Kalení laserem urychluje výrobu součástí a nástrojů

Tepelné zpracování slouží ke zvýšení pevnosti materiálu součásti nebo ke zvýšení odolnosti proti opotřebení. V praxi používané procesy tepelného zpracování jsou: kalení v peci, nitridování a procesy povrchového kalení, jako je kalení plamenem, indukční kalení a kalení laserem. Při kalení v peci může být součást kalena objemově nebo lze zakalit pouze povrch. Nitridování slouží k vytvoření tvrdého povrchu součásti do malé hloubky.

Kalení laserem

Kalení paprskem laseru je v průmyslu používáno asi 10 let. S vývojem vhodných laserových systémů nabývá v současné době stále na významu. Pro kalení laserem se používají CO₂ lasery, lasery Nd:YAG, vláknové lasery a dnes také vysoce výkonné diodové lasery. Vysoce výkonné diodové lasery pracují s relativně krátkými vlnovými délkami. Absorpce přiváděné energie materiálem obrobku je ve srovnání s ostatními druhy laserů značně větší, účinnost těchto laserů je cca 35 %. Jejich provoz je tedy hospodárnější.

Laserem lze kalit povrchy běžných konstrukčních ocelí, vysoce legovaných konstrukčních i nástrojových ocelí, šedé litiny, litiny s grafitem lamelárním i kuličkovým. Aby byl materiál přímo kalitelný, musí mít obsah uhlíku minimálně 0,22 %. Kromě toho lze použít vysoce výkonné diodové lasery také pro kalení ocelí s předem nauhličeným nebo nitridovaným povrchem. Při kalení nástrojů se povrch ohřívá na teplotu austenitizace. Při kalení laserem je rychlost růstu teploty více než 1 000 K.s^-1. Moderní laserové systémy umožňují měřit teplotu až k bodu tavení, aniž by se tohoto bodu dosáhlo.

Povrchové kalení

Při povrchovém kalení vysoce výkonnými diodovými lasery je výdrž na teplotě cca 10^-3 až 10 sekund. Odvod tepla, tedy ochlazování materiálu, se děje přímo materiálem obrobku. Kalení se provádí převážně bez přívodu chladicího média, tj. přímo za atmosférických podmínek. Na kaleném povrchu sice vzniká nepatrná oxidovaná vrstvička, která z hlediska použití nemá většinou žádný význam, ale v případě potřeby ji lze snadno odstranit. Tvoření oxidované vrstvičky lze odstranit přímo při kalení, provede-li se kalení pod ochrannou atmosférou asistenčního plynu.

Nejdůležitějším kritériem pro volbu způsobu kalení jsou požadavky kladené na funkci vyráběné součásti.

Ve srovnání s ostatními způsoby kalení vzniká při kalení laserem v obrobku velmi jemnozrnná struktura. Hodnoty kalení leží na horní hranici tvoření martenzitu. Maximálně dosažitelná hloubka laserem zakalené vrstvy je závislá na kaleném materiálu, na výkonu a na vlnové délce záření laseru. Činí 1,5 mm. U vysoce legovaných, na vzduchu kalitelných ocelí se dosahuje podstatně větší hloubky zakalené vrstvy.

Funkce součásti a hospodárnost výroby

Při volbě způsobu kalení by neměly rozhodovat důvody, jako je místní použitelnost kalicí techniky, požadavek na bezdůvodně velkou hloubku zakalené vrstvy, přehnaný požadavek konstruktérů na bezpečnost součásti nebo na dosavadní tradici podniku. Jediným kritériem by měla být funkce součásti a hospodárnost výroby. Při kalení laserem dochází k místnímu ohřátí materiálu a většinou nedochází k deformaci součásti. Je možné volit malý přídavek na obrábění a tím zmenšit podíl třískového obrábění. Výjimkou je kalení tenkých dlouhých součástí, kde je nutné počítat s deformacemi po kalení.

Cílem technologů je obrábět součást na hotovo v měkkém stavu - tedy před kalením. K tomu je nutné použít způsob kalení, který nevyvolává žádné deformace. Kalení vysoce výkonným diodovým laserem je nejvhodnější alternativou. Houževnatost jádra materiálu součásti je zachována, netvoří se trhliny a povrch součásti je tvrdý.

Teplo přímo do opracovávaného místa

Při kalení laserem je přiváděné teplo směrováno přímo do opracovávaného místa, a tím vznikají malé deformace obrobku. Množství tepla odváděného materiálem do okolí je podstatně menší než u ostatních způsobů kalení a tepelně ovlivněná oblast je oproti jiným způsobům kalení značně menší. Je možné volit menší přídavek na obrábění. Dalšími přednostmi kalení vysoce výkonným diodovým laserem je vysoká energetická účinnost, krátké výrobní časy a tím i rychlejší použitelnost součásti pro následné operace ve výrobním procesu. Výhodou kalení laserem je také možnost nenásilné a jednoduché integrace laseru do výrobního cyklu, tedy přímo do výrobní linky.

Kalení laserem je ekologický a čistý proces, např. proti kalení v peci nejsou potřebné solné, vysoce toxické kalicí lázně. Je to technologie, která nepotřebuje vakuum ani chladicí médium, např. vodu nebo olej. Předpokladem použití kalení laserem je však nutnost volného přístupu paprsku laseru na kalenou plochu součásti.

Kombinace nitridování a kalení

Možné je také použití kombinace nitridování a kalení povrchu laserem. Při této kombinaci se dosahuje větší hloubky zakalené vrstvy. Použití kalení laserem skýtá konstruktérům a plánovačům výroby nové možnosti z hlediska hospodárné výroby součástí a nástrojů. Hospodárnost použití laseru byla již dlouhodobě prokázána. V současné době jsou na trhu nabízeny vysoce výkonné diodové lasery o výkonu až 10 kW. Jedním laserovým systémem lze získat zakalenou stopu širokou až 60 mm, pro speciální případy lze pracovat s několika spojenými laserovými systémy v jedno zařízení.

Pro možnost měnit šířku zakalené stopy vyvinul Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS) Dresden skenovací systém Scannerstrahl - Formsystem Lassy. Tento dynamicky pracující systém umožňuje měnit šířku stopy při frekvenci skenování až 200 Hz. Paprsek laseru tak může sledovat měnící se tvar obrobku nebo některé části povrchu nekalit. Odpadá tak nutnost výměny optiky při změně šířky kalené stopy a zvyšuje se přesnost práce. Otočný a sklopný stůl usnadní přístup paprsku laseru na povrch obrobku.

Je-li paprsek vysoce výkonného diodového laseru veden robotem a obrobek se upíná na otočný a sklopný stůl, je téměř bez výjimky zajištěn přístup paprsku laseru ke všem částem kalené plochy obrobku.

Řízení výkonu laseru

Pro řízení výkonu laseru je použit systém Lompoc Pro. Software zajišťuje dodržení teploty na kalené ploše s přesností cca ±10 K. Rozhodující je to zejména při měnící se tepelné vodivosti povrchu součásti (např. dva navazující odlišné materiály). Teplota povrchu v místě kalení je měřena kamerou, následně vyhodnocena a řídicí systém upraví výkon laseru. Toto uspořádání zajišťuje použití optimálních podmínek kalení a tedy dosažení kvalitního zakalení daného povrchu, bez jeho natavení.

Další parametry procesu kalení, jako je pracovní rychlost pohybu paprsku a tvar součásti vyžadující různé úhly sklonu laseru (paprsek musí na kalenou plochu dopadat kolmo), jsou dány zkušeností obsluhy. Pro kalení vnitřních ploch součástí se používá systém vhodně uspořádaných zrcadel.

Rozdělení hustoty energie v paprsku

Pomocí zařízení pro analýzu záření laseru Lasmom vyvinutém ve Fraunhofer IWS je možné měřit a následně zobrazit ve 3D rozdělení hustoty energie v paprsku. Simulační software DCAM slouží pro programování pohybu paprsku laseru podél kalené plochy. K tomu je potřebný prostorový model kalené součástky, který je možné importovat ze všech běžných CAD systémů. Alternativně jsou vytvářeny programy v Teach - in - Verfahren.

Od roku 2010 lze pro kalení použít mobilní laser od firmy Alotec. Pomocí něj je možné kalit součásti přímo u zákazníků. Alotec uvedl na trh malý laserový systém pro kalení pod názvem „Plug and Work". Cena je značně nižší než u ostatních zařízení na trhu. Tento systém lze, jako všechna ostatní zařízení firmy Alotec, použít kromě kalení také pro vytváření návarů z prášků nebo z drátu.   

Steffan Schubert

Zdroj: MM Das Industriemagazin 7/2011

Zpracoval -VŘ-

Dana.benesova@mmspektrum.com

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO.