Лазерная термическая обработка металлов

Обновлено: 07.07.2024

Упрочнение поверхности деталей позволяет существенно увеличить период их эксплуатации, снизить уровень износа поверхностей, подвергающихся механическим воздействиям. Наиболее эффективной технологией для этого показала себя лазерная поверхностная закалка металлических изделий, которую вы можете заказать в «ЛиТ». Обработке можно подвергать не только плоские, но и криволинейные изделия – цилиндрические, конические, сфероидальные и сложных геометрических форм. С точки зрения затрат энергии, труда и материалов метод показал себя более выгодным и действенным, чем остальные способы повышения прочности.

Лазерная закалка металлов

Суть технологии заключается в частичной передаче энергии луча обрабатываемому сплаву, вследствие чего его температура резко возрастает. Термическое воздействие первоначально охватывает очень небольшой слой, затем нагрев распространяется вглубь металла. В результате наружный слой приобретает кристаллическую структуру, успешно противостоящую механическим повреждениям.

Для обработки необходимо, чтобы энергия луча составляла 10³-10⁴ Вт/см². Наилучший эффект достигается при использовании установки непрерывного действия, которая продвигается вдоль заготовки со скоростью до 150 см/мин, оставляя за собой прогретую полосу. Если необходимо обработать поверхность большой площади, процедуру повторяют, делая между полосами узкие отступы, чтобы исключить образование зон отпуска.

Наиболее часто лазеры используют для улучшения изделий из различных сталей и чугунов, но другие металлы тоже могут подвергаться упрочняющему воздействию. Эффективность зависит от правильного выбора установки и режима работы луча.

Достоинства метода

Лазерная закалка стали и других металлов – это прогрессивная и экономически целесообразная технология, обладающая рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами.

Не требуется финишная шлифовка, так как продолжительность термообработки минимальна.
Детали не подвергаются деформации, сохраняя первоначальную геометрическую форму и размеры.
Длительность операции минимальна, производительность существенно более высока, чем при использовании других методов.
Воздействие, в зависимости от решаемых задач, охватывает всю поверхность либо отдельный, четко ограниченный участок.
Процесс находится под постоянным контролем автоматики, гарантирующим надлежащее качество результата.
Для внесения изменений в режим работы достаточно нажать несколько клавиш. Длительная перенастройка оборудования не нужна.

Если вам требуется лазерная закалка деталей, обратитесь в ПВЦ «Лазеры и Технологии» по телефону или электронной почте. Мы подробно ответим на все вопросы и обсудим условия выполнения заказа.

Требования к чертежам

Заказы на обработку принимаются в виде чертежей в любом векторном формате.

Мы так же готовы подготовить для вас чертежи по вашим эскизам, ТЗ или описанию.

Написать нам

Цены на услуги

Стоимость услуг зависит от сложности и срочности работы рассчитывается индивидуально для каждого заказа

В штате нашего предприятия работают высококвалифицированные специалисты, опытные конструктора и технологи , которые окажут БЕСПЛАТНЫЕ консультация по услугам, ответят на все Ваши вопросы, при необходимости изготовят пробы.

Карта сайта ПВЦ «Лазеры и технологии»
Адрес: 124460 Москва, г. Зеленоград, Георгиевский проспект, дом 5 строение 1

Лазерная термообработка

Лазерная обработка материалов, в том числе и термообработка, основана на использовании лазерного излучения, которое позволяет создавать на очень небольшом участке поверхности высокие плотности теплового поля, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления.

По своей сути, лазеры - это генераторы света. При их воздействии на поверхность обрабатываемых сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Количество отраженного излучения зависит от природы материала и предварительной подготовки поверхности.

Энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в поверхностном слое толщиной 10 -6 -10 -7 м. Вследствие этого температура резко повышается. Последующий нагрев металла осуществляется за счет теплопроводности материала. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и от коэффициента теплопроводности материала. Основным показателем, определяющим эффективность поглощения лазерного излучения металлами, является состояние поверхности. Для увеличения эффективности поглощения целесообразно применять нанесение покрытий с низкой отражающей способностью. В настоящее время используют химические, углеродистые, лакокрасочные и водорастворимые покрытия. В производственных условиях часто используется фосфатирование поверхностей.

Основные виды лазерной обработки можно расположить в следующей последовательности, в зависимости от количества передаваемой энергии: поверхностная термообработка, лазерная сварка, лазерная резка. Эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяется плотностью мощности лазерного излучения Е в зоне обработки. При Е=10 4 - 10 5 Вт/см 2 происходит активный локальный разогрев материала без оплавления. Оплавление и испарение металла происходит при более высоких показателях - до 10 10 Вт/см 2 .

Лазерная закалка

Лазерную закалку обычно делают при 10 3 - 10 4 Вт/см 2 . При этом сам процесс закалки происходит за счет интенсивного отвода тепла вглубь металла - процесс самозакалки. При лазерной закалке обычно используют лазеры непрерывного действия, они позволяют производить обработку со скоростью 10 2 - 10 4 мм/мин. После обработки на поверхности сплава получается закаленная полоса. При закалке больших площадей поверхностей сплавов закалку производят полосами, при этом рекомендуется делать небольшие отступы между этими полосами для предотвращения появления мягких пятен (зон отпуска). После закалки поверхностный слой состоит из зоны оплавления, зоны термического влияния, переходной зоны - зоны отпуска с низкой твердостью и зоны основного металла. Зона термического влияния может представлять собой слой мартенсита насыщенного углеродом и ниже слой неполной закалки. Насыщение азотом происходит из воздуха при воздействии высоких температур.

Лазерная закалка различных сталей

Заэвтектоидные стали рекомендуется упрочнять используя режимы, обеспечивающие получение структур с нерастворёнными карбидами, т.е. процесс лазерной термообработки необходимо проводить с наибольшими скоростями охлаждения. Для этих сталей эффективной считается импульсная закалка с оплавлением поверхности. В среднеуглеродистых легированных сталях типа 40Х, 38ХМ, 65Г, при обработке с минимальным оплавлением, твердость получается выше, чем в среднеуглеродистых сталях без легирующих элементов. Для получения наибольшей твердости в высоколегированных сталях, рекомендуется упрочнять их при малой длительности лазерного излучения. Высоколегированные инструментальные стали типа Х12 и Р18 рекомендуется обрабатывать в узком интервале режимов лазерной обработки, при которых в мартенсите содержится достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. При лазерной термообработке чугунов образуется зона оплавления и зона закалки, а переходная зона выявляется редко. При обработке с оплавлением, графит растворяется в расплаве, а после охлаждения в зоне оплавления формируется структура белого чугуна. Упрочнять чугуны следует при невысокой плотности и небольшой скорости обработки.

Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей: износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др.

Кроме лазерной термообработки, в зависимости от соотношения времени воздействия излучения и плотности мощности этого излучения, применяются и другие методы лазерной обработки. Например лазерное легирование, нанесение покрытий, резка, сварка и т.д.

Классификация лазеров

В зависимости от рабочего тела, лазеры могут быть твердотельные, жидкостные, полупроводниковые и газовые. В зависимости от типа воздействия могут быть импульсными и непрерывного действия.

Основные параметры лазерной обработки

В качестве технологических, при лазерной термообработке используют следующие параметры: когерентность и монохроматичность; интенсивность, измеряемая плотность тока в непрерывном режиме или энергия импульса в импульсном режиме; длина волны; угловая расходимость (обычно 0,01-0,1 градуса); время воздействия на металл.

Лазерная резка металла как бизнес-идея

Когда речь идет о резке металла, существует несколько различных способов. Можно использовать традиционные методы, такие как пилы и резаки, а можно выбрать что-то более современное и использовать лазер. Лазерная резка металла становится все более популярной в последние годы, поскольку она обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Если вы рассматриваете возможность использования лазерной резки металла в своем бизнесе, вот что вам нужно знать о ее особенностях и преимуществах.

