1. 기술원리 및 기본프로세스
레이저 담금질은 최근 몇 년 동안 공장에서 점점 더 일반적인 표면 처리 방법입니다. 간단히 말하면, 고에너지 레이저 빔을 사용하여 금속 부품의 표면을 빠르게 조사하고, 금속 표면의 매우 얇은 층을 매우 짧은 시간에 매우 높은 온도로 가열한 다음, 부품 자체를 사용하여 빠르게 냉각함으로써 표면을 매우 단단하고 내마모성으로 만드는 것입니다.-
이 과정은 실제로 전통적인 담금질과 유사합니다. 둘 다 급속 냉각을 통해 단단한 미세 구조를 얻습니다. 그러나 레이저 담금질에는 고유한 특성이 있습니다. 즉, 매우 얇은 표면층만 가열하므로 부품 내부는 거의 영향을 받지 않고 왜곡이 매우 작습니다. 더욱이, 레이저 빔은 유연하게 움직일 수 있으며 전통적인 담금질 방법으로는 달성하기 어려운 복잡한 모양의 부품을 처리할 수 있습니다.
2. 레이저 담금질의 작동 원리
레이저 빔이 금속 표면에 닿으면 에너지가 금속에 흡수되어 표면 온도가 급격히 상승합니다. 일반 강철의 경우 온도가 섭씨 800도를 초과해야 하며, 이 시점에서 강철의 미세 구조가 오스테나이트로 변태됩니다. 이 순간, 레이저 빔은 멀어지고 초당 수만도에 달하는 냉각 속도로 열이 차가운 내부 모재로 빠르게 전도됩니다. 이러한 급속 냉각 하에서 오스테나이트는 단단한 마르텐사이트로 변태됩니다.
이 과정에는 몇 가지 핵심 사항이 있습니다. 가열 속도는 기본 재료가 가열될 시간이 없도록 충분히 빨라야 합니다. 또한 냉각 속도는 미세한 마르텐사이트 미세 구조를 얻을 수 있을 만큼 빨라야 합니다. 레이저 담금질은 이러한 요구 사항을 정확하게 충족할 수 있습니다. 이는 1000분의 1초 이내에 가열을 완료한 후 기본 재료 자체의 빠른 열 방출에 의존합니다.
3. 레이저 담금질의 주요 특징
작은 왜곡은 레이저 담금질의 가장 확실한 장점입니다. 얇은 표면층만 가열되기 때문에 부품의 전체 온도 변화가 최소화되어 열 응력이 낮습니다. 따라서 왜곡의 양은 일반적으로 기존 담금질의 1/10{2}}에 불과합니다. 이는 정밀 부품에 특히 중요합니다.
높은 경도도 특징입니다. 급속 레이저 가열 및 냉각을 통해 매우 미세한 마르텐사이트 미세 구조가 생성됩니다. 이 미세구조는 기존의 담금질로 얻은 것보다 더 미세하고 더 단단합니다. 예를 들어, 45 강철의 경우 기존 담금질 경도는 약 55HRC인 반면 레이저 담금질은 60-65HRC를 달성할 수 있습니다.
좋은 선택성은 레이저 담금질에 상당한 이점을 제공합니다. 레이저 빔은 조사되는 부위를 정밀하게 제어하여 경화가 필요한 부분만 치료할 수 있습니다. 예를 들어, 기어 톱니 표면이나 가이드 레일 작업 표면은 경화되고 다른 부분은 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있습니다.
높은 수준의 자동화도 주목할 만하다. 전체 담금질 공정은 대량 생산에 적합한 안정적인 매개 변수와 우수한 반복성을 통해 컴퓨터로 제어할 수 있습니다.
4. 레이저 담금질을 위한 공정 제어
레이저 담금질을 잘 수행하려면 몇 가지 주요 매개변수를 제어해야 합니다.
레이저 출력은 입력 에너지의 양을 결정합니다. 전력이 너무 낮으면 표면 온도가 요구 사항을 충족하지 못합니다. 너무 높으면 표면이 탈 수 있습니다. 일반적으로 재료 유형 및 경화 깊이 요구 사항에 따라 선택되며 일반적으로 500-5000와트 범위입니다.
스캔 속도는 레이저 빔의 이동 속도를 나타냅니다. 속도가 너무 느리면 과도한 열이 축적되어 잠재적으로 모재에 영향을 미칠 수 있습니다. 너무 빠르면 가열이 불충분하고 미세 구조 변형이 불완전합니다. 이 매개변수는 전력과 함께 조정되어야 합니다.
스폿 크기는 에너지 밀도와 강화된 대역폭에 영향을 미칩니다. 작은 점은 집중된 에너지를 의미하므로 깊지만 좁은 경화층이 생성됩니다. 큰 반점은 넓게 경화된 밴드이지만 얕은 층을 의미합니다. 실제 응용 분야에서는 부품 모양과 경화 요구 사항에 따라 선택해야 합니다.
