Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH CÔNG TÔI BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG LASER CO CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHÍNH XÁC & QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN VĂN VINH HÀ NỘI 2010 MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt …… v Danh mục bảng …… v Danh mục hình vẽ đồ thị .…… vi LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN VỀ LASER 01 1.1 Lịch sử phát triển nguồn sáng laser ứng dụng kim loại …… 01 1.2 Cơ sở vật lý laser 02 1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy phát laser…………………………….04 1.3.1 Hoạt chất 05 1.3.2 Buồng cộng hưởng 05 1.3.3 Bộ phận kích thích 05 1.3.4 Các loại nguồn phát laser 06 1.4 Các thông số chùm laser 13 1.5 Các loại laser dùng công nghiệp .14 1.5.1 Máy phát laser rắn .15 1.5.2 Máy phát laser khí .15 1.6 Ứng dụng laser công nghiệp 16 1.6.1 Ứng dụng laser để cắt vật liệu 18 1.6.1.1 Giới thiệu chung 18 1.6.1.2 Các thông số công nghệ trình cắt laser 19 1.6.2 Ứng dụng laser để hàn vật liệu 19 1.6.2.1 Giới thiệu chung 19 1.6.2.2 Cơ chế hàn laser 21 1.6.3 Các ứng dụng khác .24 1.6.4 Ứng dụng laser để nhiệt luyện xử lý bề mặt .25 1.6.4.1 Giới thiệu chung 25 1.6.4.2 Các thông số công nghệ chủ yếu 25 i CHƯƠNG 28 NHIỆT LUYỆN BẰNG TIA LASER 28 2.1 Các phương pháp nhiệt luyện bề mặt laser 28 2.1.1 Nhiệt luyện tia laser 28 2.1.2 Phân loại 28 2.1.3 Các phương pháp 29 2.1.4 Phân tích phương pháp nhiệt luyện laser 31 2.2 Tôi bề mặt tia laser 33 2.2.1 Các tham số ảnh hưởng chất lượng laser 34 2.2.2 Một số vấn đề Tôi bề mặt laser 35 2.3 Cơ chế nhiệt luyện tia laser .37 2.3.1 Sự tương tác laser kim loại 37 2.3.2 Mô hình dòng nhiệt nhiệt luyện laser 39 2.3.2.1 Cơ sở lý thuyết 39 2.3.2.2 Mô hình nhiệt nhiệt luyện bề mặt laser 41 2.4 Lí thuyết chuyển đổi tổ chức thép nhiệt luyện 43 2.4.1 Sự hình thành austenit 43 2.4.2 Các chuyển biến làm nguội 45 2.4.3 Sự hình thành mactenit .47 2.5 Tôi tự ram tia laser 50 CHƯƠNG 51 THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN BẰNG LASER CO2 ĐIỀU KHIỂN CNC 51 3.1 Các linh kiện cấu thành máy laser CO2 .51 3.1.1 Đặc điểm nguồn laser 51 3.1.2 Buồng cộng hưởng 52 3.1.3 Bộ phận kích thích hoạt chất 54 3.1.4 Hệ thống làm mát 55 3.1.5 Máy laser CO2 CNC 56 3.1.5.1 Nguyên lí thiết kế cấu hình máy sở: 56 ii 3.1.5.2 Hệ thống máy laser .58 3.2 Máy laser LC1000CNC công suất 1000w 61 3.2.1 Hệ thống laser FEHA 61 3.2.2 Cấu hình 62 3.2.3 Máy sở 64 3.3 Hình ảnh máy laser CO2 65 3.4 Hệ truyền dẫn tia laser đầu nhiệt luyện 67 3.5 Hệ điều khiển CNC .67 3.5.1 Các nút điều khiển mở rộng .68 3.5.2 Phần điều khiển đèn báo tín hiệu .68 3.5.3 Các công tắc phụ 69 3.5.4 Lệnh lập trình công nghệ cho nguồn phát laser 69 3.5.5 Các thông điệp báo lỗi vận hành máy 69 3.6 Điều khiển công suất 71 CHƯƠNG 73 THỰC NGHIỆM NHIỆT LUYỆN BẰNG TIA LASER 73 4.1 Giới hạn luận văn 73 4.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 74 4.2.1 Hệ thống LC1000- CO2 -CNC 74 4.2.2 Hệ thống gá chi tiết nhiệt luyện 77 4.2.2.1 Nhiệt luyện chi tiết phẳng 77 4.2.2.2 Phần mềm nhiệt luyện 78 4.2.2.3Thiết bị đo nhiệt độ 79 4.2.2.4 Hệ thống đo kiểm mẫu .80 4.2.2.5 Hình dạng hình học mẫu 80 4.2.2.6 Vật liệu gia công 80 4.3 Thiết kế thí nghiệm .81 4.3.1 Nội dung thí nghiệm 81 4.3.1.1 Tuyển chọn tham số thí nghiệm 81 iii 4.3.1.2 Kế hoạch thí nghiệm 82 4.3.1.