materiálu, a dosahuje sa lokálne zvýšenie pevnosti prostredníctvom kontrolovaného tepelného spracovania.
Medzi charakteristiky laserového povrchového kalenia patria:
Vysoká hustota výkonu: kalenie povrchu laserom využíva zaostrený laserový lúč ako zdroj tepla na rýchle ohriatie povrchu obrobku a vytvorenie austenitu.
Rýchle zahrievanie a chladenie: Proces dosahuje rýchle zahrievanie v priebehu niekoľkých sekúnd (zvyčajne 0,01 – 0,001 sekundy), čím sa efektívne minimalizuje deformácia obrobku. Táto čistá a účinná metóda kalenia eliminuje potrebu vody alebo oleja ako chladiacich prostriedkov. V porovnaní s indukčným kalením, kalením plameňom a cementáciou poskytuje laserové kalenie rovnomerne kalenú vrstvu s vynikajúcou tvrdosťou (zvyčajne o 1 – 3 HRC vyššou ako indukčné kalenie).
Minimálna deformácia dielu: Rýchly proces ohrevu a chladenia minimalizuje deformáciu obrobku, čo umožňuje presné riadenie hĺbky a trajektórie ohrevu. To umožňuje automatizáciu bez nutnosti výroby vlastných indukčných cievok pre rôzne veľkosti dielov, ako je potrebné pri indukčnom kalení. Eliminuje to tiež obmedzenia veľkosti pece spojené s chemickým tepelným spracovaním, ako je cementácia a kalenie pre veľké komponenty. V dôsledku toho laserové kalenie čoraz viac nahrádza tradičné metódy, ako je indukčné kalenie a chemické tepelné spracovanie, v rôznych priemyselných aplikáciách. Je pozoruhodné, že laserové kalenie spôsobuje zanedbateľnú deformáciu materiálu pred a po spracovaní. Pri kovových dieloch s vysokou teplotou, kde sa teploty kalenia takmer zhodujú s bodmi topenia, povrchové kalenie na báze indukcie často poškodzuje rohy alebo nerovnosti, čo vedie k odpadu. Laserové povrchové kalenie sa tomuto obmedzeniu úplne vyhýba.
Preto je obzvlášť vhodný na povrchovú úpravu dielov s vysokými požiadavkami na presnosť. Opracovaný obrobok nie je potrebné brúsiť a možno ho použiť ako posledný proces dokončovania.
Vhodné pre zložité tvary: Možno použiť pre zložito tvarované súčiastky, ako sú slepé otvory, vnútorné otvory, malé drážky, tenkostenné diely atď. Vysoká všestrannosť: Vďaka veľkej hĺbke zaostrenia laseru neexistujú žiadne prísne obmedzenia týkajúce sa veľkosti, rozmerov alebo povrchu dielov počas kalenia. Naproti tomu existujúce kalenie so strednou až vysokou frekvenciou vyžaduje indukčné senzory vyrobené na mieru pre rôzne diely;
Hĺbka laserom kalených vrstiev sa typicky pohybuje v rozmedzí 0,3 – 2,0 mm v závislosti od faktorov, ako je zloženie materiálu, špecifikácie, povrchové charakteristiky a kľúčové parametre spracovania. Pri kalení na hrdlách hriadeľov veľkých prevodových ozubených kolies alebo komponentov hriadeľov motorov zostáva drsnosť povrchu v podstate nezmenená. To eliminuje potrebu dodatočného obrábania na splnenie špecifických prevádzkových požiadaviek.
Laserové kalenie využíva dve metódy skenovania: úzkopásmové skenovanie s kruhovými alebo obdĺžnikovými bodmi a širokopásmové skenovanie s použitím lineárnych bodov. Šírka kalených zón pri úzkopásmovom skenovaní sa úzko zhoduje s priemerom bodu, zvyčajne do 5 mm. Pre aplikácie kalenia na veľkej ploche sú potrebné sekvenčné skenovania, kde prekrývajúce sa zóny vytvárajú popúšťané zmäkčovacie pásy. Šírka týchto pásov závisí od charakteristík bodu, pričom rovnomerné obdĺžnikové body vo všeobecnosti vytvárajú menšie pásy. Na zmiernenie nepriaznivých účinkov zmäkčovacích pásov sa používa technológia širokopásmového skenovania. Táto metóda transformuje zaostrené kruhové body na lineárne, čím sa výrazne rozširuje šírka skenovania.
Výskum, vývoj a aplikácia technológie laserového kalenia sú v súčasnosti vo vzostupnej fáze, hoci pretrvávajú výzvy pri spracovaní zložitých tvarov obrobkov. Ako špičková inovácia v oblasti tepelného spracovania však laserové kalenie umožňuje dosiahnuť technické ciele, ktoré tradičné metódy povrchového kalenia nedokážu dosiahnuť. Tento proces predovšetkým eliminuje potrebu chladiacich médií počas výroby, čo je v súlade so záväzkom globálneho priemyslu dodržiavať štandardy „nízkej oxidácie a ekologickej výroby“. Ukazuje sa ako obzvlášť účinný pri povrchovom tepelnom spracovaní rôznych mechanických komponentov vrátane hrán rezných nástrojov, tesniacich povrchov ventilov, malých ozubených kolies, miniatúrnych foriem, automobilových dielov, ozubených krúžkov, vodítok obrábacích strojov, hriadeľov motorov a redukčných hriadeľov.