Témata
Reklama

Výhody laserem kalených povrchů

Laserové kalení již není zdaleka výsadou pouze při zušlechtění forem. Díky dostupnosti a klesajícím cenám laserů (pořizovacím i provozním) je tato technologie stále častěji uplatňována také v tradičním strojírenství pro vhodné konstrukční materiály a strojní díly.

CO SE DĚJE UVNITŘ

První etapou kalení povrchu je ohřev. Během něj musí být v povrchové vrstvě oceli dosaženo austenitizační teploty. Dochází také k rozpouštění karbidů a dalším difuzním jevům, takže výsledek je závislý mimo jiné na velikosti zrna nebo typu a velikosti primárních karbidů v nadeutektoidních ocelích. Hloubku kalení lze řídit rychlostí pohybu paprsku a teplotou (tj. výkonem laserového paprsku). Pro zlepšení kontroly je proces obvykle monitorován pomocí pyrometru připojeného ke zdroji laseru. Regulací výkonu laseru může udržovat konstantní povrchovou teplotu, což poskytuje homogenní tvrdost a zabraňuje lokálnímu tavení. Protože materiál kalené součástky zůstává kolem laserového paprsku chladný, minimalizují se makroskopická pnutí způsobující deformace teplotní roztažností.

Další rozdíl od ostatních technik povrchového kalení spočívá v mechanismu odvádění tepla ve druhé etapě procesu. Je založen na samokalení, odvodem tepla do materiálu rychlostmi několika tisíc stupňů za vteřinu (což ovlivňuje např. tloušťka stěny apod). Pokud je kalený materiál dostatečně masivní, není potřeba chladit povrch pomocí chladicího média přiváděného zvnějšku, protože vnitřek součásti zůstává studený a absorbuje teplo vedením dostatečnou rychlostí (tj. chlazení konvekcí). Lze tedy předpokládat, že fázová transformace probíhá v austenitické vrstvě mnohem rovnoměrněji než v dříve uvedených technologiích. V tomto případě tedy pracujeme s mikroskopickým zbytkovým napětím, způsobeným martenzitickou fázovou transformací.

Reklama
Reklama
Reklama
Robotizované laserové pracoviště – robot a diodový laserDíky uvedeným detailům je kalení laserovým paprskem z hlediska náchylnosti k trhlinám mnohem výhodnější než ostatní technologie. Vysoké rychlosti ohřevu i ochlazování jsou důvodem vzniku tlakových pnutí na povrchu, které při provozním zatížení brání vzniku a rozvoji trhlin. Jak prokázal ve své práci o superkritickém ochlazování Dr. Kobasko, pravděpodobnost vzniku trhlin je maximální při ochlazovacích rychlostech cca 400 °C.s

-1, nad hranicí 600 °C.s-1 se však blíží k nule! A to je také případ laserového kalení.

ZBYTKOVÁ NAPĚTÍ ZLEPŠUJÍ ÚNAVOVOU ŽIVOTNOST

Při měření profilu tvrdosti se maximální tvrdost často nenachází na povrchu, ale v hloubce několika desetin milimetru pod povrchem. Tato skutečnost má různé důsledky, jako jsou spory při přejímací kontrole v případech, kdy předepsaná tvrdost (měřená na povrchu) „nebyla splněna“. Přídavek pro broušení tak může přispět k vyšší konečné tvrdosti povrchu. Povrch v laserové stopě na vzorku materiálu ČSN 12050 (C45) byl postupně hloubkově leptaný a zbytková napětí byla měřena rentgenovou difrakcí. Na povrchu bylo detekováno tahové napětí, které v hloubce 0,1 mm pod povrchem klesá k nule. Se zvětšující se hloubkou rostou příznivá tlaková napětí. Měkký povrch vykazuje tvrdost 320 HV. Pod povrchem se zvyšuje tvrdost a maxima 550 HV dosahuje v hloubce 0,5 mm. Ve stejné hloubce byla zjištěna maximální tlaková napětí. Průběh vnitřních pnutí dobře koresponduje se zbytkovým napětím.


Profil hloubky zbytkového napětí od povrchu přes kalenou vrstvu. HV1 profil hloubky tvrdosti od povrchu přes kalenou vrstvu.

Při pohledu na příčný profil povrchového napětí je vidět, že na obrobeném (soustruženém) povrchu jsou tahová napětí vysoká. Při tahovém zatížení takové součástky (v našem případě hřídele nápravy) během provozu dochází ke sčítání obou typů tahových napětí (od obrábění a od zatížení) a může snadno dojít ke vzniku iniciační trhliny. V kalené oblasti jsou tlaková napětí na úrovni 200 MPa, která naopak snižují úroveň napětí od vnějších sil a tím zvyšují odolnost proti vzniku trhlin. V dřívějších experimentech bylo prokázáno, že vyšší rychlost kalení s nižším tepelným zatížením vzorku vede k vyšším zbytkovým napětím a lepší únavové odolnosti. Dále únavové zkoušky tříbodovým ohybem prokázaly, že kalený materiál vykazuje vyšší nebo shodnou únavovou pevnost než výchozí materiál v původním nezakaleném stavu. Rychlé procesy laserového kalení prakticky eliminovaly rozptyl a zvýšily únavovou odolnost v celém rozsahu zatížení. Tento efekt může souviset s relativně vysokými tlakovými zbytkovými napětími, která byla detekována strukturními rentgenovými metodami na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Zejména tam, kde se únavové trhliny vytvářejí z povrchových nebo podpovrchových mikrostrukturních defektů, je jejich růst v počáteční fázi krátkých trhlin narušen nebo dokonce zastaven tlakovým zbytkovým napětím.

