سختکاری سطحی با لیزر

در سال ۱۹۹۷ اینشتین واقعیتی را بیان کرد که از لحاظ تکنولوژی دارای اهمیت زیادی است. اینشتین نشان داد در صورتی که یک اتم تحریک شده، پیش از رسیدن به سطح پایین انرژی، با یک فوتونی با همان انرژی برخورد کند، دو فوتون انرژی، که شامل فوتون اولیه و فوتون تحریک شده است ، حاصل میشود. این دو فوتون که هر دو دارای سطح انرژی یکسان خواهند بود، در عین حال دارای یک جهت و دقیقاً باهم در یک فاز هستند. این نظریه پایه و اساس روش تقویت نور و سپس تولید انواع پرتو لیزر قرار گرفت.

پرتو لیزر نوری است که اساساً مستقل از شکل و ویژگی های قطعه عمل کرده ، بدون نیاز به خط برده ، به آسانی کنترل می شود و نیز محصول احتراق ندارد. واگرایی اشعه لیزر بسیار کم میباشد، بطوری که اگر پرتو باریکی از آن ، از سطح زمین بر روی سطح ماه تابانده شود، فقط منطقه ای به قطر حدود سه کیلومتر را روشن می سازد. دو ویژگی مهم دیگر اشعه لیزر آنست که :

ليزر ها با طول موج ها و چگالي هاي انرژي مختلف

1. اولا تمام نورهای موجود در آن دارای یک طول موج بوده،
2. ثانیاً همه نورها نسبت به هم در یک فاز هستند.

فرایند های سخت کردن سطحی در کل (به جز نفوذ کربن یا نیتروژن[1]) بر پایه ی بالا بردن دمای سطح فلز تا محدوده ی آستنیتی و سرد کردن سریع فولاد تا فاز سخت و با استحکام بالای مارتنزیت استکه گاهی با یک عملیات حرارتی بسیار کم دما به منظور ایجاد کیفیت سطحی بالاتر و کاستن از تردی پیگیری می شود. حال این بالا بردن دما و کوئنچ می تواند با شعله ی آتش و آب، القای الکترو مغناطیس و آب(یا روغن) و یا اشعه لیزر و هوا با شد. هر کدام از این موارد ویژگی هایی دارند که در جدول زیر می آید:[2]

پرتو لیزر به عنوان یک منبع حرارتی می تواند برای سخت کاری سطحی قطعه و یا ایجاد یک لایه مذاب یکنواخت ، از تقریباً همه آلیاژها ، بر روی سطح جسم، مورد استفاده قرار گیرد. وقتی دسته پرتوی با قدرت نسبتاً بالا بر روی سطح فولاد تابانیده شود، سطح قطعه، با سرعتی خیلی بیشتر از سرعت انتقال حرارت به داخل آن، گرم می شود. به این ترتیب، در حالیکه قسمت داخلی قطعه هنوز سرد است ، یک لایه خیلی نازک سطحی در یک زمان بسیار کوتاه ، به دمای استنیتی میرسد. حتی با پرتو لیزری که قدرت متوسط آن در حدود " W / Cm ۵۰۰ باشد، یک گرادیان حرارتی برابر C/mm° ۵۰۰ حاصل می شود. با حرکت دادن پرتو لیزر بر روی سطح قطعه، بخش های مورد نظر به سرعت گرم می گردند. سپس در اثر انتقال حرارت به داخل قطعه ، این نواحی سریع سرد میشوند. با انتخاب چگالی قدرت و سرعت حرکت مناسب برای پرتو لیزر ، قطعه را می توان تا عمق مورد نظر سخت کرد. زمان گرم کردن برای رسیدن سطح قطعه به دمای استنیتی ، می تواند، در حدود کمتر از یک ثانیه تا حدود چند ثانیه تغییر کند.

لیزر را می توان برای برش قطعات و یا جوشکاری آنها نیز مورد استفاده قرار داد. [3]

به علت دقت بسیار بالا و منطقه ی HAZ کوچک از لیزر برای سختکاری سطوح پیچیده چرخ دنده ها، لبه های قالب های پیچیده، تیغه های پیچیده و دیگر مقاطع حساس استفاده می شود.

امروزه از همین ویژگی برشی پرتو لیزر برای ساخت قطعات سرامیکی دقیق و پیچیده به روش لایه لایه ای استفاده میکنند. در این روش ، با مخلوط کردن پودر سرامیک با یک مایع مناسب، ماده سرامیکی را به صورت خمیر نرم در آورده و سپس با نورد کردن آن، ورقه های نازک سرامیکی تهیه می کنند. در مرحله بعد، با قرار دادن لایه های نازک ، مطابق یک مدل کامپیوتری بر روی یکدیگر، و تنظیم فاصله کانونی پرتو لیزر، آخرین لایه را برش می دهند تا شکل پیچیده مورد نظر به دست آید.

