بخشی از مقاله
چکیده
امروزه سختکاری سطحی لیزری به یکی از روشهای موثر برای افزایش سختی و مقاومت در برابر خوردگی قطعات بدون نیاز به سردسازی، تبدیل شده است. میزان سختی ایجاد شده وابسته به پارامترهای لیزری و ویژگیهای ترموفیزیکی ماده میباشد. در این مقاله با استفاده از لیزر پرتوان دیودی پیوسته با طول موج 808 nm و توان بیشینه 1600 W، فرایند سختکاری سطحی فولاد 0050A انجام گرفت.
با تغییر پارامترهای چگالی توان و سرعت روبش، عرض و عمق ناحیه سختشده و میزان تغییرات آن در سطح ماده بررسی شد. همچنین، سختکاری لبههای برشی با پارامترهای بهینه انجام و سطوح بزرگتر نیز با همپوشانی جانبی خطوط لیزری سختکاری شد. بر اساس نتایج این تحقیق، در حالت تک پاس، بیشینه عرض و عمق سختی قابل قبول به ترتیب برابر با 11/5 mm و1/1 mm بود که با چگالی توان9/2 W/mm2 و سرعت اسکن 1 mm/s بهدست آمد.
-1 مقدمه
فولاد 0050A به دلیل شکلپذیری مطلوب آن، کاربردهای زیادی در صنایع قالب سازی و دیگر صنایع وابسته مانند خودروسازی، هواپیماسازی دارد. یکی از مشکلات رایج این صنایع، سختی سطحی بسیار پایین قالب است که استفاده از آن پس از مدتی، منجر به خوردگی و از بین رفتن شکل قالب میشود و نمیتوان شکل و ساختار مورد نظر را ایجاد نمود .
راههای متداول برای افزایش سختی این نوع فولاد، سختکاری شعلهای2 و القایی3 است. این روشها به دلیل کنترل ناپذیری فرآیند و غیریکنواخت بودن سختی، امروزه کارائی چندانی ندارند. سرد نمودن سریع قطعه با استفاده از پروسههای دیگر برای رسیدن به فاز مارتنزیت، از دیگر معایب این روشهاست .
در روش سختکاری لیزری، که جایگزین بسیار مناسبی برای روشهای دیگر است، از حرارت تولید شده توسط لیزر برای آستنیته کردن موضعی سطح استفاده میشود. در این فرآیند پس از جذب حرارت و هدایت آن به داخل ماده، دیگر نقاط قطعه در دمای پایین باقی میمانند و زمانی که تابش به اتمام رسید، نمونه مانند سینک حرارتی عمل کرده و سردسازی خود به خودی اتفاق میافتد.
نرخ گرمایش و سرمایش در سختکاری فلزات در حدود K/s 103-10 4 میباشد. با این نرخ سرمایش، سطح ماده به طور کامل به فاز مارتنزیتی تبدیل و منجر به افزایش سختی و مقاومت در برابر خوردگی قطعه میگردد .
موضعی بودن حرارت، سرعت بالای سختکاری، جلوگیری از ذوب سطحی ماده، یکنواخت بودن سختی و نرخ بالای سرمایش خود به خودی4 ماده بدون نیاز به سردسازی، روش سختکاری لیزری را از دیگر روشها متمایز میسازد
سختکاری لیزری فولادهای شامل فازهای پرلیت و فریت، با افزایش دمای ناحیه تحت تابش لیزر به دمای دگرگونی قطعه آغاز می شود. در این مرحله فاز پرلیت به آرامی به فاز آستنیت تبدیل شده و با توجه به میزان دما، عنصرکربن از مناطق پُرکربن آستنیتیِ تازه تشکیل شده، در نواحی کمکربن فریتی پخش میگردد و شکل جدیدی پیدا میکند.
همچنین، بسته به دمای آستنیته شدن، مقداری از فریت به آستنیت تبدیل میگردد. در ادامه، با نگه-داشتن دمای سطح بالاتر از دمای دگرگونی به مدت کافی، کربن گسترش یافته و فاز آستنیت همگن می شود. در این گام، توزیع کربن در میکروساختارهای سطح رفته رفته به صورت یکنواخت ایجاد میشود و زمانی که دما از دمای آستنیته شدن فراتر رفت، فاز فریت به طور کامل به فاز آستنیت تبدیل میگردد . در نهایت، با عبور پرتو لیزر از ناحیه تحت تابش و سرمایش سریع، فاز آستنیت به فاز مارتنزیت تبدیل شده و سختی مورد نظر حاصل میگردد .
لیزرهایی که برای بهبود سطح مواد استفاده میشوند عبارتند از لیزر توان بالای گاز کربنیک و لیزرهای نئودمیم-یاگ که هم به صورت پالسی و هم به صورت پیوسته عمل میکنند. گوسی بودن پروفایل خروجی در این نوع لیزرها برای عملیاتهای حرارتی مناسب نیست و برای ایجاد پرتویی مناسب، به فناوریهای پیچیده و پرهزینه نیازمند است.
بازدهی کم، هزینه بالا و در برخی موارد نیاز به لایه نشانی قطعه برای جذب بیشتر، از دیگر مشکلات رایج در این نوع فرآیند است. در سالهای اخیر لیزرهای دیودی توان بالا با پروفایل شدتی یکنواخت5 جایگاه بسیار مناسبی در پردازش مواد به ویژه در سختکاری لیزری پیدا کرده است. طول موج کوچکتر این لیزرها در مقایسه با لیزرهای دیگر، سبب افزایش جذب در پرتو لیزر در سطوح فلزی شده است . به طور کلی پروفایل خروجی این لیزرها در راستای محور کُند، یکنواخت و در راستایحورم تُند، گوسی است که در نهایت شکل لکه خروجی به صورت مستطیلی خواهد بود. این پروفایل برای بسیاری از پردازشهایی که به حرارت یکنواخت در سطح ماده نیازمند است، کاربرد دارد .
کیفیت پرتو لیزرهای دیودی در مقایسه با لیزرهای دیگر پایین تر میباشد و کاربرد این لیزر در فرآیندهای جوش و برش را محدود میسازد .
-2 مواد و روش تحقیق
در این تحقیق با استفاده از لیزر دیودی پیوسته مدل DDL1600 با ماکزیمم توان 1600W و طول موج 808 nm ، فرآیند سختکاری فولاد 0050A انجام شده است . همچنین فرآیند سختکاری خارج از فاصله کانونی و در ارتفاعهای متفاوت صورت پذیرفته است. ساختار فولاد مورد نظر در جدول - 1 - لیست شده است.
مطابق با شکل - 1 - ، لیزر دیودی با توانهای 1550 و 1450 وات، بر روی نمونه تابیده میشود. به منظور دستیابی به چگالی توان های مختلف، فاصلهی نازل لیزر تا سطح نمونه متغیر و برابر با 70، 60، 55 و50 mm قرار داده شده است. جهت حرکت قطعه، از یک میز متحرک سه محور استفاده شده است. با حرکت نمونه، پرتو لیزر سطح قطعه را با سرعتهای مختلف اسکن مینماید.
برای جلوگیری از اکسید شدن سطح تحت تابش، گاز آرگون با خلوص بالا و با شارش 10 lit/min بر روی نمونه جریان دارد. برای اندازهگیری سختی ماده، دستگاه میکروسختیسنج با دقت 5 HV و قابلیت جابجایی 10 P و برای تهیه تصاویر از دوربین معمولی استفاده شده است. هدف از این تحقیق، دستیابی به بیشینه عرض و عمق سختی با سختیهای بالاتر از 500 HV بر روی نمونه میباشد.
