Laserové kalení
Principy kalení
Kalení je způsob tepelného zpracování kovů, při kterém dochází k rychlému ohřevu kovu na tzv. kalící teplotu, jež je následována prudkým ochlazením. Tato kalící teplota se nachází pod teplotou tavení daného materiálu – její přesná hodnota je závislá na obsahu uhlíku v kaleném materiálu. Důvodem pro provádění kalících operací je zlepšení mechanických a fyzikálních vlastností - dosažení vyšší tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a pevnosti v tahu. Kalená část získává svoje pozitivní vlastnosti na úkor vyšší křehkosti a nižší houževnatosti. Při zahřátí na vysokou teplotu se uvolňují vazby v krystalové mřížce materiálu a při rychlém odvodu tepla do okolí dochází k jejich opětovnému přeskupení – ke vzniku nové nerovnovážné struktury (tzv. fázová transformace). Tato nová struktura se vyznačuje větší jemnozrnností a jiným uspořádáním karbidů (karbid = sloučenina uhlíku s elektropozitivním prvkem, např. železem). V souvislosti s poznámkou o uspořádání karbidů vyplývá, že kalit se dají jen materiály s jistým minimálním obsahem karbidu - tedy uhlíku ve struktuře oceli (min. 0,35% uhlíku). Pro slitiny je rozhodující obsah uhlíku v základní struktuře. Výsledná tvrdost je pak na obsahu uhlíku ve struktuře přímo závislá. V případě oceli dochází při kalení ke vzniku přesyceného tuhého roztoku uhlíku v železe (tzv. martenzitu), který je charakteristický svojí jemnou strukturou. Při správně povedeném zakalení je požadováno právě získání struktury Martenzitu. U konstrukčních ocelí je Martenzit výchozí strukturou pro další tepelné zpracování (např. popouštění), u nástrojových ocelí je Martenzit naopak strukturou konečnou. Jemnost, resp. zrnitost struktury při kalení je dána na několika faktorech (rychlost ochlazení, obsah nečistot v materiálu, atd.). Čím rychlejší ochlazení, tím je dosaženo vyšší jemnosti struktury a tedy vyšší tvrdosti. Ocel z huti je dodávána v základním stavu jako vyžíhaná (opak kalené – vyžíhaná ocel je charakteristická svojí vysokou měkkostí a houževnatostí). Kalení je zakázáno u součástek, které by při nečekaném prasknutí způsobily úraz (např. kované háky u zvedacích zařízení).Běžně užívané kalící techniky:
Indukční plamen – zdrojem tepla je plamen hořáku spalující vhodný plyn s kyslíkem – pomalé, manuální a nerovnoměrné zahřátí materiálu vhodné pro součásti velkých rozměrů a jednoduchého tvaru
Indukční kalení – založeno na rychlém ohřevu materiálu působením střední nebo vysoké frekvence proudu v induktoru, jehož tvar je přizpůsoben kalenému předmětu nebo jeho části. Při průchodu střídavého proudu induktorem se indukuje na povrchu kaleného předmětu střídavé magnet. pole, čímž vznikají v materiálu vířivé proudy, které velice rychle zahřejí povrch tělesa. Chlazení materiálu je prováděno kapalinou. Protože při indukčním kalení dochází k oxidaci povrchu, je nutno provést po kalení alespoň drobné konečné opracování.
Vakuové chlazení – zpracování dílů v plynotěsném zařízení o tlaku 5-2mbar. Vsázka je v několika krocích postupně ohřátá až na kalící teplotu, kdy ohřev zajišťují grafitové tyče. Chlazení dílů probíhá vháněním plynného dusíku o tlaku až 6 bar. Výhoda je taková, že povrch materiálu při ohřívání neoxiduje. Kontrola a regulace teplot zajištěna třemi termočlánky, které předávají potřebné informace regulační a řídící jednotce, která kontroluje průběh procesu.
Ochlazování kalených částí – kalící média:
Vzduch – nejméně efektivní prostředek pro ochlazení kalených částí.
Olej – intenzivnější než vzduch, intenzitu ochlazení je možno dále zvýšit prouděním oleje v lázni
Voda – nejintenzivnější chladící prostředek, levný a přijatelný pro životní prostředí, vysoká ochlazovací schopnost však může u složitějších dílců vytvořit materiálové deformace způsobené vysokým pnutím, což může vést až k vytvoření trhlin
Roztavené solné lázně – plynulé ochlazování, dosažení nejmenšího materiálového pnutí
Výhody použití laseru při kalení:
- dobře kontrolovaný přísun energie (1-30J/cm2) nebo výkonu (104-107W/cm2)
- extrémně rychlý ohřev (106-108K/m) a extrémně rychlé ztuhnutí materiálu (1-30m/s)
- žádné materiálové pnutí
Protože je rychlost ohřevu pro kalení důležitým parametrem, je snaha dodat materiálu požadovanou energii v co nejkratší době.
Tabulka uvedená níže ukazuje charakteristiky rozdílných zdrojů energie a z nich vyplývající vhodnosti pro účely tepelných úprav materiálů:
|
Zdroj energie
|
Nejmenší plocha ohřevu (cm2)
|
Max. měrný výkon (W/cm2)
|
|
Sluneční světlo
|
10-3
|
5
|
|
Indukční ohřev
|
1
|
102
|
|
Kyslíko-acetylenový plamen
|
10-2
|
5.102
|
|
Elektrický oblouk
|
10-3
|
103
|
|
Laserové záření
|
10-4
|
108
|
|
Elektronové záření
|
10-7
|
5.108
|
Použitelnost laserové technologie pro oblast kalení je výrazně ovlivněna schopností interakce laserového paprsku s materiálem, která úzce závisí s hodnotou tzv. součinitele absorpce laserového paprsku v materiálu.
Součinitel absorpce laserového paprsku v materiálu závisí na:
- Druhu materiálu, neboli na jeho tepelné vodivosti (pro účely obrábění a dělení materiálu požadována nižší tepel. vodivost / pro účely tepelného zpracování a svařování požadována vyšší tepel. vodivost)
- Stavu povrchu (součinitel absorpce se zvyšuje při zvětšení nerovnosti povrchu, proto se před kalením mnohdy pro zvýšení absorpce povrch materiálu záměrně poškozuje laserem nebo se provádí tzv. grafitování)
- Teplotě materiálu (čím vyšší teplota materiálu, tím vyšší absorpce)
- Vlnové délce laserového paprsku (čím nižší vlnová délka paprsku, tím vyšší absorpce)
Pro účely kalení je obecně vhodnější kontinuální režim než režim pulzní.
Tepelné zpracování povrchů materiálů s větší šířkou se uskuteční vhodným překrýváním jednotlivých stop paprsku nebo oscilací laseru s amplitudou kmitu rovnající se šířce funkčního povrchu.
Schéma postupu paprsku při plošném tepelném ovlivňování povrchu laserem oscilací a překrýváním stop:
Závislost jednotlivých tepelných úprav materiálu na výkonu laseru a době interakce laserového svazku s materiálem:
Pro vytvrzení oceli laserem o objemu 1mm2 je potřeba cca 50J energie – k tomu obvykle stačí 10W/mm2 a doba interakce 1s s kaleným materiálem. Převedeno do výkonu svazku - 1kW (spot 10x10mm) s rychlostí pohybu paprsku 10mm/s.
Zvoleným výkonem (dodanou energií) se ovlivňuje teplota kalícího procesu, zatímco rychlostí pohybu laserového paprsku po povrchu materiálu se ovlivňuje hloubka zakalení. Výkon laserového systému se pak řídí zpětnou vazbou, ve které pyrometr, integrovaný většinou přímo v optice, odečítá teplotu materiálu a podle ní upravuje výstupní výkon laseru.
Chlazení většinou probíhá jednoduchým vedením tepla z kalené oblasti do okolního prostředí – v případě nutnosti lze použít chlazení externí. Aby došlo k samozakalení (tj. bez použití externího chlazení), musí být tloušťka materiálu min. 10x větší než prokalená hloubka.