چگالی قدرت پرتو لیزر برای برش قطعات و یا جوشکاری آنها، خیلی بیش از چگالی قدرت لیزر برای گرم کردن سطح قطعه می باشد. دانسیته قدرت برای عملیات حرارتی معمولاً در حدود W / Cm۲ ۱۰۰۰ - ۲۰۰۰ است که گاهی اوقات حداقل به W / Cm ۵۰۰ و حداکثر "W/Cm ۵۰۰۰ نیز می رسد. بطور کلی لیزرهائی که برای عملیات حرارتی سطحی به کار برده می شوند، بایستی پرتو آنها پخش تر و شدت شان کمتر باشد. ضخامت بخش سخت شده قطعات ، به ندرت از ۲ / ۵ میلیمتر تجاوز می کند. برای فولادهائی که دارای عمق نفوذ کم سختی هستند، مانند فولادهای کربنی ، ضخامت ناحیه سخت شده خیلی کمتر بوده و از ۰ / ۲۵ میلیمتر در فولادهای نرم تا ۱ / ۳ میلیمتر در فولادهای باکرین متوسط ، تغییر می کند. با توجه به اینکه سرعت گرم کردن و سردکردن دراین روش خیلی بالا است ، حتی فولادهانی مانند 1018 SAE را ، که قابل بدهی به روش معمولی نیستند ، می توان با پرتو لیزر مورد آبدهی قرار داد. بهمین دلیل نیز سختی حاصله از طریق لیزر می تواند کمی بیشتر از سختی به دست آمده با روش های متداول آبدهی باشد

سخت کردن سطح قطعه بوسیله لیزر را می توان با سخت کردن توسط مشعل تشبیه کرد، با این تفاوت اساسی که انرژی تشعشعی مشعل ، برخلاف لیزر، پیوسته نیست. یعنی آنکه نمی توان آنرا تا مسافت زیادی انتقال داد. همچنین، گرمای ناشی از مشعل به اطراف پخش می شود. در صورتی که لیزر اشعه ای متمرکز تولید میکند. بعلاوه انرژی منتقل شده از مشعل به قطعه ، کاملاً محدود است و اغلب از حدود " W

استفاده از ليزر براي جوشكاري مقاطع پيچيده و حساس

/ mm ۱ / ۶ تجاوز نمی‌کند ولی انرژی پرتو لیزر را میتوان ضمن کنترل اندازه سطح مقطع اشعه ، بسیار بیش از این حد (تا ۵۰۰ برابر) مورد استفاده قرار داد. به علاوه قدرت کم مشعل باعث می شود که گرما تا اعماق قطعه نفوذ کند، در صورتیکه در همین حال، دمای سطح بتدریج تا دمای مورد نظر افزایش می یابد. همچنین، گرم شدن و سرد کردن غیر یکنواخت قطعه و یا شوک های حرارتی ، در حین عملیات سرد و گرم گردن ، نیز می تواند موجب ترک و پیچش در آبدهی قطعه با مشعل شود. [4]

مشکلات عمده سختکاری با لیزر:

1. عمق قابل سخت کاری با پرتو لیزر محدود بوده و حداکثر تا حدود ۲ / ۵ میلیمتر، و معمولاً تا نصف این مقداری می رسد.
2. بهای تجهیزات زیاد می باشد، بنابراین ، لازم است ، در این روش بهای تمام شده محصول به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد . سرعت زیاد گرم شدن قطعه با پرتو لیزر، مسئله تشکیل استنیت و توزیع مجدد کربن برای ایجاد محلول جامد همگن کربن در استنبت ، در زمان کوتاه را پیش می آورد. این مسئله ، در صورتی که ساختار قطعه شامل پرلیت درشت بوده و یا دارای سمانتیت پرواتکتوئید و یا سمانتیت کروی باشد و نیز در حالتی که چدن ، فریت زاد قابل توجهی داشته باشد، بارزتر است. لذا لازم است دمای استنیتی کردن قطعه، توسط لیزر کاملاً بالاتر از دمای آستنیتی کردن قطعه به روش های دیگر آبدهی انتخاب شود.
3. موضوع دیگری که در انجام بعضی از عملیات با پرتو لیزر بدان برخورد می شود آنست که در جریان گرم شدن قطعه با پرتو لیزر ، انتقال جانبی حرارت غیر قابل احتراز است. هر قدر سرعت حرکت پرتو لیزر کمتر باشد اثر انتقال حرارت به اطراف نیز بیشتر خواهد بود. برای بسیاری از کاربردها ، بشرط آنکه عملیات طوری صورت گیرد که نواحی گرم شده قطعه و اطراف آن تحت فرسایش، با تنش های قابل توجهی در هنگام کار قرار نگیرند، تشکیل چنین ناحیه ای زیان بخش نیست.

عوامل متعددی ، از قبیل اندازه قطر پرتو لیزر ، دانسیته ندرت ، سرعت حرکت اشعه ، ویژگی های حرارتی جسم و قابلیت سخت شدن آن با لیزر ، بر روی نتایج حاصله از عملیات سطحی با لیزر اثر می گذارند. قابلیت سخت شدن با پرتو لیزر ، به سرعت گرم شدن جسم و نیز به حالت اولیه قلعه ، یعنی حالت نرمالیزه ، بازپخت شده و غیره بستگی دارد.