Průběh vnitřních zbytkových napětí v příčném směru laserové stopy

Na základě uvedených výsledků byl zahájen projekt zlepšení únavových vlastností náprav kolejových vozidel. Během životnosti jsou nápravy zatěžovány až 109 cyklů a občas dochází k únavovému porušení pod nalisováním. Výsledkem jsou havárie vlakových souprav. Již první experimenty dokládají, že díky laserovému kalení jsou původní tahová napětí na obráběném povrchu transformována v kalené oblasti na napětí tlaková. Dopad na iniciaci únavových trhlin je v současnosti testován ve společnosti SVÚM na experimentálních vzorcích tříbodovým ohybem. Dále jsou připraveny reálné nápravy s laserovým kalením a nalisovanými koly pro finální ověření.

ZÁVĚR

Laserové kalení vykazuje řadu výjimečných vlastností. První vážnější industriální využití probíhá zhruba deset let při kalení nástrojových ocelí. Zkoušky i realita ukazují minimálně 30% nárůst životnosti nástrojů, forem, zápustek a dalších komponent. Zlepšení otěruvzdornosti je spojováno s jemnější strukturou a vznikem příznivých tlakových napětí. Ta jsou ve výsledku také odpovědná za lepší únavové vlastnosti, a to nejen nástrojových, ale také konstrukčních ocelí. Pomocí tlakových zbytkových napětí na kaleném povrchu lze vysvětlit i zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin během tepelného zpracování, která souvisí s nadkritickými ochlazovacími rychlostmi. Cílené využití tlakových napětí v laserem kaleném povrchu může být aplikováno také pro zlepšení životnosti a bezpečnosti cyklicky a dynamicky namáhaných strojních součástí. Tento závěr však neplatí pouze pro kalení, ale např. také pro laserové svary. Příklad využití laserového kalení náprav kolejových vozidel ukazuje, že „bílých míst“ aplikačních možností je stále celá řada.

Raptech

Stanislav Němeček

nemecek@raptech.cz

www.raptech.cz

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 191126
Datum: 13. 11. 2019
Rubrika: Trendy / Lasery
Autor:
Firmy
Související články
Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Související články
Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Sputtering v oblasti moderního PVD povlakování

V současné době jsou vysoce výkonné povlaky vyráběny celou škálou metod. Proces magnetronového naprašování (sputtering) umožňuje kombinovat různé povlakovací materiály a přitom poskytuje optimální pružnost a tvrdost povlaku. Ukázal se tak velmi efektivním pro mnoho aplikací.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Kompozitní materiály z přírodních zdrojů

Veřejnost se stále více snaží být environmentálně odpovědnou. Ani napříč odvětvími průmyslu tomu není jinak. V oblasti kompozitních materiálů můžeme v posledních letech sledovat stále častější tendence využívat přírodní materiály jako náhradu konvenčních syntetických produktů. Roste poptávka po vláknech na rostlinné bázi (například vláknech ze lnu, konopí nebo sisalu) a tyto materiály získávají významný podíl na celkové produkci kompozitních výrobků.

Made in Česko: Bezpečné bezdrátové spojení pro všechny

Prognózy, které se týkají internetu věcí (IoT) a průmyslového internetu věcí (IIoT), se mění stejně rychle jako možnosti této technologie samy. Už v roce 2008 bylo na světě víc připojených zařízení než lidí a odborníci ze Světového ekonomického fóra (WEF) tvrdí, že do roku 2025 bude 41,6 miliardy zařízení zachycovat data o tom, jak žijeme, pracujeme, pohybujeme se, jak fungují naše zařízení, stroje.

Stroje v pohybu:
Divoká jízda sondy Pathfinder

Sonda Mars Pathfinder, která 4. července 1997 přistála na rudé planetě, se může pyšnit několika prvenstvími. Třeba tím, že šlo o první mimozemský výsadek masově sledovaný uživateli internetu. Nebo tím, že jako první dopravila na Mars kolové průzkumné vozidlo, rover Sojourner.

Stroje v pohybu: Raketa, která změní svět

Americký podnikatel Elon Musk se od založení své firmy SpaceX v březnu 2002 netají tím, že jeho dlouhodobým cílem je kolonizace Marsu člověkem. Již letos přitom plánuje uskutečnit premiérový start orbitální rakety Starship, která mu má tento cíl pomoci splnit.

Stroje v pohybu:
Fotoprůzkumné družice

Za druhé světové války přinášely informace z fronty filmové týdeníky, při první válce v Perském zálivu vysílala živě CNN z bombardovaného Bagdádu – a nyní na Ukrajině má veřejnost poprvé v historii k dispozici prakticky v reálném čase družicové snímky. Navíc neskutečné kvality. Každopádně jde o materiál, který umožňuje potvrdit, nebo naopak vyvrátit mnohá tvrzení válčících stran.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit