Princip, vlastnosti a použití technologie laserového kalení

Laserové kalení je špičkový proces, který využívá vysokoenergetické laserové paprsky k ohřevu povrchů materiálů za hranice jejich fázového přechodu. Jak se materiál přirozeně ochlazuje, austenit se transformuje na martenzit a na povrchu výrobku vytváří kalené vrstvy s výjimečnou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Tato technika významně modifikuje mikrostrukturu a vlastnosti povrchů obrobků, aniž by to ohrozilo celkový výkon základního materiálu, a dosahuje tak lokálního zvýšení pevnosti prostřednictvím řízeného tepelného zpracování.

Mezi vlastnosti laserového kalení povrchu patří:

Vysoká hustota výkonu: laserové kalení povrchu využívá zaostřený laserový paprsek jako zdroj tepla k rychlému ohřevu povrchu obrobku a vytvoření austenitu.

Rychlý ohřev a chlazení: Proces dosahuje rychlého ohřevu během několika sekund (obvykle 0,01–0,001 sekundy), čímž se efektivně minimalizuje deformace obrobku. Tato čistá a účinná metoda kalení eliminuje potřebu vody nebo oleje jako chladicích prostředků. Ve srovnání s indukčním kalením, kalením plamenem a cementací poskytuje laserové kalení rovnoměrně vytvrzenou vrstvu s vynikající tvrdostí (obvykle o 1–3 HRC vyšší než indukční kalení).

Minimální deformace dílu: Rychlý proces ohřevu a chlazení minimalizuje deformaci obrobku a umožňuje přesné řízení hloubky a trajektorie ohřevu. To umožňuje automatizaci bez nutnosti použití vlastních indukčních cívek pro různé velikosti dílů, jak je potřeba u indukčního kalení. Eliminuje také omezení velikosti pece spojená s chemickým tepelným zpracováním, jako je cementace a kalení u velkých součástí. V důsledku toho laserové kalení stále více nahrazuje tradiční metody, jako je indukční kalení a chemické tepelné zpracování, v různých průmyslových aplikacích. Je třeba poznamenat, že laserové kalení způsobuje zanedbatelnou deformaci materiálu před a po zpracování. U kovových dílů s vysokou teplotou, kde se teploty kalení blíží bodům tání, indukční povrchové kalení často poškozuje rohy nebo nerovnosti, což vede ke zmetkům. Laserové povrchové kalení se tomuto omezení zcela vyhýbá.

Proto je obzvláště vhodný pro povrchovou úpravu dílů s vysokými požadavky na přesnost. Opracovaný obrobek není nutné brousit a lze jej použít jako poslední proces dokončovací práce.

Vhodné pro složité tvary: Lze použít pro složité tvarované součásti, jako jsou slepé otvory, vnitřní otvory, malé drážky, tenkostěnné díly atd. Vysoká všestrannost: Díky velké hloubce laserového zaostření neexistují žádná přísná omezení ohledně velikosti, rozměrů nebo povrchu dílů během kalení. Naproti tomu stávající kalení se středními až vysokými frekvencemi vyžaduje pro různé díly indukční senzory vyrobené na míru;

Hloubka laserově kalených vrstev se obvykle pohybuje v rozmezí 0,3–2,0 mm v závislosti na faktorech, jako je složení materiálu, specifikace, vlastnosti povrchu a klíčové parametry zpracování. Při kalení hřídelových krčků velkých převodových ozubených kol nebo součástí hřídelí motoru zůstává drsnost povrchu v podstatě nezměněna. To eliminuje potřebu následného obrábění pro splnění specifických provozních požadavků.

Laserové kalení využívá dvě metody skenování: úzkopásmové skenování s kruhovými nebo obdélníkovými skvrnami a širokopásmové skenování s lineárními skvrnami. Šířka zpevněné zóny při úzkopásmovém skenování se úzce shoduje s průměrem skvrny, obvykle do 5 mm. Pro aplikace s velkoplošným kalením je nutné sekvenční skenování, kde překrývající se zóny vytvářejí zmírněné změkčující pásy. Šířka těchto pásů závisí na charakteristikách skvrny, přičemž jednotné obdélníkové skvrny obvykle vytvářejí menší pásy. Pro zmírnění nepříznivých účinků změkčujících pásů se používá technologie širokopásmového skenování. Tato metoda transformuje zaostřené kruhové skvrny na lineární, čímž se výrazně rozšiřuje šířka skenování.

Výzkum, vývoj a aplikace technologie laserového kalení jsou v současné době ve vzestupné fázi, ačkoli přetrvávají problémy při zpracování složitých tvarů obrobků. Laserové kalení však jakožto špičková inovace v oblasti tepelného zpracování umožňuje dosáhnout technických cílů, kterých se tradiční metody povrchového kalení obtížně dosahují. Tento proces zejména eliminuje potřebu chladicích médií během výroby, což je v souladu se závazkem globálního průmyslu k standardům „nízké oxidace a ekologické výroby“. Ukazuje se jako obzvláště účinný pro povrchové tepelné zpracování různých mechanických součástí, včetně řezných hran nástrojů, těsnicích povrchů ventilů, malých ozubených kol, miniaturních forem, automobilových dílů, ozubených věnců, vedení obráběcích strojů, hřídelí motorů a reduktorových hřídelí.