Svelas - Svensk laserteknik
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sökning
Ange sökord
 
E-postadress:   Lösenord:
Ytbehandling
3.3 Härdning
Det finns ett antal olika metoder för att härda ytan på en detalj,
tex sätthärdning, flamhärdning, induktionshärdning och
laserhärdning.

Om man jämför olika metoder så finner man att det är
laserhärdning och induktionshärdning som ligger närmast
varandra. Målet med alla ythärdningsmetoderna är att få ett
hårt ytskikt och en bibehållen seg kärna.

Vid laserhärdning används laserljusets höga energitäthet för att
värma upp en liten del av ytan till härdtemperatur, dvs
mellan 800-1200 grader. Upphettningstiden tar oftast endast
delar av sekunder. Den korta uppvärmningstiden gör att det
omgivande kalla materialet snabbt kyler ned det uppvärmda
området och därmed härdas materialet.

Principiellt går laserhärdningen till på följande sätt:
Intensiteten i laserstrålen koncentreras genom fokusering med
lins- eller spegeloptik. Genom att ändra avståndet mellan
fokuseringsoptik och arbetsstycke kan olika stråldiametrar
erhållas på ytan och därmed olika energitätheter. För att
materialet ska värmas upp maximalt av CO2-laserstrålen bör
materialytan vara belagt med ett energiabsorberande skikt, till
exempel sot eller manganfosfat. Dessa skikt absorberar 65-80
% av laserstrålens energi och som sedan ledes in i materialet.

Vid härdningen förs strålen över detaljens yta. Det material som
exponeras av strålen hettas snabbt upp och efter passagen sker
en snabb självkylning genom att värmen leds bort av det kalla
omgivande grundmaterialet. Den upphettade ytan skyddas mot
oxidation genom tillförsel av inert gas (Argon eller kväve). Om
materialet är härdbart och temperaturen under laserstrålen
uppnår austenitiseringstemperatur härdas materialet vid den
snabba självkylningen.

Vid laserhärdning erhålls oftast ett härddjup på mindre än 1
mm. Härddjupet går att styra mycket noggrant från någon
tiondels mm och uppåt. För legerade stål kan härddjup upp mot
2-3 mm erhållas. Härdzonen är väl avgränsad mot det
opåverkade grundmaterialet. Hårdheten avtar mycket snabbt i
gränsen mellan härdat och ej härdat material.

Härdspårets bredd kan varieras beroende på vilken typ av optik
som används och vilken effekt lasern har. Typiska strålbredder
är några mm upp till 15 mm och hastigheten som används
ligger mellan 2-80 mm/sek. Effekten för att härda är oftast >
500 W. Genom att variera dessa parametrar kan både smala
och breda spår härdas som antingen har stort härddjup eller litet
härddjup.

Om sammanhängande större ytor skall härdas måste
härdningen utföras med överlappande spår. I
överlappningszonen erhålles pga anlöpning en något lägre
hårdhet än i skiktet i övrigt.

Typiska resultat och parametrar för laserhärdning.
Härddjup < 1 mm
Härdbredd 2 - 15 mm
Hastighet 2 - 80 mm/sek
Effekt > 500 W

Vilken hårdhet kan man då uppnå vid laserhärdning? Hårdheten
i det härdade spåret beror huvudsakligen på vilket material som
härdas och vilken kolhalt materialet har. Ju mer kol i materialet
desto hårdare blir härdskiktet. Kolhalten bör vara större än 0.25
%. Om samma material laserhärdas och induktionshärdas blir
hårdheten oftast högre för det laserhärdade skiktet. Detta beror
på det snabbare förloppet och de större temperaturgradienterna
vid laserhärdningen.

3.3.1 Fördelar
De faktorer som framför allt gör laserhärdning konkurrenskraftig
är att den totala värmetillförseln är begränsad mer än i någon
annan jämförbar metod. Deformationen hos arbetsstycket är ett
absolut minimum och det är möjligt att använda härdningen
som ett sista steg i tillverkningskedjan. Kassationer och
tillverkningssteg för att korrigera dimensionsförändringar p g a
deformationer kan minskas eller elimineras. Detta representerar
ett stort steg framåt i strävan efter kostnadsminskningar.

Sammanfattningsvis kan följande fördelar med laserhärdning
framhållas:

Väl anpassad och kontrollerad energitillförsel
Minimal deformation
Sista steget vid tillverkning
Selektiv

3.3.2 Exempel på laserhärdning
Det finns ett flertal olika exempel runt om i världen där
laserhärdning tillämpas i produktionen. Ett sådant exempel är
härdning av cylindrar till stora dieselmotorer hos Electromotive
Div of GM, Illinois, där för tillfället 8 st
5000 W:s CO2 lasrar utför detta, se Figur 3.5. Härdningen har
pågått sedan 1977 med en tillgänglighet på i snitt 80 %.



Figur 3.5 Laserhärdning av cylinder.

Exemplet med cylindrarna visar också att det är möjligt att
härda på svåråtkomliga ställen, t ex inuti cylindrar eller i
bottenhål.

3.4 Påsvetsning
Påsvetsning utförs idag industriellt med olika metoder,däribland
laser, i syfte att förbättra ytors förmåga att motstå slitage och
korrosion. Metoden används både vid nytillverkning och vid
reparationer. Genom att använda påsvetsning som
ytbehandlingsmetod kan ofta produkternas totala
livscykelkostnad minskas dramatiskt.

