1. Principi tecnici e processo di base
Negli ultimi anni la tempra laser è un metodo di trattamento superficiale sempre più comune nelle fabbriche. In parole povere, si tratta dell'utilizzo di un raggio laser ad alta-energia per irradiare rapidamente la superficie di una parte metallica, riscaldando uno strato molto sottile della superficie metallica a una temperatura molto elevata in un tempo estremamente breve, quindi facendo affidamento sul fatto che la parte stessa si raffreddi rapidamente, rendendo così la superficie molto dura e resistente all'usura-.
Questo processo presenta in realtà delle somiglianze con la tempra tradizionale; entrambi ottengono una microstruttura dura attraverso un rapido raffreddamento. Tuttavia, la tempra laser ha le sue caratteristiche: riscalda solo uno strato superficiale molto sottile, lasciando in gran parte inalterato l’interno della parte, con conseguente distorsione molto piccola. Inoltre, il raggio laser può muoversi in modo flessibile e può trattare parti con forme complesse, cosa difficile da ottenere con i metodi di tempra tradizionali.
2. Come funziona la tempra laser
Quando un raggio laser colpisce una superficie metallica, l'energia viene assorbita dal metallo e la temperatura superficiale aumenta rapidamente. Per l'acciaio comune, la temperatura deve superare gli 800 gradi Celsius, punto in cui la microstruttura dell'acciaio si trasforma in austenite. In questo momento, il raggio laser si allontana e il calore viene rapidamente condotto nel materiale di base interno freddo a una velocità di raffreddamento che può raggiungere decine di migliaia di gradi Celsius al secondo. Sotto un raffreddamento così rapido, l'austenite si trasforma in martensite dura.
Ci sono diversi punti chiave in questo processo: la velocità di riscaldamento deve essere sufficientemente elevata in modo che il materiale di base non abbia il tempo di riscaldarsi; anche la velocità di raffreddamento deve essere sufficientemente elevata da ottenere una microstruttura martensitica fine. La tempra laser può soddisfare esattamente questi requisiti. Può completare il riscaldamento entro un millesimo di secondo, quindi fare affidamento sulla rapida dissipazione del calore del materiale di base.
3. Caratteristiche principali della tempra laser
La piccola distorsione è il vantaggio più evidente della tempra laser. Poiché viene riscaldato solo uno strato superficiale sottile, la variazione di temperatura complessiva della parte è minima, con conseguente basso stress termico. Pertanto, la quantità di distorsione è solitamente solo un-decimo di quella del quenching tradizionale. Ciò è particolarmente importante per le parti di precisione.
L'elevata durezza è un'altra caratteristica. Il riscaldamento e il raffreddamento rapidi del laser producono una microstruttura martensitica molto fine. Questa microstruttura è più fine di quella ottenuta dalla tempra convenzionale ed anche più dura. Ad esempio, per l'acciaio 45, la durezza della tempra convenzionale è di circa 55 HRC, mentre la tempra laser può raggiungere 60-65 HRC.
Una buona selettività conferisce alla tempra laser un vantaggio significativo. Il raggio laser è in grado di controllare con precisione l'area irradiata, trattando solo le parti che necessitano di indurimento. Ad esempio, le superfici dei denti degli ingranaggi o delle superfici di lavoro delle guide possono essere indurite, mentre le altre aree rimangono invariate.
Degno di nota è anche l’elevato grado di automazione. L'intero processo di tempra può essere controllato da un computer, con parametri stabili e buona ripetibilità, adatto alla produzione di massa.
4. Controllo del processo per la tempra laser
Per eseguire correttamente la tempra laser, è necessario controllare diversi parametri chiave.
La potenza del laser determina la quantità di energia in ingresso. Se la potenza è troppo bassa, la temperatura superficiale non soddisferà i requisiti; se troppo alto potrebbe bruciare la superficie. Viene generalmente selezionato in base al tipo di materiale e ai requisiti di profondità di tempra, generalmente compresi tra 500 e 5000 watt.
La velocità di scansione si riferisce alla velocità di movimento del raggio laser. Se la velocità è troppo lenta, si accumula un calore eccessivo, che potrebbe compromettere il materiale di base; se troppo veloce, il riscaldamento è insufficiente e la trasformazione microstrutturale è incompleta. Questo parametro deve essere regolato insieme alla potenza.
La dimensione dello spot influisce sulla densità di energia e sulla larghezza della banda rinforzata. Una piccola macchia significa energia concentrata, che risulta in uno strato indurito profondo ma stretto; una macchia ampia indica un'ampia fascia indurita ma uno strato superficiale. Nelle applicazioni pratiche, dovrebbe essere scelto in base alla forma della parte e ai requisiti di tempra.
