作者:Alexander Kranhold, Sebastian Becker
單位:Scansonic MI GmbH, Rudolf-Baschant-Str. 2, 13086 Berlin
激光束遠(yuǎn)程硬化在工業(yè)領(lǐng)域變得越來越重要,通過使用該技術(shù)可以開發(fā)新作業(yè)和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的硬化方法相比,激光束遠(yuǎn)程硬化可以顯著提高生產(chǎn)率。提高組件的可達(dá)到性和高重復(fù)率,減少循環(huán)時(shí)間,這在汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)中扮演了一個(gè)主要角色,對(duì)于許多金屬加工業(yè)的中型企業(yè)來說也非常重要,這是在未來保持競(jìng)爭(zhēng)力的途徑。
迄今為止,激光系統(tǒng)很少用于硬化。即使要使用,也沒有必要的控制系統(tǒng)提供給加工參數(shù)的在線適應(yīng)。Scansonic的一項(xiàng)開發(fā),即允許通過使用智能傳感器,以及用于加工窗口擴(kuò)展和加工穩(wěn)定的新方法----實(shí)現(xiàn)了激光硬化的調(diào)節(jié),從而顯著提高質(zhì)量。
激光束遠(yuǎn)程硬化的原理
原則上,激光束遠(yuǎn)程硬化屬于表面硬化方法,碳含量高于0.2%的鐵質(zhì)材料特別適用于這一過程。對(duì)于要硬化的部件,激光束通常在材料熔點(diǎn)溫度下加熱表面層。組件表面在進(jìn)料方向被加熱,使碳原子在金屬基質(zhì)中重新定位。當(dāng)TCP向前移動(dòng)時(shí),周圍的材料將冷卻輻射區(qū)域,這就是所謂的自淬火。 在高冷卻速度下,可以防止碳擴(kuò)散,金屬基體不能恢復(fù)到原始形態(tài)。這會(huì)產(chǎn)生馬氏體,一種非常硬而脆的金屬結(jié)構(gòu)。
圖1顯示了一個(gè)系統(tǒng)在兩塊集成電路板加工過程中,可以允許加工參數(shù)的精確調(diào)整。它使系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前材料條件,調(diào)節(jié)激光功率和集成掃描儀的橫向速度。
由于實(shí)時(shí)溫度控制,該加工經(jīng)常超過所需的硬化溫度,但同時(shí)低于熔融溫度。因此,結(jié)構(gòu)上需要的鋒利的孔或切邊不會(huì)因?yàn)檫_(dá)到了所需的深度(最大2mm)而熔化。為此,在中等速度0.2 ... 1.5米/分鐘范圍內(nèi),通常有必須的相對(duì)較大的光斑直徑(Øspot3.5 ... 15毫米)。激光功率在900W和5KW之間。
圖1
工件上難以觸及的地方可以通過光束引導(dǎo)的可能性實(shí)現(xiàn)加工,并且硬化可以很好地適應(yīng)于部件的幾何形狀。因此,復(fù)雜的輪廓可以硬化,具有高度的靈活性。其它表面硬化方法,如感應(yīng)硬化,根據(jù)每個(gè)工件的幾何形狀需要新的感應(yīng)器。此外,由于激光束的強(qiáng)聚焦性,激光器可以進(jìn)行局部有限的硬化。
激光硬化的經(jīng)濟(jì)可行性有著一個(gè)決定性優(yōu)點(diǎn),就是可以硬化最終完成和形成的部件。工件可以在軟條件下進(jìn)行加工,只有達(dá)到傳送狀態(tài)所需的尺寸和形狀時(shí),才會(huì)發(fā)生硬化。由于大量有目的性的熱量輸入,與感應(yīng)硬化相比,組件的變形可以忽略不計(jì)。
圖2
所謂自淬火的優(yōu)點(diǎn),通過部件體積、外表面和核心之間的溫度梯度,確保了在激光硬化期間的最佳和無缺陷的硬化結(jié)果。
在圖2和圖3中,展示了具有徑向凹槽的軸桿。該部件的硬化過程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過工件的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。橫向掃描運(yùn)動(dòng)沿軸向工作,并覆蓋表面上的兩個(gè)連續(xù)的凹槽。圖3所示的縱向剖面示出了表面邊緣處的硬化結(jié)構(gòu)。
一個(gè)深度1mm的硬化案例,是通過使用光學(xué)散焦來產(chǎn)生,激光束在部件上覆蓋范圍從3.3mm增加到5.7mm。這里,通過熔化邊緣沒有產(chǎn)生缺陷。
圖3
所選擇的機(jī)器人速度為6 mm/s,對(duì)自淬火有正面影響。圖4中的圖示出了部件各個(gè)深度所測(cè)量到的硬度值。
圖4