Лазерная резка металла - это процесс, в котором для резки металла используется сфокусированный луч света. Свет генерируется лазером и затем направляется на металл через ряд зеркал. Интенсивность лазерного луча достаточно высока, чтобы расплавить, испарить или иным образом повредить металл, чтобы его можно было чисто и точно разрезать.
Одним из самых больших преимуществ лазерной резки металла является то, что она намного точнее, чем другие методы. Когда вы работаете с хрупкими материалами или сложными конструкциями, точность имеет ключевое значение. Лазерная резка позволяет достичь результатов, которые были бы невозможны при использовании других методов.

Еще одним преимуществом лазерной резки металла является то, что она быстрее других методов. Традиционные методы, такие как распиловка или резка резаком, могут занимать часы или даже дни, в то время как лазерная резка часто может быть выполнена за считанные минуты. Это может сэкономить вам много времени и денег в долгосрочной перспективе.
Наконец, лазерная резка металла относительно безопасна и проста в освоении. В отличие от других методов, таких как сварка или резка резаком, при использовании лазерного резака нет риска ожогов или пожара. А поскольку процесс автоматизирован, он не требует такой длительной подготовки, как другие методы.

Прежде чем решить, подходит ли лазерная резка металла для вашего бизнеса, следует учесть несколько моментов:

Во-первых, важно учитывать стоимость оборудования, необходимого для лазерной резки, в сравнении с традиционными методами, такими как пиление или резание резаком.
Во-вторых, вам потребуется доступ к источнику питания, достаточно мощному для работы лазерного резака.
В-третьих, вам понадобится доступ к достаточно мощной вытяжной системе для удаления паров, образующихся в процессе резки.
В-четвертых, в зависимости от типа вашего бизнеса, могут существовать местные правила в отношении лазеров, которые вам нужно будет соблюдать.

Наконец, если вы рассматриваете возможность открытия собственного бизнеса, важно выяснить, есть ли в вашем районе существующие предприятия, предлагающие аналогичные услуги. Если да, то вам будет трудно конкурировать с ними, не обладая какими-либо конкурентными преимуществами, такими как более низкие затраты, более быстрое время выполнения заказа или более высокий уровень точности. Однако, несмотря на эти потенциальные проблемы, открытие собственного бизнеса, посвященного исключительно лазерной резке металла, может оказаться жизнеспособным вариантом, особенно если в вашем районе не хватает таких предприятий.

В целом, если вы рассматриваете возможность использования лазерной резки металла для своего бизнеса или начинающей компании, важно провести исследование и взвесить все "за" и "против", прежде чем принимать окончательное решение. Однако если вы решите, что лазерная резка металла вам подходит, вы сможете воспользоваться многочисленными преимуществами этой технологии, такими как повышенная точность, более быстрое время выполнения заказа, снижение затрат на оборудование и обучение.

Аддитивные технологии: SLS — выборочное лазерное спекание

Выборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий (см. видео). Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. SLS зачастую ошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазерной плавкой (SLM). Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время как выборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую для построения монолитных моделей.

Технология

Технология (SLS) подразумевает использование одного или нескольких лазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трехмерного физического объекта. В качестве расходных материалов используются пластики, металлы, керамика или стекло. Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (т.н. «сканирования») с помощью одного или нескольких лазеров. По завершении сканирования рабочая платформа опускается, и наносится новый слой материала. Процесс повторяется до образования полной модели.

Так как плотность изделия зависит не от продолжительности облучения, а от максимальной энергии лазера, в основном используются пульсирующие излучатели. Перед началом печати расходный материал подогревается до температуры чуть ниже точки плавления, чтобы облегчить процесс спекания.

В отличие от таких методов аддитивного производства, как стереолитография (SLA) или моделирования методом послойного наплавления (FDM), SLS не требует построения опорных структур. Навесные части модели поддерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяет добиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемых моделей.

Материалы и применение

Некоторые SLS устройства используют однородный порошок, производимый с помощью барабанно-шаровых мельниц, но в большинстве случаев используются композитные гранулы с тугоплавким ядром и оболочкой из материала с пониженной температурой плавления.

В сравнении с другими методами аддитивного производства, SLS отличается высокой универсальностью в плане выбора расходных материалов. Сюда входят различные полимеры (например, нейлон или полистирол), металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, кобальт-хромовые сплавы и др.), а также композиты и песчаные смеси.

Технология SLS получила широкое распространение по всему миру благодаря способности производить функциональные детали сложной геометрической формы. Хотя изначально технология создавалась для быстрого прототипирования, в последнее время SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий. Достаточно неожиданным, но интересным применением SLS стало использование технологии в создании предметов искусства.

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) – технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания («Selective Laser Sintering» или SLS) и выборочной лазерной плавки («Selective Laser Melting» или SLM).

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. Готовый «построечный» файл используется как набор чертежей во время печати. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200 Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Как вариант, возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров.

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF, составляет порядка 100 микрон.

Другой интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для нависающих элементов конструкции. Неспеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность. Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново. DMLS производство можно считать фактически безотходным, что немаловажно при использовании дорогих материалов – например, драгоценных металлов.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Преимущества и недостатки

Технология DMLS обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами. Наиболее очевидным является возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки (т.н. «субтрактивных» методов – фрезеровки, сверления и пр.). Производство практически безотходно, что выгодно отличает DMLS от субтрактивных технологий. Технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры. Построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла. С другой стороны, детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

DMLS активно используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий. Так как DMLS не требует специальных инструментов (например, литейных форм) и не производит большого количества отходов (как в случае с субтрактивными методами), производство мелкосерийных партий с помощью этой технологии намного выгодней, чем за счет традиционных методов.

Применение

Технология DMLS применяется для производства готовых изделий малого и среднего размера в различных отраслях, включая аэрокосмическую, стоматологическую, медицинскую и др. Типичный размер области построения существующих установок составляет 250х250х250мм, хотя технологических ограничений на размер не существует – это лишь вопрос стоимости устройства. DMLS используется для быстрого прототипирования, снижая время разработки новых продуктов, а также в производстве, позволяя сокращать себестоимость мелких партий и упрощать сборку изделий сложной геометрической формы.

еверо-западный политехнический университет Китая использует DMLS системы для производства элементов конструкции самолетов. Исследования, проведенные EADS, также указывают на снижение себестоимости и отходов при использовании технологии DMLS для производства сложных конструкций в единичных экземплярах или мелкими партиями.

5 сентября 2013 года Илон Маск опубликовал фотографии детали ракетного двигателя Super Draco, созданной из никель-хромового жаропрочного сплава Inconel с помощью принтера EOS:

SpaceX SuperDraco inconel rocket chamber w regen cooling jacket emerges from EOS 3D metal printer

Материалы

В качестве расходных материалов могут использоваться практически любые металлы и сплавы в порошковой форме. На сегодняшний день успешно применяется нержавеющая сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан и прочие материалы.

Лазерная закалка металла: технология, плюсы и минусы

Лазерная закалка металлов – современная технология, применяемая для упрочнения быстро изнашиваемых изделий. В процессе термообработки меняются свойства материала, он становится более устойчивым к развитию коррозионных процессов, трению и прочим негативным факторам.

Суть процесса лазерной закалки

По сути, оборудование для закалки является генератором световых лучей. Воздействуя на поверхность изделия, часть лазерного потока проникает на небольшую глубину, где поглощается поверхностными электронами. За счет этого температура сплава резко повышается. Скорость нагрева зависит от теплопроводности металла и интенсивности воздействия лазером. Глубина воздействия составляет 0,1–1,5 мм, для некоторых материалов она может быть увеличена до 3 мм. Чтобы уменьшить отражение светового потока, зачастую применяются покрытия с низкой отражающей способностью: химические, углеродистые и прочие.

Поэтапно закалка лазером выглядит следующим образом:

Поверхность материала нагревается до показателя, близкого к температуре плавления, – 900–1300 о С.

В процессе нагрева атомы углерода в металле начинают менять свое положение, в результате чего запускается процесс аустенитного превращения.