넓은 부위를 치료할 때에는 Overlap ratio를 고려해야 합니다. 전체 영역을 커버하려면 레이저 빔의 스캐닝 경로가 부분적으로 겹쳐야 합니다. 겹치는 부분이 너무 적으면 경화되지 않은 영역이 남습니다. 너무 많이 겹치면 템퍼링이 부드러워질 수 있습니다. 일반적으로 10~30% 사이로 조절하는 것이 적당합니다.
5. 재료별 처리 포인트
다양한 재료는 레이저 담금질에 다르게 반응하므로 다양한 프로세스가 필요합니다.
중-탄소강은 레이저 담금질에 가장 적합한 재료 중 하나입니다. 45 강철 및 40Cr과 같은 재료는 탄소 함량이 적당하고 담금질 후 높은 경도를 달성할 수 있으며 균열이 발생하기 쉽습니다. 처리하는 동안 전력 밀도가 적절하게 높아질 수 있으며 스캔 속도도 더 빨라질 수 있습니다.
Cr12MoV, H13 등과 같은 공구강은 합금 원소의 존재로 인해 경화성이 더 좋습니다. 레이저 담금질은 더 깊은 경화층을 얻을 수 있지만 과열을 방지하려면 가열 온도를 제어하는 데 주의를 기울여야 합니다.
주철 재료도 레이저 담금질을 받을 수 있습니다. 그러나 흑연이 존재하기 때문에 가공 시 특별한 주의가 필요합니다. 힘이 너무 높으면 안 됩니다. 그렇지 않으면 흑연이 분해되어 모공이 생성됩니다. 일반적으로 레이저 흡수를 향상시키기 위해서는 표면 전처리가 먼저 필요합니다.
알루미늄 합금, 티타늄 합금 등과 같은 비철금속은 -강에 비해 레이저 담금질 효과가 덜 뚜렷하지만 여전히 어느 정도 강화 효과를 얻을 수 있습니다. 처리 중에는 보다 정확한 매개변수 제어가 필요합니다.
6. 표면 전처리의 중요성
많은 금속 재료는 레이저에 대한 반사율이 높으며, 특히 대부분의 레이저 에너지가 반사되는 알루미늄 및 구리와 같은 재료는 더욱 그렇습니다. 레이저 에너지의 흡수 효율을 높이려면 담금질 전 표면 처리가 필요합니다.
인산염 처리는 일반적으로 사용되는 방법입니다. 레이저 에너지를 잘 흡수하는 인산염 코팅층이 표면에 형성됩니다. 인산염 처리 후 강철의 레이저 흡수율은 약 30%에서 70% 이상으로 증가할 수 있습니다.
빛을 흡수하는-페인트로 코팅하는 것도 매우 일반적입니다. 시중에는 레이저 열 처리용으로 특별히 고안된 페인트가 있습니다. 표면에 얇은 층을 코팅하면 흡수력이 크게 향상됩니다. 이러한 페인트는 담금질 과정에서 타서 표면에 남지 않습니다.
표면을 거칠게 하면 흡수도 향상될 수 있습니다. 샌드블래스팅과 같은 방법은 표면을 거칠게 만들어 레이저 흡수를 증가시킵니다. 그러나 거칠기는 적절해야 합니다. 너무 거칠면 표면 품질에 영향을 줄 수 있습니다.
7. 장비 구성의 핵심 포인트
레이저 담금질 시스템은 주로 레이저, 모션 시스템, 냉각 시스템 및 제어 시스템을 포함합니다.
레이저는 핵심 구성 요소입니다. 광섬유 레이저와 반도체 레이저는 전기광 변환 효율이 높고 유지 관리가 상대적으로 간단하기 때문에 현재 일반적으로 사용됩니다. 전력 선택은 생산 요구 사항에 따라 달라집니다. 일반적으로 소형 부품의 경우 약 1000와트이면 충분하지만 대형 부품의 경우 3000와트 이상이 필요할 수 있습니다.
모션 시스템은 레이저 헤드와 공작물 사이의 상대적인 움직임을 처리합니다. 작업대 이동형, 레이저 헤드 이동형, 로봇팔형이 있습니다. 선택은 부품 크기와 모양에 따라 다릅니다. 복잡한 곡면에는 일반적으로 다{3}}축 연결 시스템이 필요합니다.
냉각 시스템은 매우 중요합니다. 레이저 자체도 냉각이 필요하며, 공작물도 담금질 중에 적절한 냉각이 필요합니다. 일반적으로 수냉식을 사용하여 안정적인 냉각수 흐름과 온도를 보장합니다.
제어 시스템은 이제 컴퓨터로 제어됩니다-. 작동 중 직접 호출을 위해 여러 프로세스 매개변수 세트를 저장할 수 있습니다. 또한 우수한 제어 시스템은 프로세스 매개변수를 실시간으로 모니터링하고 자동으로 조정하여 일관된 품질을 보장할 수 있습니다.
