Laserkustutustehnoloogia: metallkomponentide pinna täpne karastamine

Laserkarastamine, tuntud ka kui lasertransformatsiooniga karastamine, on kuumtöötlusprotsess, mille eesmärk on suurendada komponentide pinna tugevust ja vastupidavust. See kasutab suure -energiatihedusega- laserkiirt, et rakendada soojusenergiat valikuliselt komponendi pinnal paiknevatele piirkondadele. Kuna laser läbib pinna, soojendab see materjali kiiresti; ideaaljuhul ületab see temperatuur austeniseerimispunkti. Kui laser liigub etteantud metallimahust mööda, toimub kiire ise{5}}kustumine (st jahutamine) sisemise soojusjuhtivuse - kaudu, mis täpsustab mikrostruktuuri, suurendab dislokatsioonitihedust ja suurendab tahke -lahuse süsinikusisaldust. Need metallurgilised muutused toovad kaasa oluliselt suurema pinna kõvaduse, saavutades seeläbi tõhusa pinna tugevdamise.

Joonis 1. Laserkustutamise skemaatiline diagramm

Laserkustutamine on protsess, mis kasutab laserkiirt, et kuumutada kiiresti (millisekundite jooksul) materjali pinnakiht faasimuutustemperatuurini, samal ajal kui põhisubstraat jääb madalale temperatuurile. Kui laser eemaldub, hajub soojus kiiresti jahedamasse alusmaterjali, luues ise{1}}kustuva efekti. Selle tulemuseks on kõvastunud pinnakiht, millel on suur kõvadus ja peeneteraline martensiitne mikrostruktuur, säilitades samal ajal südamiku hea sitkuse. Laserkarastamist on edukalt kasutatud kulumisohtlike komponentide pindade tugevdamiseks- metallurgia-, masina- ja naftakeemiatööstuses, - eriti naftatoru keermete, puurvarraste, juhtsiinide ja muude oluliste osade kasutusiga - pikendades, pakkudes olulist majanduslikku ja sotsiaalset kasu.

Laserjahutamise peamised omadused on järgmised:

(1) Täpne juhitavus: laserkarastus võimaldab täpselt reguleerida kõvenemissügavust vahemikus 0,1–2,0 mm. Reguleerides selliseid parameetreid nagu laseri võimsustihedus (10³–10⁵ W/cm²), skaneerimiskiirus (1,0–20,0 mm/s) ja täpi suurus (1–10 mm), saab soojustsooni{10}}sügavust täpselt juhtida.

(2) Tooriku minimaalne moonutamine: laseri ülilühikese kuumutamisaja (0,1–1,0 s) tõttu kontsentreerub soojus pinnakihti, samal ajal kui puistematerjal jääb madalale temperatuurile, vältides üldisest kuumenemisest põhjustatud termilise stressi -indutseeritud deformatsiooni. Sellest tulenev moonutus on vaid umbes 1/10 tavapäraste kustutamismeetoditega tekitatud moonutustest.

(3) Suurepärane töötlemiskvaliteet: on võimalik saavutada kõrge-kõvadusega ja peeneteraline{2}}martensiitne mikrostruktuur. Kiire soojendus- ja jahutustsükkel (10³–10⁵ kraadi/s) pärsib karbiidi jämenemist ja soodustab ülipeene teralise struktuuri teket, suurendades kulumiskindlust 2–3 korda.

(4) Lai kasutusala: Laserkarastus võimaldab keerukate komponentide konkreetseid alasid täpselt karastada. Laserteed CNC-süsteemide kaudu kontrollides saab teostada keeruliste geomeetriliste tunnuste -, näiteks soonte, aukude ja muude kontuuride - lokaliseeritud tugevdamist, mis vastab erinevatele töönõuetele.

Joonis 2. Laserkustutusmeetodite ja tavaliste kustutamismeetodite karakteristikute võrdlus

Laserkarastus on täiustatud pinna kuumtöötlustehnoloogia, mis saavutab lokaliseeritud tugevdamise, kuumutades materjali pinda kiiresti suure{0}}energiaga laserkiirega, millele järgneb isekustutamine (jahutus). See tehnika pakub täpset soojussisendit, minimaalseid moonutusi ja ühtlaseid karastatud kihte -, mis pikendab oluliselt komponentide kulumiskindlust ja väsimust. Seda on laialdaselt kasutusele võetud paljudes tööstussektorites. Erinevate töönõuete ja sihtkomponentide põhjal tutvustatakse siin selle rakendusi kolmes võtmevaldkonnas: rasketehnika, naftakeemia ja energeetika ning täppistootmine.

Laserkarastusmasin|Laserkarastusseadmed

Raskemasinasektoris käsitleb laserkarastus peamiselt pinna tugevdamist ja suurte põhikomponentide kohalikku remonti. Näiteks terasvaltsimisseadmete rullid, juhikud ja lõiketerad, samuti kaevandusmasinate kulumisohtlikud osad{1}} töötavad sageli rasketes tingimustes, mis hõlmavad suurt koormust, kõrgeid temperatuure ja tugevat hõõrdumist -, mistõttu on need pinnaväsimise tõttu väga vastuvõtlikud. Laserkarastus võimaldab nende suurte toorikute täpset lokaalset karastamist, saavutades üle 2 mm töötlemissügavuse, mis parandab oluliselt pinna kõvadust ja kulumiskindlust, vältides samal ajal massiivset deformatsiooni, mida tavaliselt põhjustavad tavapärased hulgikuumtöötlused. Juba kulunud komponentide puhul saab laserkarastamist kombineerida katmisprotsessidega taastamiseks ja ümbertöötlemiseks, pikendades kriitiliste osade kasutusiga 2–3 korda ning vähendades märkimisväärselt ettevõtte hoolduskulusid ja seisakuid.

Naftakeemia- ja energiasektoris on laserkarastus võtmetehnoloogia torujuhtmete ja nendega seotud komponentide kulumis- ja korrosioonikindluse suurendamiseks. Sellised osad nagu nafta- ja gaasiülekandetorustikud, puurtoru keermed, pumbasilindrite vooderdised ja klapitihenduspinnad on pikaajaliselt allutatud keskkonna erosioonile, keemilisele korrosioonile ja kõrgrõhuga tsüklilistele koormustele. Tavapäraste kuumtöötlemismeetoditega on raske saavutada õhukese-seinaga või keeruka{4}}struktuuriga komponentide ühtlast tugevdamist. Laserkarastus võib moodustada torujuhtme siseseintele, keermepindadele ja klapitihenduspindadele ühtlased peeneteralised karastatud kihid -, mis suurendab oluliselt pinna kõvadust (nt pikendab pumbasilindrite vooderdiste kasutusiga rohkem kui kahekordselt), säilitades samal ajal alusmaterjali sitkuse. Peale selle võimaldab see tehnika{11}}töötletavate torujuhtmete lokaalselt kulunud alasid kohapeal töödelda ilma täielikku väljavahetamist nõudmata, tagades suurel määral nafta- ja gaasitranspordi ohutuse ja majandusliku tõhususe.

Täppistootmise sektoris seisneb laseriga kustutamise põhiväärtus lokaalsete kõvenemisprobleemide lahendamises, mida traditsioonilised protsessid ei suuda lahendada. Täppisfunktsioonide puhul, nagu väikeste aukude siseseinad, sügavate soonte põhjad, õhukeste{1}}seinaga osade servad ja vormide mikro-õõnsused, kasutab laserkustutus optilise kiire edastamise paindlikkust, et suunata laser täpselt nendesse piirkondadesse, et kohe kuumeneda ja kustutada. Saadud kuumus-mõjutatud tsoon on äärmiselt väike, moonutusi saab reguleerida 0,05 mm - piires, ületades sellega induktsioonkustutamise (mis ei saavuta teatud geomeetrilisi kujundeid) ja karburiseeriva kustutamise (mis põhjustab osa üldise deformatsiooni) piiranguid.

Joonis 3. Laserkustutamise peamised kasutusvaldkonnad

Laserkustutus kasutab metallpindade kiireks skannimiseks{0}}kõrge energiaga laserkiirt, tõstes lokaliseeritud alad koheselt faasimuutuse temperatuurist kõrgemale. Kiire jahutamine ja kõvenemine saavutatakse soojusjuhtivuse kaudu alusmaterjali enda sees, mis võimaldab täpselt muuta ainult pinnakihti. See tehnika pakub täpselt juhitavat soojussisendit, mis toimib ainult määratud tsoonides, põhjustamata tooriku üldist moonutust; see loob ühtlased, tihedad karastatud kihid, mis suurendavad oluliselt kulumiskindlust ja väsimust. Tala kohaletoimetamise paindlikkus võimaldab juurdepääsu keerukatele kontuuridele ja sisemistele õõnsustele. Lisaks on protsess puhas ega vaja välist jahutusvahendit. Edaspidine arendus keskendub intelligentsele reaalajas protsesside-juhtimisele, mitme-väljaga komposiitide töötlemisele ja täppiskomponentide täiustatud kuumtöötlemisrakendustele tipptasemel-tootmissektorites, nagu kosmosetööstus.