Med laser (CO2 och Nd-YAG) kan precisionspåsvetsning nu
utföras på detaljer där påsvetsning ej tidigare kunnat utföras på
grund av risk för termiska deformationer. Det är laserns väl
kontrollerbara och lätt styrbara energitillförsel som ger denna
möjlighet. Även detaljer som idag påsvetsas med
konventionella metoder kan vara mycket lämpliga för
laserpåsvetsning därför att metoden ger möjlighet att svetsa på
tunna skikt med mycket liten uppblandning och därigenom kan
förbrukningen av dyrbart påsvetsmaterial minskas drastiskt.
Metoden kan utföras helautomatiskt och passar därför i
moderna produktionssystem. Ytfinheten vid laserpåsvetsning
blir god och behovet av efterbearbetning minskar därför.
Dessutom ger metoden möjlighet att selektivt påsvetsa små
ytor för att mycket lokalt förstärka slitage- och
korrosionsmotstånd.

Laserpåsvetsning har utvecklats till en industriell process genom
insatser av ett flertal forskare och industrier världen runt.
Metoden har dock inte nått samma spriding och användning
som till exempel skärning och svetsning med laser men
användningen av laserpåsvetsning inom industrin ökar och
bedöms ha stor potential i framtiden.

Påsvetsmaterialet kan tillföras till arbetsstycket i förväg form av
en pulverbädd eller under processens gång med pulvermatare,
som med en inert gas blåser pulvret till den av laserstrålen
genererade smältpölen på arbetsstycket. Principiellt kan
påsvetsmaterialet också tillföras i form av tråd, chips eller folier.
Det smälta materialet förhindras att oxidera genom att
skyddsgas tillföres över processtället , Figur 3.7.



Figur 3.7 Princip för laserpåsvetsning med pulvermatare.

Laserpåsvetsning är alltså en kontaktlös metod, och har
därigenom ytterligare en fördel gentemot andra påvetsmetoder.
Som påsvetsmaterial kan man använda kommersiellt
tillgängliga pulver avsedda för flam-, eller plasmasprutning; PTA-
eller TIG-påsvetsning eller andra konventionella metoder.

Laserpåsvetsning ger, med väsentligt lägre energitillförsel än
konventionella metoder, tunna och porfria påsvetsar med liten
uppblandning ( <5% ), bra bindning till grundmaterialet och
finkornig struktur.

3.4.1 Fördelar
Sammanfattningsvis kan nämnas att förutom de rent
materialtekniska fördelar som uppnås, främst genom minskad
uppblandning och högre stelningshastighet, ger
laserpåsvetsning även ett antal kostnadsbesparande faktorer:

* Mindre ombearbetning och kassationer
* Minskade kostnader för preparering innan påsvetsning tack
vare mindre termisk distorsion
* Minskade kostnader för bearbetning efter påsvetsning
* Högre produktivitet genom högre påsvetshastighet och
automatiseringsgrad
* Mindre förbrukning av påsvetsmaterial (1/3 mot tidigare)

Detta är typiskt för många applikationer inom området
laserbearbetning. Förutom högre kvalitet uppnås även
produktonsmässiga fördelar vilket totalt sett ger
kostnadsbesparingar trots höga investeringskostnader.

3.5 Impregnering
Laserimpregnering eller Ytimpregnering med laser är en
process där ytskiktet hos en komponent av stål eller
aluminium smälts lokalt med laser och hårda
nötningsbeständiga karbidpartiklar tillföres och fördelas jämt i
smältan och som på detta sätt erhåller ett avsevärt ökat
nötningsmotstånd. Behandlingen kan begränsas till de ytpartier
som är utsatta för nötning.

Ytskikt producerade med andra metoder t.ex. termisk sprutning
eller elektroplätering uppvisar ofta en bristfällig vidhäftning till
grundmaterialet eller en spröd övergångszon mellan ytskikt och
grundmaterial. Dessa problem uppstår inte vid ytimpregnering
eftersom grundmaterialet går som en sammanhängande matris,
ofta med förhöjd hållfasthet, genom hela det impregnerade
skiktet.

Processen utföres vid normalt atmosfärstryck och i ett
skyddsgasflöde av Argon för att skydda arbetsstycket från
oxidation. Under processens gång föres lasersstrålen över
arbetsstyckets yta och orsakar där en lokal smälta.
Karbidpartiklar, injekteras i smältan och efterhand som
laserstrålen flyttas stelnar smältan och bildar en komposit av
omsmält grundmaterial innehållande osmälta karbidpartiklar.
Ytimpregnering kan utföras med lasereffekter från ca 2 kW och
uppåt.

Typiska värden för inträngning och spårdimensioner.
Lasereffekt kW 2,5 6,0 9,0
Inträngning mm 0,8 1,1 1,5
Spårbredd mm 2,0 3,0 4,0
Total skikttjocklek mm 0,9 1,5 2,0

Ytimpregnerade skikt uppvisar en mycket hög hårdhet orsakad
av de rikligt förekommande karbidutskiljningarna. Nötningsprov
som utförts dels i laboratoriemiljö och dels på industriella
tillämpningar i olika miljöer visar på förbättrat nötningsmotstånd,
( jämfört med samma prov i obehandlat tillstånd), i
storleksordningen 10-70 ggr Variationerna beror på vilken typ
av nötningsfall som föreligger

LoginRegistrera dig här
Skapa ny
Redigera
Ta bort

Medlem på Svelas.nu
Som registrerad medlem kan du publicera och kommentera rapporter och artiklar. Dina bidrag är värdefulla för att Sverige och Svelas ska hålla sig längst fram inom området för laserteknik.
© 2002 SVELAS - Svensk laserteknik
Avd för produktionsutveckling vid LTU
» Allmänna villkor
  Adress:
 
 
Luleå tekniska universitet
Avd för produktionsutveckling
971 87 Luleå.
E-post:
Tel:
Fax:
info@svelas.nu
0920-491 000
0920-492 228
Luleå tekniska universitet