Когда определенная зона разогревается до установленной температуры, луч сдвигается и обрабатывает следующую область.

По мере перемещения светового луча металл практически моментально остывает, эффект самоохлаждения не позволяет ему вернуться к первоначальной структуре.

В результате этого на поверхности образуется мартенсит (игольчатые зерна, представляющие собой перенасыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе), и прочность материала значительно повышается. Лазерная поверхностная закалка – управляемый процесс, который можно использовать для деталей любой конфигурации.

Применение поверхностной лазерной закалки

Лазером закаляют поверхности таких материалов, как:

конструкционная и инструментальная сталь;

науглероженная и азотированная сталь;

чугун с шаровидным и пластинчатым графитом.

Главным условием для проведения термической обработки является наличие в составе достаточного количества углерода – не менее 0,22 %.

Лазерная закалка стали широко применяется в разных сферах промышленности и сельского хозяйства для придания прочности изделиям, которые работают при повышенных нагрузках и подвергаются преждевременному износу. Это могут быть:

цилиндрические детали – валы, кольца, втулки;

режущие кромки ножей;

резьбовые поверхности насосно-компрессорных труб;

штампы, ударопрочные подшипники.

Технология используется для обработки многих других узлов и компонентов, которые применяются в машиностроительной и химической промышленности.

Достоинства лазерной закалки металлов

В результате теплового воздействия на поверхности металлических изделий образуется высокодисперсная структура, которая прочнее основного материала в 2–4 раза. Перед закалкой лазером не требуется проводить сложную предварительную обработку или прогревать деталь: ее сразу помещают в оборудование и подвергают тепловому воздействию. Технология имеет и другие преимущества:

термообработке можно подвергать детали, имеющие миниатюрные размеры и сложную форму – цилиндрическую, коническую, сфероидальную и пр.;

оператор имеет возможность точечно регулировать температуру лазерного воздействия и его продолжительность;

выдержка необходимой температуры длится от 0,01 до 10 секунд, то есть на обработку детали средних размеров уходит в среднем 30–90 секунд (при использовании других методов упрочнения требуется гораздо больше времени на нагрев и охлаждение);

обработанные детали не нуждаются в финишной шлифовке;

в процессе обработки не выделяются вредные вещества, за счет чего воздействие на окружающую среду минимально;

по сравнению с другими технологиями упрочнения закалка лазером требует меньшего количества энергоресурсов, что положительно сказывается на себестоимости обработки;

современное лазерное оборудование оснащено мощными системами охлаждения, что позволяет ему беспрерывно работать на протяжении длительного периода времени;

для внесения изменения в работу техники не требуется много времени на перенастройку, достаточно нажать несколько кнопок.

По сравнению с другими видами термообработки (воздействием током высокой частоты, электронагревом, закалкой расплавом и прочими) закалка лазером – не объемный, а поверхностный процесс. Время нагрева и охлаждения минимальны, поэтому изделия сохраняют физические параметры, а риск их повреждения или деформации полностью отсутствует.

Минусы технологии

Несмотря на то что лазерная термообработка имеет множество преимуществ, она не универсальна и не способна полностью заменить комплексную химико-термическую и объемную термическую обработку, а также методы локальной термической закалки. Зона воздействия ограничивается доступом луча к поверхности, хотя сегодня этот недостаток успешно нивелируется путем использования гибких оптоволоконных систем. Глубина закалки зависит от свойств металла и в большинстве случаев не превышает 1,5 мм – этого недостаточно для качественного упрочнения элементов определенных механизмов и оборудования. Сами технологические комплексы имеют высокую стоимость, поэтому многие малые и средние предприятия не могут позволить себе их приобретение.

Если вас интересует такая услуга, как лазерная закалка стали, обращайтесь в наш производственно-внедренческий центр «Лазеры и Технологии». Мы выполняем комплексную металлообработку более 15 лет и располагаем высокотехнологичным оборудованием, которое позволяет изготавливать как крупные партии товаров, так и обрабатывать единичные изделия. Наш штат состоит из опытных специалистов, которые выполняют заказы любой сложности.

Читайте также: