Nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng của công nghệ tôi bằng laser

Tôi bằng laser là một quy trình tiên tiến sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để nung nóng bề mặt vật liệu vượt quá điểm chuyển pha của chúng. Khi vật liệu nguội tự nhiên, austenit chuyển hóa thành martensit, tạo ra một lớp cứng có độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội trên bề mặt sản phẩm. Kỹ thuật này làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô và các đặc tính của bề mặt phôi mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của vật liệu nền, đạt được sự tăng cường độ bền cục bộ thông qua quá trình xử lý nhiệt được kiểm soát.

Các đặc điểm của quá trình làm nguội bề mặt bằng laser bao gồm:

Mật độ công suất cao: tôi luyện bề mặt bằng laser sử dụng chùm tia laser hội tụ làm nguồn nhiệt để nhanh chóng làm nóng bề mặt phôi và tạo thành austenit.

Gia nhiệt và làm nguội nhanh: Quá trình này đạt được sự gia nhiệt nhanh chóng chỉ trong vài giây (thường là 0,01-0,001 giây), giảm thiểu hiệu quả sự biến dạng của phôi. Phương pháp tôi nguội sạch sẽ và hiệu quả này loại bỏ nhu cầu sử dụng nước hoặc dầu làm chất làm nguội. So với các quy trình tôi cảm ứng, tôi bằng ngọn lửa và thấm cacbon, tôi nguội bằng laser tạo ra lớp tôi cứng đồng đều với độ cứng vượt trội (thường cao hơn 1-3 HRC so với tôi cảm ứng).

Biến dạng chi tiết tối thiểu: Quá trình gia nhiệt và làm nguội nhanh chóng giúp giảm thiểu biến dạng phôi, cho phép kiểm soát chính xác độ sâu và quỹ đạo gia nhiệt. Điều này cho phép tự động hóa mà không cần đến các cuộn cảm ứng tùy chỉnh cho các kích thước chi tiết khác nhau, như trong phương pháp tôi cảm ứng. Nó cũng loại bỏ các hạn chế về kích thước lò nung liên quan đến các phương pháp xử lý nhiệt hóa học như thấm cacbon và tôi cứng đối với các chi tiết lớn. Do đó, tôi cứng bằng laser đang ngày càng thay thế các phương pháp truyền thống như tôi cảm ứng và xử lý nhiệt hóa học trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Đặc biệt, tôi cứng bằng laser gây ra biến dạng vật liệu không đáng kể trước và sau khi xử lý. Đối với các chi tiết kim loại chịu nhiệt độ cao, nơi nhiệt độ tôi cứng gần bằng điểm nóng chảy, tôi cứng bề mặt bằng cảm ứng thường làm hỏng các góc hoặc các khu vực không đều, dẫn đến phế phẩm. Tôi cứng bề mặt bằng laser hoàn toàn tránh được hạn chế này.

Do đó, phương pháp này đặc biệt thích hợp cho việc xử lý bề mặt các chi tiết có yêu cầu độ chính xác cao. Chi tiết đã được xử lý không cần phải mài và có thể được sử dụng như công đoạn hoàn thiện cuối cùng.

Thích hợp cho các hình dạng phức tạp: Có thể được sử dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp như lỗ mù, lỗ trong, rãnh nhỏ, các bộ phận thành mỏng, v.v. Tính linh hoạt cao: Do ​​độ sâu hội tụ laser lớn, không có hạn chế nghiêm ngặt nào về kích thước, chiều dài, kích thước bề mặt của các bộ phận trong quá trình tôi. Ngược lại, các phương pháp tôi tần số trung bình-cao hiện có yêu cầu các cảm biến cảm ứng được chế tạo riêng cho các bộ phận khác nhau;

Độ dày của các lớp tôi cứng bằng laser thường nằm trong khoảng 0,3-2,0 mm tùy thuộc vào các yếu tố như thành phần vật liệu, thông số kỹ thuật, đặc tính bề mặt và các thông số xử lý chính. Khi thực hiện các phương pháp tôi cứng trên cổ trục của các bánh răng truyền động lớn hoặc các bộ phận trục động cơ, độ nhám bề mặt về cơ bản vẫn không thay đổi. Điều này loại bỏ nhu cầu gia công sau đó để đáp ứng các yêu cầu vận hành cụ thể.

Tôi luyện bằng laser sử dụng hai phương pháp quét: quét dải hẹp với các điểm hình tròn hoặc hình chữ nhật, và quét dải rộng sử dụng các điểm hình tuyến tính. Chiều rộng vùng tôi cứng trong quá trình quét dải hẹp gần bằng đường kính điểm, thường nằm trong khoảng 5mm. Đối với các ứng dụng tôi cứng diện tích lớn, cần phải quét tuần tự, trong đó các vùng chồng chéo tạo ra các dải làm mềm đã tôi. Chiều rộng của các dải này phụ thuộc vào đặc điểm của điểm, với các điểm hình chữ nhật đồng nhất thường tạo ra các dải nhỏ hơn. Để giảm thiểu tác động bất lợi của các dải làm mềm, công nghệ quét dải rộng được sử dụng. Phương pháp này chuyển đổi các điểm hình tròn tập trung thành các điểm hình tuyến tính, mở rộng đáng kể chiều rộng quét.

Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tôi laser hiện đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, mặc dù vẫn còn những thách thức trong việc gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, là một cải tiến xử lý nhiệt tiên tiến, tôi laser cho phép đạt được các mục tiêu kỹ thuật mà các phương pháp tôi bề mặt truyền thống khó thực hiện được. Đặc biệt, quy trình này loại bỏ nhu cầu sử dụng chất làm mát trong quá trình sản xuất, phù hợp với cam kết của ngành công nghiệp toàn cầu về các tiêu chuẩn "sản xuất ít oxy hóa và thân thiện với môi trường". Nó tỏ ra đặc biệt hiệu quả trong xử lý nhiệt bề mặt của nhiều bộ phận cơ khí khác nhau, bao gồm lưỡi cắt dụng cụ, bề mặt làm kín van, bánh răng nhỏ, khuôn thu nhỏ, phụ tùng ô tô, vòng răng, dẫn hướng máy công cụ, trục động cơ và trục giảm tốc.