激光淬火

均匀的热处理-适用于所有几何构件-功率高、节省成本

举例说明

金属淬火工艺和方法

所有金属淬火工艺的目标都是确保钢和铸铁材料的结构转变,使其具有更高的强度。首先,原始的铁素体-过硫酸盐材料结构通过加热实现奥氏体化,然后通过淬火转变为硬质马氏体。在这种情况下,使用高功率二极管激光进行淬火具有决定性的优势,即可以只在特定的受力区域进行加热。对于复杂的部件来说,这使得部件在淬火的同时,还能在其他区域保持初始结构的延展性。在很多情况下,感应淬火不可能进行这种局部处理,因此与激光淬火相比,感应淬火具有劣势。在激光钎焊中,由于工件仅在表面附近加热,硬化深度较低,因此热量可以非常有效地散发到邻近材料上。因此,在大多数情况下不需要额外的淬火介质,从而降低了成本。与其他淬火技术相比,激光钎焊产生的翘曲非常小,因此一般不需要使用其他方法来纠正材料变形。

用二极管激光器硬化材料表面

由于碳含量充足,激光表面淬火工艺通常可用于所有可使用传统淬火方法的材料。激光淬火只对部件的高应力区域进行局部淬火,例如工具制造中的钢和铸铁。结合 LaserlineOTZ Zoom 光学系统,可以高效灵活地对磨损应力或循环应力部件区域进行热处理,例如在合同生产中。

部件硬化

二极管激光器尤其适用于硬化钢制部件的表面。激光束可将靠近工件表面的区域加热到 900°C 至 1500°C,从而使原本为铁素体-过硫酸盐结构的钢材在热诱导下发生奥氏体化。当光束继续前进时,被加工工件上的材料迅速冷却(自淬),产生硬马氏体。由于多种原因,与感应线圈或气体火焰相比,激光显然能更有效地实现这一过程。首先,与其他方法相比,材料的物理加热速度更快。其次,可以更有选择性地处理与淬火相关的区域,这意味着局部热输入只加热工件的某些部分。第三,热输入可以通过集成高温计或热像仪的特殊光束整形光学器件进行精确计量,尤其是针对同一工件的不同局部导热性能。得益于这些特点,二极管激光器非常适合处理几何形状复杂的结构,这些结构在某些区域需要硬化,但在其他区域必须保持延展性。此外,这些工艺优势还能节约成本。也就是说,由于材料的低变形和自淬性,通常不需要(或只需要很少)进行变形补偿和冷却。最后,这对所需的时间和材料也有积极影响。

二极管激光器的工艺优势

使用二极管激光进行淬火,可使机械部件、工具、零件和商品达到最高硬度,具体取决于相关材料。金属淬火过程中的温度调节可确保每种材料和应用都能达到最佳工艺效果。不过,热处理也可用于局部降低高强度材料的硬度,使这些局部区域具有更好的变形能力。

与其他工艺相比,二极管激光器具有许多优势:

  • 根据硬度轮廓理想地调整焦点
  • 对确定的局部区域进行局部热处理
  • 可将加热工艺集成到现有生产线中
  • 可对复杂几何形状进行淬火

钢铁淬火是最古老的工业流程之一。其根源可以追溯到古代。如今,激光束淬火仍在追求传统的目标:对确定的表面区域进行有针对性的淬火,可保护部件免受磨损和腐蚀。

激光束淬火是二极管激光在材料加工领域的首批应用之一,时至今日,它在实际应用中的重要性依然不减。与其他工艺相比,激光可以非常有选择性地只对所需区域进行硬化。极低或不存在的变形为用户节省了返工的时间和精力。在此类应用中,最多可节省 25% 的成本。

Heat treatment for camshafts - contact zones are hardened by Laserline diode lasers
Modern camshafts require precise surface hardening by Laserline diode lasers

二极管激光器在哪里用于硬化?

这种处理方法尤其适用于磨损应力或周期性应力部件,如凸轮轴。在每台汽油和柴油发动机中,钢与钢之间都会发生摩擦。因此,需要对接触区进行硬化处理,否则零件的使用寿命就会很短。对于这些复杂的结构,电感式方法的作用微乎其微。现代凸轮轴(具有不同形状的凸轮和用于停缸或改变发动机控制的换挡门)的制造需要精确的表面硬化,而这只有通过二极管激光器才能实现。二极管激光器在大型钣金工具的制造中也有悠久的历史,这方面最古老的淬火系统已经使用了 10 到 15 年。由于激光光束源的价格多年来一直在下降,除了这些典型的应用领域外,新的应用领域也在不断探索中。

应用实例

表面硬化

激光硬化与表面硬化工艺有关。通常情况下,钢或铸铁部件的超应力区域只进行局部硬化,例如在车身制造的工具制造中。

梁结构仅在工件的近表面区域(如表层)内被加热和改变。对于淬火钢和回火钢,硬化深度可达 1.5 毫米厚。由于二极管激光束可以从几乎任何方向选择性地、灵活地照射到工件上,而且工件的温度可以精确控制,因此可以对几何形状非常复杂的部件进行表面硬化。从齿轮、链轮、凸轮轴和蜗杆到绳索滚筒中的抓取和切割工具,几乎所有几何形状的表面都可以通过 Laserline 的二极管激光器成功硬化。

淬火凸轮轴

凸轮轴用于内燃机。由于其几何形状复杂,需要切换控制时间或部分停缸,而且材料应力使用情况极高,因此需要进行精确的选择性淬火。因此,部件边缘层的梁结构仅在局部进行硬化。而在相邻材料中,则需要保留韧性结构,以便永久应力轴能够承受高静态和动态载荷。

Laser hardening of camshafts by Laserline diode lasers
© Fraunhofer IWS, Volkswagen AG
Contract hardening by Laserline diode lasers
© Matex PM

合同硬化

承包制造和金属加工公司依赖淬火工艺订单,因为出于各种原因,他们不值得购买自己的淬火设备。这些公司在不同的领域开展业务,这意味着它们需要能够处理各种要求。Laserline 的二极管激光器是一种出色的工具。由于光束可以在精确的温度下灵活引导,它们几乎可以成功地处理所有工件。就购买而言,二极管激光器的成本相对较低,是所有可用光束源中最具经济优势的。

此外,它们还具有能效高、使用寿命长和维护要求低的特点,因此运行起来也非常经济。

捷克比尔森的 MATEX PM 公司使用二极管激光器为各种金属应用提供作业解决方案。例如,MATEX PM 公司与 Laserline 公司合作,采用激光淬火的方法保护直径两米、重 2.5 吨的铸铁绳索滚筒在使用过程中不会过度磨损。

用于硬化的二极管激光器

哪些激光系统特别适合淬火?在这里您可以找到一些选择。

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