1. Nguyên tắc kỹ thuật và quy trình cơ bản
Làm nguội bằng laser là phương pháp xử lý bề mặt ngày càng phổ biến trong các nhà máy trong những năm gần đây. Nói một cách đơn giản, phương pháp này bao gồm việc sử dụng chùm tia laze năng lượng cao-để chiếu xạ nhanh chóng bề mặt của một bộ phận kim loại, làm nóng một lớp rất mỏng của bề mặt kim loại đến nhiệt độ rất cao trong thời gian cực ngắn, sau đó làm cho bộ phận đó nguội đi nhanh chóng, nhờ đó làm cho bề mặt rất cứng và có khả năng chống mài mòn-.
Quá trình này thực sự có những điểm tương đồng với quá trình làm nguội truyền thống; cả hai đều có được cấu trúc vi mô cứng thông qua việc làm lạnh nhanh. Tuy nhiên, quá trình làm nguội bằng laser có những đặc điểm riêng: nó chỉ làm nóng một lớp bề mặt rất mỏng, khiến phần bên trong của bộ phận hầu như không bị ảnh hưởng, dẫn đến độ biến dạng rất nhỏ. Hơn nữa, chùm tia laser có thể di chuyển linh hoạt và có thể xử lý các bộ phận có hình dạng phức tạp, điều mà các phương pháp dập tắt truyền thống khó đạt được.
2. Quá trình làm nguội bằng laser hoạt động như thế nào
Khi chùm tia laser chiếu vào bề mặt kim loại, năng lượng sẽ bị kim loại hấp thụ và nhiệt độ bề mặt tăng lên nhanh chóng. Đối với thép thông thường, nhiệt độ cần vượt quá 800 độ C, lúc này cấu trúc vi mô của thép chuyển hóa thành austenite. Tại thời điểm này, chùm tia laser di chuyển ra xa và nhiệt nhanh chóng được dẫn vào vật liệu nền lạnh bên trong với tốc độ làm mát có thể đạt tới hàng chục nghìn độ C mỗi giây. Dưới sự làm lạnh nhanh chóng như vậy, austenite biến thành martensite cứng.
Có một số điểm chính trong quá trình này: tốc độ gia nhiệt phải đủ nhanh để vật liệu nền không có thời gian nóng lên; tốc độ làm nguội cũng phải đủ nhanh để thu được cấu trúc vi mô martensitic mịn. Làm nguội bằng laser có thể đáp ứng chính xác các yêu cầu này. Nó có thể hoàn thành quá trình làm nóng trong vòng một phần nghìn giây, sau đó dựa vào khả năng tản nhiệt nhanh chóng của vật liệu cơ bản.
3. Đặc điểm chính của quá trình làm nguội bằng laser
Độ biến dạng nhỏ là ưu điểm rõ ràng nhất của việc làm nguội bằng laser. Bởi vì chỉ có một lớp bề mặt mỏng được làm nóng nên sự thay đổi nhiệt độ tổng thể của bộ phận là tối thiểu, dẫn đến ứng suất nhiệt thấp. Do đó, mức độ biến dạng thường chỉ bằng 1{2}}so với phương pháp dập tắt truyền thống. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận chính xác.
Độ cứng cao là một đặc tính khác. Gia nhiệt và làm mát bằng laser nhanh chóng tạo ra cấu trúc vi mô martensitic rất mịn. Cấu trúc vi mô này mịn hơn so với cấu trúc thu được từ quá trình làm nguội thông thường và cũng cứng hơn. Ví dụ, đối với thép 45, độ cứng khi tôi thông thường là khoảng 55 HRC, trong khi tôi bằng laser có thể đạt được 60-65 HRC.
Độ chọn lọc tốt mang lại lợi thế đáng kể cho quá trình dập tắt bằng laser. Chùm tia laser có thể kiểm soát chính xác vùng được chiếu xạ, chỉ xử lý những phần cần làm cứng. Ví dụ, bề mặt răng bánh răng hoặc bề mặt làm việc của ray dẫn hướng có thể được làm cứng trong khi các khu vực khác không thay đổi.
Mức độ tự động hóa cao cũng là điều đáng chú ý. Toàn bộ quá trình dập tắt có thể được điều khiển bằng máy tính, với các thông số ổn định và độ lặp lại tốt, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
4. Kiểm soát quy trình làm nguội bằng laser
Để thực hiện tốt quá trình dập tắt bằng laser, cần phải kiểm soát một số thông số chính.
Công suất laser xác định lượng năng lượng đầu vào. Nếu nguồn điện quá thấp, nhiệt độ bề mặt sẽ không đạt yêu cầu; nếu quá cao, nó có thể làm cháy bề mặt. Nó thường được lựa chọn dựa trên loại vật liệu và yêu cầu về độ sâu đông cứng, thường nằm trong khoảng 500-5000 watt.
Tốc độ quét đề cập đến tốc độ di chuyển của chùm tia laser. Nếu tốc độ quá chậm, nhiệt độ sẽ tích tụ quá cao, có khả năng ảnh hưởng đến vật liệu nền; nếu quá nhanh, hệ thống sưởi không đủ và quá trình chuyển đổi cấu trúc vi mô không hoàn chỉnh. Thông số này cần được điều chỉnh kết hợp với nguồn điện.
Kích thước điểm ảnh hưởng đến mật độ năng lượng và độ rộng dải cứng. Một điểm nhỏ có nghĩa là năng lượng tập trung, dẫn đến một lớp cứng sâu nhưng hẹp; một vết lớn có nghĩa là một dải cứng rộng nhưng lớp nông. Trong các ứng dụng thực tế, nó nên được lựa chọn dựa trên hình dạng bộ phận và yêu cầu về độ cứng.
Tỷ lệ chồng chéo cần được xem xét khi xử lý các khu vực rộng lớn. Để bao phủ toàn bộ khu vực, đường quét của chùm tia laser cần chồng lên nhau một phần. Quá ít sự chồng chéo sẽ khiến các vùng không được cứng lại; chồng chéo quá nhiều có thể gây ra hiện tượng ủ mềm. Nói chung, kiểm soát nó trong khoảng 10-30% là phù hợp.
5. Những điểm chính trong xử lý các vật liệu khác nhau
Các vật liệu khác nhau phản ứng khác nhau với quá trình làm nguội bằng laser, đòi hỏi các quy trình khác nhau.
Thép cacbon-trung bình là một trong những vật liệu phù hợp nhất để tôi bằng laze. Các vật liệu như thép 45 và 40Cr có hàm lượng carbon vừa phải, có thể đạt được độ cứng cao sau khi tôi và ít bị nứt hơn. Trong quá trình xử lý, mật độ năng lượng có thể cao hơn một cách thích hợp và tốc độ quét cũng có thể nhanh hơn.
Các loại thép công cụ như Cr12MoV, H13, v.v., có độ cứng tốt hơn do có các nguyên tố hợp kim. Làm nguội bằng laser có thể đạt được lớp cứng sâu hơn, nhưng phải chú ý kiểm soát nhiệt độ gia nhiệt để tránh quá nóng.
Vật liệu gang cũng có thể được làm nguội bằng laser. Tuy nhiên, do có than chì nên cần đặc biệt chú ý trong quá trình xử lý. Công suất không được quá cao nếu không than chì sẽ bị phân hủy và tạo thành lỗ chân lông. Nói chung, cần phải xử lý trước bề mặt trước tiên để cải thiện khả năng hấp thụ tia laser.
Các kim loại màu như hợp kim nhôm, hợp kim titan, v.v., cho thấy tác động ít rõ ràng hơn từ quá trình làm nguội bằng laser so với thép, nhưng vẫn có thể đạt được một số hiệu ứng tăng cường. Cần kiểm soát thông số chính xác hơn trong quá trình xử lý.
6. Tầm quan trọng của việc xử lý bề mặt
Nhiều vật liệu kim loại có độ phản xạ cao đối với tia laser, đặc biệt là các vật liệu như nhôm và đồng, nơi phần lớn năng lượng laser bị phản xạ. Để cải thiện hiệu quả hấp thụ năng lượng laser, việc xử lý bề mặt là cần thiết trước khi làm nguội.
Xử lý bằng photphat là phương pháp được sử dụng phổ biến. Một lớp phủ phốt phát được hình thành trên bề mặt giúp hấp thụ tốt năng lượng laser. Sau khi xử lý photphat, tốc độ hấp thụ của thép đối với tia laser có thể tăng từ khoảng 30% đến trên 70%.
Phủ bằng sơn hấp thụ ánh sáng-cũng rất phổ biến. Có những loại sơn trên thị trường được thiết kế đặc biệt để xử lý nhiệt bằng laser. Một lớp mỏng phủ trên bề mặt có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ. Những loại sơn này bị cháy trong quá trình làm nguội và không còn trên bề mặt.
Làm nhám bề mặt cũng có thể cải thiện sự hấp thụ. Các phương pháp như phun cát làm cho bề mặt trở nên nhám, tăng khả năng hấp thụ tia laser. Tuy nhiên, lưu ý độ nhám phải phù hợp; quá thô có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.
7. Những điểm chính về cấu hình thiết bị
Hệ thống dập tắt bằng laser chủ yếu bao gồm tia laser, hệ thống chuyển động, hệ thống làm mát và hệ thống điều khiển.
Laser là thành phần cốt lõi. Hiện nay, laser sợi quang và laser bán dẫn được sử dụng phổ biến do hiệu suất chuyển đổi quang điện-cao và việc bảo trì tương đối đơn giản. Việc lựa chọn nguồn điện phụ thuộc vào nhu cầu sản xuất. Nói chung, khoảng 1000 watt là đủ cho các bộ phận nhỏ, trong khi các bộ phận lớn có thể cần trên 3000 watt.
Hệ thống chuyển động xử lý chuyển động tương đối giữa đầu laser và phôi. Có các loại bàn làm việc chuyển động, các loại đầu laser chuyển động và các loại cánh tay robot. Sự lựa chọn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của bộ phận. Các bề mặt cong phức tạp thường yêu cầu hệ thống liên kết nhiều{3}}trục.
Hệ thống làm mát rất quan trọng. Bản thân tia laser cần được làm mát và phôi cũng cần được làm mát thích hợp trong quá trình làm nguội. Làm mát bằng nước thường được sử dụng để đảm bảo lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát ổn định.
Hệ thống điều khiển hiện được-điều khiển bằng máy tính. Nó có thể lưu trữ nhiều bộ tham số quy trình để gọi lại trực tiếp trong quá trình vận hành. Một hệ thống kiểm soát tốt cũng có thể giám sát các thông số quy trình theo thời gian thực và tự động điều chỉnh chúng để đảm bảo chất lượng ổn định.