隨著部件邊緣處的熱量增加,邊緣熔化很可能出現(xiàn),但是通過降低激光功率和掃描速度的平行增加可以防止出現(xiàn)。工具中心點(diǎn)的工件溫度通過使用高溫計(jì)可以實(shí)現(xiàn),它與光學(xué)系統(tǒng)的光束路徑是同軸耦合在一起。根據(jù)控制原理,測(cè)量所得溫度現(xiàn)在與設(shè)定值匹配。一旦出現(xiàn)與設(shè)定值偏離,橫向掃描運(yùn)動(dòng)速度以及激光功率都要調(diào)整。
通過在光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡上的集成自動(dòng)對(duì)焦來實(shí)現(xiàn)Z方向(垂直)的垂直偏移,由此可以跟蹤激光光斑中的水平(TCP)。
該系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生清潔的硬化效果,因?yàn)橥ǔ2皇褂么慊鸾橘|(zhì),因此不會(huì)發(fā)生表面污染。工件的選擇性硬化,比如具有多維彎曲向內(nèi)或難以觸及區(qū)域,孔或凹槽,都是可能實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)還包括易變形的部件。與感應(yīng)淬火相反,激光束作為一個(gè)非成型工具。
從經(jīng)濟(jì)角度來看,通過激光進(jìn)行熱處理也具有優(yōu)勢(shì)。高效率由系統(tǒng)的高度靈活性所賦予,即使對(duì)于小批量的尺寸也是如此。加工后的零件,無磨損的和低成本維護(hù)的加工零件,在硬化處理后馬上獲得,可以進(jìn)一步加工,無需進(jìn)行各種后續(xù)處理。由于不再需要長時(shí)間的預(yù)熱,加工時(shí)間更短,并且可以非??焖俸蜏?zhǔn)確地改變工藝溫度。
激光硬化工作站可以輕松地被整合到現(xiàn)有的生產(chǎn)加工中。激光束本身采用光學(xué)光纖可以實(shí)現(xiàn)光束導(dǎo)向選擇,可以安裝在生產(chǎn)鏈外側(cè)。對(duì)于該過程,僅需要留些空間給激光加工光學(xué),以及用于允許工件和激光束之間運(yùn)動(dòng)的裝置。
通過部件的自淬火和廢水或油的排放,以及非常高能量效率的激光工藝,降低環(huán)境影響也屬于一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
通過激光硬化,為客戶的工件提供激光硬化加工,可為他帶來效益。采用準(zhǔn)確設(shè)定的熱量輸入對(duì)所需表面的選擇性硬化,可以導(dǎo)致不同尺寸較小和較輕的組件平行,增加其耐磨性。
激光加工的條件
用于激光硬化的光學(xué)系統(tǒng)RLH-A可以配套固態(tài)激光器使用,也包括1030nm的波長碟片激光器,1064nm的YAG激光器以及1070nm的光纖激光器。這個(gè)光學(xué)器件還可以與半導(dǎo)體激光器一起使用,其波長范圍為930 nm至1100 nm。對(duì)于這種表面處理的應(yīng)用,常用的光纜的光纖直徑為600μm芯徑。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工運(yùn)動(dòng),激光光學(xué)或者工件都安裝在導(dǎo)向機(jī)器上,根據(jù)應(yīng)用而定。以激光腔形式的激光安全裝置對(duì)于這種生產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要。
前景
未來的重點(diǎn)肯定在于技術(shù)的進(jìn)步,根據(jù)用戶需求提供各種可用系統(tǒng)。包括例如:具有二維掃描組件的光學(xué)器件,以及沒有激光束振蕩的更簡單的系統(tǒng)。另一個(gè)主要問題和對(duì)工藝的有用的適應(yīng)是可變光束或聚焦成形。由此,TCP上的激光光斑可以被衍射光學(xué)改變,根據(jù)圓形光斑或線條光斑。
作者:
Alexander Kranhold, MBE
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Sebastian Becker, M.Sc.
參考文獻(xiàn)
[1] Laser hardening of power train components
[Daimler AG, Christian Elsner, EALA2013, 02.20.2013]
[2] Internal examinations of laser hardening,
Laser Application Center, Scansonic MI GmbH, 2014
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