Použití laserové technologie pro účely kalení
Následující tabulka shrnuje výše zmíněné parametry laserových systémů:
|
|
Typ laseru
|
|||
|
Parametry
|
CO2
|
Nd:YAG (čerpání lampou)
|
Nd:YAG (čerpání diodou)
|
HPDL
|
|
Vlnová délka (um)
|
10,6
|
1,06
|
1,06
|
0,8-0,94
|
|
Účinnost (%)
|
5-10
|
1-3
|
10-12
|
30-50
|
|
Výkon (kW), max.
|
40
|
5
|
5
|
6
|
|
Průměrná hustota energie (W/cm2)
|
106…8
|
105…7
|
106…9
|
103…5
|
|
výdrž (hod)
|
1000-2000
|
200
|
5000-10000
|
5000-10000
|
|
Sdružování laserových vláken
|
Ne
|
ano
|
ano
|
ano
|
|
Poloměr laser. svazku v krčku -BPP (mm x mrad)
|
12
|
25-45
|
12
|
100-1000
|
CO2 lasery:
- vysoká vlnová délka záření ústí v malou absorpci laserového paprsku v materiálu (kovu) – v tomto případě je potřeba zvýšit absorpci materiálu předúpravou, jakou je např. grafitování
- výborná kvalita paprsku (nízké BPP*)
- CO2 lasery o výkonu několika tisíc wattů se často používají pro účely kalení
Lasery s pevnou aktivní látkou (Nd:YAG):
- nižší vlnová délka je vhodnější pro tepelnou úpravu kovů, ale laser pracuje s mnohem nižší elektrickou/optickou efektivitou, která dělá zařízení neefektivní a nákladné pro provoz
Vysoce výkonné diodové lasery (HPDL):
- představují nejvhodnější systémy pro úpravu materiálu s vysokou hodnotou výkonu (6kW)
- nízká vlnová délka (běžně 0,8-0,94um) zabezpečuje vyšší absorpci laserového záření v kovech
- díky velmi vysoké elektrické/mechanické účinnosti (30-50%) jsou HPDL výrazně menší než ostatní laserové systémy stejného výkonu
- navzdory špatnému BPP* jsou vzhledem k jejich tvaru emitovaného paprsku (obdélník nebo čtverec, ale možný lineární i kruhový tvar) a rozdělení energie záření v průřezu paprsku velmi vhodné pro kalení
Na rozdíl od ostatních druhů laserů se děje přechod elektronů mezi dovolenými energetickými pásy a ne mezi energetickými hladinami. Buzení je realizováno fotony, svazkem elektronů nebo elektrickým polem. Záření je tedy generováno probíhajícím proudem v rozsahu 10-50A přes diodový PN přechod.
Souhrn:
Bezesporná perspektivnost použití laseru v technologických procesech spočívá především v těchto skutečnostech:
- Extrémní koncentrace energie a výkonu, velká účinnost přeměny energie, jednoduchá a neobyčejně přesná regulace energetického účinku laseru na materiál. V současnosti se v technologických procesích mohou využít lasery o výkonu 100 W až 20 kW.
- Možnost rozdělení laseru velkého výkonu na částečné paprsky menších výkonů. Výhodné ovládání laseru a přenos pomocí optických systémů a světlovodů na pracovní místa. Velká bezpečnost při práci.
- Na laser nepůsobí externí magnetické a elektrické pole, proces zpracování nevyžaduje vakuum, v interakci laseru s materiály nevzniká rentgenové záření.
- Bezkontaktnost procesů zpracování - laserové zpracování nevyžaduje nástroje a upínací přípravky, netřeba uvažovat o poškození a porušení nástrojů se všemi důsledky na výrobní náklady a kvalitu výrobků.
- Velká hygiena práce, velká čistota procesu, bezhlučnost operace, tj. humanizace pracovního procesu a prostředí.
- Velká výrobní pohotovost a velká výrobní rychlost (elektromagnetické vlnění v procesech neprojevuje setrvačnost), rychlý start a ukončení technologického procesu - to vše se odrazí v podstatném zvětšení produktivity práce.
- Zmenšení energetické náročnosti mnoha operací, zmenšení podílu následné práce, neobvykle velká kvalita výrobků.
- Nasazení automatizace, robotizace a systémů vyšší automatizace, vytvoření pružných laserových výrobních systémů.
*BPP (beam parameter product) – česky označováno jako poloměr laserového svazku v krčku
- je dán rozbíhavostí paprsku (jeho divergenčním úhlem) a poloměrem šířky paprsku v jeho nejužším místě
- určuje kvalitu laserového paprsku s ohledem na to, jak snadno může být zaostřen na malou velikost spotu (nejmenší BPP má tzv. gaussovský paprsek)
Vybíráme z referencí