تاثير عامل سرعت و شكل اشعه ي ليزر بر دما و ميزان نفوذ

از عوامل اصلی موثر در عملیات حرارتی با لیزر، چگالی قدرت و سرعت اجرای عملیات میباشند. مهم است به این نکته توجه شود که سرعت عملیات بایستی تا حد امکان بالا باشد تا سرعت تولید افزایش یابد. با این حال، سرعت حرکت پرتو لیزر ، که به صورت حرکت لکه در روی سطح قطعه مشخص می شود، بخودی خود شاخص مناسبی برای سرعت تولید نمی‌باشد ، زیرا ابعاد لکه در جهت عمود بر امتداد حرکت پرتو لیزر نیز در تعیین میزان مساحت پوشیده شده دخالت دارد. بعلاوه، عامل مهم دیگر در تعیین نتایج عملیات به زمان باقی ماندن قطعه در زیر پرتو لیزر میباشد که عبارت از قطر لکه در امتداد حرکت، تقسیم بر سرعت حرکت است و معمولاً بنام زمان توقف با زمان سکون(۱) نامیده می شود. در موقعی که چگالی قدرت ثابت باشن تغییر ابعاد نسبی یک لکه مستطیل شکل ، بر روی میزان پوشش نامه ، اثر نمی‌گذارد. بنابراین ، مساحت لکه لیزر محدود به قدرت موجود منبع اشعه است.

توجه به نکات زیر، به عنوان راهنمای اجرای عملیات سطحی با لیزر، توصیه می شود

• - چگالی قدرت قابل استفاده در سخت کردن سطحی با لیزر معمولاً درحدود 'W/Cm ۵۰۰ تا '۵۰۰۰W/Cm انتخاب می شود. - زمان سکون بین ۰ / ۱ تا ۱۰ ثانیه تغییر میکند. برای فولادهای کربنی ، چگالی قدرت معمولاً بین 'Cm ..۱۰ تا"w/m ۱۵۰۰ و زمان سکون برابر ۱ تا ۲ ثانیه در نظر گرفته می شود.
• - مصالحی با قابلیت سختی پذیری بالا را می توان . با چگالی قدرت کم تر و زمان سکون بیشتر، تحت عملیات سخت کاری با لیزر قرار داد، در حالیکه مصالحی با قابلیت سختی پذیری کمتر را می توان با چگالی قدرت بیشتر و زمان سکون کمتر سخت کاری کرد.
• - استفاده از پرتو لیزر ، با مقطع مستطیلی یا مربعی ، با چگالی قدرت یکنواخت، برای به دست آوردن سختی همگن و مناسب تر می باشند.
• - چگالی قدرت بیشتر و زمان سکون کم تر، ضخامت سخت شده کم تر و سرعت بالاتر سرد شدن را تأمین می کند. برای چگالی قدرت کمنر ، نتیجه بر عکس می باشد.
• - حداکثر دمای سطح، متناسب با ریشه دوم سرعت حرکت اشعه میباشد . بنابراین، با دو برابر کردن چگالی قدرت بایستی این سرعت چهار برابر شود تا همان حداکثر دما در سطح تلعه حاصل گردد.
• - افزایش چگالی قدرت موجب کاهش انرژی کل ورودی ، برای بدست آوردن همان حداکثر دما در سطح قطعه ، میشود.
• - انتخاب زمان سکون به ساختار میکرسکپی فولاد نیز بستگی دارد. قطعات فولادی با ساختارهای نرمالیزه ، بازپخت شده با دارای پرلیت کروی و با حاوی سمانتیت پرواتکتوئید و نیز چدن با فولاد با کربورهای آلیاژی پایدار ، مثلاً در مقایسه با فولادی که قبلاً آبداده و بازگشت شده باشد، به زمان سکون های طولانی تری نیاز دارند.
• - برای قطعات کوچک و در مقایسه با قطعات بزرگتر، لازم است چگالی قدرت بالاتر و زمان سکون کمتری در نظر گرفته شود، مگر آنکه محیط سرد کننده خود جسم نبوده و قطعه در محیط دیگری سرد شود.

• سخت کردن سطحی
• سخت کاری القایی
• عملیات حرارتی
• عملیات حرارتی موضعی
• لیزر

• طاهري، مهدي (۱۳۹۶). اصول عمليات حرارتي فولاد ها. انتشارات دانشگاه تهران. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۰۳-۳۹۶۸-۸.
• زمانیان، رحیم (۱۳۹۶). خوردگی و روش های کنترل آن. انتشارات دانشگاه تهران. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۰۳-۵۳۷۹-۰.
  • C. Suryanarayana, Nanostructured Intermetallics in Intermetallic Compounds - Principles and Practice, John Wiley & Sons, pp.749-764, 2002. doi:10.1002/0470845856.ch35
  • مرادپور، محسن (۱۳۸۱). «سختکاری سطحی موضعی یا انتخابی». صنعت خودرو. ۵ (۵۴): ۴۰تا ۴۲.

• شرکت فنی مهندسی لیزر پرتو پردازش مواد تهران