È necessario considerare il rapporto di sovrapposizione quando si trattano aree estese. Per coprire l'intera area, i percorsi di scansione del raggio laser devono sovrapporsi parzialmente. Una sovrapposizione troppo piccola lascia zone non indurite; una sovrapposizione eccessiva può causare un ammorbidimento del rinvenimento. In generale, è opportuno controllarlo tra il 10 e il 30%.
5. Punti chiave del trattamento per diversi materiali
Materiali diversi reagiscono in modo diverso alla tempra laser, richiedendo processi diversi.
Gli acciai a medio-carbonio sono tra i materiali più adatti per la tempra laser. Materiali come l'acciaio 45 e il 40Cr hanno un contenuto di carbonio moderato, possono raggiungere un'elevata durezza dopo la tempra e sono meno soggetti a fessurazioni. Durante l'elaborazione, la densità di potenza può essere opportunamente maggiore e anche la velocità di scansione può essere più rapida.
Gli acciai per utensili come Cr12MoV, H13, ecc., hanno una migliore temprabilità grazie alla presenza di elementi di lega. La tempra laser può ottenere uno strato indurito più profondo, ma è necessario prestare attenzione al controllo della temperatura di riscaldamento per evitare il surriscaldamento.
I materiali in ghisa possono anche essere sottoposti a tempra laser. Tuttavia, a causa della presenza di grafite, è necessaria particolare attenzione durante la lavorazione. La potenza non può essere troppo elevata, altrimenti la grafite si decompone e crea pori. In genere, è necessario prima il pretrattamento della superficie per migliorare l'assorbimento del laser.
I metalli non-ferrosi come le leghe di alluminio, le leghe di titanio e così via mostrano effetti meno evidenti derivanti dalla tempra laser rispetto all'acciaio, ma possono comunque ottenere un effetto rinforzante. Durante la lavorazione è necessario un controllo più preciso dei parametri.
6. Importanza del pretrattamento superficiale
Molti materiali metallici hanno un'elevata riflettività nei confronti dei laser, in particolare materiali come alluminio e rame, dove viene riflessa la maggior parte dell'energia laser. Per migliorare l'efficienza di assorbimento dell'energia laser, è necessario un trattamento superficiale prima dello spegnimento.
Il trattamento di fosfatazione è un metodo comunemente usato. Sulla superficie si forma uno strato di rivestimento di fosfato che assorbe bene l'energia laser. Dopo il trattamento di fosfatazione, il tasso di assorbimento dell'acciaio da parte del laser può aumentare da circa il 30% a oltre il 70%.
Molto comune è anche il rivestimento con vernice-che assorbe la luce. Esistono in commercio vernici appositamente studiate per il trattamento termico laser. Uno strato sottile rivestito sulla superficie può migliorare significativamente l'assorbimento. Queste vernici bruciano durante il processo di tempra e non rimangono sulla superficie.
Anche l'irruvidimento della superficie può migliorare l'assorbimento. Metodi come la sabbiatura rendono la superficie ruvida, aumentando l'assorbimento del laser. Tuttavia, tieni presente che la rugosità dovrebbe essere appropriata; una superficie troppo ruvida può compromettere la qualità della superficie.
7. Punti chiave per la configurazione dell'apparecchiatura
Un sistema di tempra laser comprende principalmente un laser, un sistema di movimento, un sistema di raffreddamento e un sistema di controllo.
Il laser è il componente principale. I laser a fibra e i laser a semiconduttore sono oggi comunemente utilizzati grazie alla loro elevata efficienza di conversione elettro-ottica e alla manutenzione relativamente semplice. La scelta della potenza dipende dalle esigenze di produzione. Generalmente per pezzi piccoli sono sufficienti circa 1.000 Watt, mentre per pezzi grandi possono essere necessari più di 3.000 Watt.
Il sistema di movimento gestisce il movimento relativo tra la testa laser e il pezzo da lavorare. Esistono tipi di piani di lavoro mobili, tipi di teste laser mobili e tipi di bracci robotici. La scelta dipende dalla dimensione e dalla forma del pezzo. Le superfici curve complesse richiedono in genere sistemi di collegamento multi-asse.
Il sistema di raffreddamento è molto importante. Il laser stesso necessita di raffreddamento e anche il pezzo in lavorazione richiede un raffreddamento adeguato durante la tempra. Viene generalmente utilizzato il raffreddamento ad acqua, garantendo flusso e temperatura stabili dell'acqua di raffreddamento.
Il sistema di controllo è ora controllato dal computer-. Può memorizzare più set di parametri di processo per il richiamo diretto durante il funzionamento. Un buon sistema di controllo può anche monitorare i parametri di processo in tempo reale e regolarli automaticamente per garantire una qualità costante.