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm 83 4.3.1.4 Thí nghiệm giai đoạn 1: .84 4.3.1.5 Thí nghiệm giai đoạn .84 CHƯƠNG 87 PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM 87 5.1 Phân tích đánh giá chung 87 5.2 Công nghệ nhiệt luyện laser 88 5.2.1 Ảnh hưởng tham số công nghệ lên chất lượng nhiệt luyện 88 5.2.2 Khả ngăn thất thoát carbon .91 5.2.3 Ảnh hưởng quét bề mặt nhiệt luyện 93 5.3 Kết luận phần thực nghiệm 94 5.4 Quy trình nhiệt luyện laser .95 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 97 Kết luận .97 Phương hướng nghiên cứu tiếp: .98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .99 PHỤ LỤC 101 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT c Vận tốc ánh sáng  Bước sóng (m) v Tần số xạ điện tử (Hz) h Hằng số Planck D Đường kính chùm chưa hội tụ f Tiêu cực thấu kính DOF Chiều sâu hội tụ dmin Đường kính hội tụ I0 Cường độ tia tới  Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào môi trường q Điện tích đơn vị k Hệ số dẫn nhiệt T Nhiệt độ x Phương truyền Heatvào Nhiệt trước truyền qua phần tử Heatra Nhiệt sau truyền qua phần tử Heatnhiệt tích Nhiệt giữ lại phần tử Heatnhiệt sinh Nhiệt phát sinh phần tử T0 Nhiệt độ ban đầu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại laser thường dùng công nghiệ p Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật LC1000C02-CNC Bảng 4.2 :Đặc tính vật liệu thí nghiệm nhiệt luyệ n v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser Hình 1.2 Dải bước sóng loại laser thường gặp Hình 1.3 Sơ đồ mức lượng laser Ruby Hình 1.4 Sơ đồ mức lượng tinh thể Nd tinh thể Nd:YAG Hình 1.5: Sơ đồ mức lượng laser CO2 Hình 1.6: Sơ đồ mức lượng laser – He Hình 1.7 Profile chùm laser hội tụ Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý máy phát laser rắn (Ruby laser) Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser CO2 Hình 1.10: Phân loại tổng quát ứng dụng laser Hình 1.11 Phân loại ứng dụng laser theo chuyển biến pha Hình 1.12: Sơ đồ hình thành dòng chảy lỏng vũng hàn Hình 1.13: Tiện kim loại có hỗ trợ tia laser Hình 2.1 : Đồ thị lượng laser theo chiều sâu vật chất Hình 2.2: Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt laser Hình 2.3: Biểu đồ cường độ lượng- thời gian tương tác laser với kim loại Hình 2.4: Một số chi tiết nhiệt luyện laser Hình 2.5: Thể va chạm tia X với bề mặt vật chất E-biên độ, -tần số , zkhoảng dịch chuyển theo hướng va chạm Hình 2.7: Tuần tự hấp thụ nhiệt công suất hấp thụ thay đổi Hình 2.8: Biểu đồchuyển biến mác thép nhiệt luyện Hinh 2.10:Biểu đồ chuyển biến nhệt luyện laser Hình 3.1: Nguyên lí hệ thống laser Hình 3.2: Kiểu hệ thống Laser CO2 Hình 3.3 : Quá trình kích thích thích phân tử hoạt chất Hình 3.4: Cấu hình số máy tia laser Hình 3.5: Hình ảnh cắt laser Hình 3.6: Bàn cắt máy laser Hình 3.7 : Kết cấu đầu laser CO2 vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu luận văn khoa học Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Người thực Nguyễn Thành Công LỜI NÓI ĐẦU Laser phát minh vĩ đại người kỷ XX Kỹ thuật laser có bước phát triển vượt bậc, ứng dụng rộng rãi nhiều ngành kỹ thuật công nghệ Từ ứng dụng đơn giản đồ dùng gia dụng hàng ngày đến ứng dụng hữu ích công nghệ y sinh, ứng dụng quan trọng công nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa học vật liệu… Hiện nay, giới phương pháp gia công không truyền thống ngày ứng dụng rộng rãi, đặc biệt phương pháp gia công tia, tia laser tập trung nghiên cứu phát triển phát huy hiệu ứng dụng to lớn ngành công nghiệp Lợi dụng khả sinh nhiệt laser tương tác với vật liệu, người ta sử dụng lase r để nhiệt luyện bề mặt Khả tích hợp nguồn laser máy sở CNC bổ sung cho phương pháp công nghệ lợi gia công tự động Ưu điểm quan trọng nhiệt luyện laser khả tăng cứng bề mặt tuyển chọn chịu mài mòn Ngoài ra, nhiệt luyện laser cho có lợi thế: Chi tiết bị biến dạng tối thiểu Tăng độ cứng, độ mài mòn giảm tính dòn chi tiết Khả nhiệt luyện chi tiết mỏng siêu mỏng Khả điều khiển trình nhiệt luyện Không bắt buộc công đoạn làm nguội riêng biệt Không cần xử lí sau nhiệt luyện Nắm bắt tiến tới làm chủ công nghệ nhiệt luyện laser CO2 nhiệm vụ không mang ý nghĩa lý thuyết mà có ý nghĩa thực tiễn đưa laser đến gần với thực tế sản xuất công nghiệp Nhiệm vụ luận văn đặt ra: - Tìm hiểu laser ứng dụng laser công nghiệp - Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện laser - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến trình nhiệt luyện thép dụng cụ để chế tạo chi tiết khuôn Vì lĩnh vực đề tài nhiều mẻ phức tạp, kiến thức hiểu biết thân nhiều hạn chế nên luận văn có hạn chế Tôi mong Thầy, Cô bạn đồng nghiệp góp ý, bổ xung để Luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Vinh, Thầy dẫn dắt định hướng, truyền đạt cho kiến thức quý báu học tập nghiên cứu, giúp hoàn thành luận văn Tôi chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Cơ khí xác Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội truyền đạt kiến thức cho trình học tập nghiên cứu Và xin cảm ơn Lãnh đạo Viện máy Dụng cụ Công nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm đào tạo bạn đồng nghiệp tạo điều kiện giúp hoàn thành luận văn Hà nội, ngày tháng năm 2010 Tác giả Nguyễn Thành Công Tôi bề mặt chi tiết laser CO2  Nhóm 3: Quét bề mặt Nghiên cứu quyét bề mặt nhằm mở rộng diện tích nhiệt luyện Thí nghiệm thực với giải pháp: a) giao thoa vết nhiệt luyện b) giao thoa vùng nhiệt luyện 1mm, e Nhiệt luyện quét bề mặt Kết sơ ( С) Thông số đầu vào TT Vùng Công Chiều cao Vận tốc Môi giao suất ( mm ) (W) 800 50 100 tự nhiên Không đo nhiệt không chảy 800 50 100 tự nhiên độ (mm/min) trường Nhiệt độ bắt đầu làm mát 86 Vết bề mặt kết thúc không cháy Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 CHƢƠNG PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM 5.1 Phân tích đánh giá chung Từ kết đo độ cứng theo chiều sâu thấm tôi, nhận thấy, độ cứng giảm dần theo chiều sâu thấm Do lượng laser giảm nhanh theo chiều sâu tương tác nên nhiệt độ giảm tương đương, Như đến độ sâu định, nhiệt độ không đủ cho a)Tiết diện ngang vết nhiệt luyện với v=3,5mm/giây, chiều rộng vết 6mm /5/ việc chuyển đổi pha thành austenit (nhiệt độ thấp A1) Đó nơi hình thành biên lớp thấm Như lớp phần không hình thành vùng biên mỏng – vùng ảnh hưởng nhiệt, phân biệt mắt thường ảnh vi cấu trúc Lớp thấm phụ thuộc vào lượng carbon thành phần hợp kim kim loại Nhìn chung, tiết diện ngang vùng nhiệt luyện có dạng hình b: SKD11 chiều rộng 5mm v=100mm/s P800W (kết thực nghiệm IMI) Hình 5.1 : Tiết diện ngang vết nhiệt luyện với CO2 5.1.Việc chiều sâu thấm không đều, có dạng cung nhược điểm nhiệt luyện với laser CO2 Nguồn lượng phân bố theo biểu đồ Gaus gây nên phân bố nhiệt tương ứng theo chiều sâu thấm Kết nghiên cứu Hình 5.2 Vết nhiệt luyện a) không đìêu chỉnh tốc độ b) có điều chỉnh tốc độ phù hợp với kết công bố 87 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 Do thời gian nung nóng nhanh, thời gian giữ nhiệt gần không nên hạt austenit thời gian phát triển lớn Đó lí mà vi cấu trúc mẫu nhiệt luyện thể độ hạt mịn, nhỏ Thí nghiệm giai đoạn cho thấy: không điều chỉnh nhiệt độ vùng ra, nhiệt lượng vùng tia chí đạt đến giá trị nóng chảy (hình 5.2a.) Điều khiến cho ý tưởng cần điều chỉnh tăng tốc vùng để giảm thời gian trương tác laser- vật liệu Kết quả, tất thí nghiệm giai đoạn thực với điều chỉnh, tăng tốc dần đến lần giá trị cho trước, thể tính khả quan: diễn biến nóng chảy, đông đặc lại vùng mà độ cứng đạt cao 50 5.2 Công nghệ nhiệt 40 5.2.1 Ảnh hƣởng tham số HRC luyện laser công nghệ lên chất lƣợng Ảnh hưởng công suất đến độ cứng nhiệt luyện bề 20 10 nhiệt luyện Ảnh hƣởng công suất 30 10 20 30 40 50 P820 33 35 37.5 37 43 P840 34 38.5 41.5 38 45 Hình 5.3: diễn biến độ cứng dọc vết theo ảnh hưởng công suất 800 cứng HRC thể đồ thị 600 vật liệu thép HV mặt theo dọc vết đo theo độ hình 5.3 400 45.Trong giới hạn thí nghiệm 200 (P=820W 840W), với tốc độ cho trước (100mm/phút) độ cứng mẫu nhiệt luyện tỉ lệ thuận với chiều tăng công suất Tuy nhiên mm 50 150 250 350 450 P800 487 487 373 320 295 P820 566 566 566 487 373 P840 617 617 617 621 373 µm Hình 5.4: Quan hệ độ cứng độ thấm tôi-công suất laser chênh 20 W nên kết thể khác không rõ rệt Từ kết này, nhận xét độ cứng 88 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 nhiệt luyện không đều, có xu hướng tăng từ vùng vào đến vùng hướng ti a, độ chênh đến 10% so với giá trị trung bình chúng Việc tăng giá trị độ cứng do, theo lập trình CNC, cuối đường thẳng tốc độ dịch chuyển dụng cụ (ở tia laser) tự động điều chỉnh giảm tốc, khiến cho thời gian tương tác laser chi tiết dài Hơn vùng vào, nhiệt độ nhiệt luyện đơn nhiệt chuyển hoá từ lượng laser Nhiệt này, tích luỷ phần vật liệu đường lan truyền khuyếch tán môi trường xung quanh Lượng nhiệt tích tụ khiến cho nhiệt độ cục điểm tương tác với laser tiếp sau sau cao trước đạt đỉnh vùng tia Ảnh hưởng công suất đến độ cứng theo chiều sâu thấm độ sâu thấm thể đồ thị 5.4 Trong phạm vi công suất thí nghiệm (P800-P860) nhận thấy, độ cứng độ đồng độ cứng theo chiều sâu thấm tỉ lệ thuận với công suất laser ảnh hưởng công suất đến chiều sâu thấm không thật rõ rệt, Từ kết thí nghiệm sơ giai đoạn 1, nhận thấy với thông số công nghệ lựa chọn cố định, đến giá trị ngưỡng công suất bề mặt vật liệu nóng chảy thí nghiệm với công suất 800W đo với thiết bị đo độ cứng HRC Viện IMI cho thấy kết quả, tức độ cứng không tăng Với kết quả, lượng sử dụng khoảng 8085 700 % 600 công suất (1000W) mà độ 500 đạt tới 48HRC54,6HRC cho 400 HV cứng thép 45 nhiệt luyện 300 200 100 50 150 250 350 400 450 550 650 750 850 vùng công suất thích hợp v100 487 487 373 320 295 để thực v70 583 583 583 583 535 488 375 295 v50 621 621 621 621 621 593 565 469 334 295 nhiệt luyện phạm vi tốc độ lựa chọn Hình 5.5: quan hệ tốc độ- độ cứng theochiều sâu thấm tôi- ảnh hưởng tốc độ 89 µm Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 Ảnh hƣởng tốc độ Từ kết đo nhận thấy độ cứng bề mặt chi tiết tăng tốc độ giảm Nhưng có can thiệp việc tăng tốc độ cuối vết nhiệt luyện nên điều kiện thí nghiệm đánh giá diễn biến thực, can thiệp hợp lí chênh lệch nhiệt độ theo vết nhiệt luyện không 5% giá trị độ cứng trung bình Ảnh hưởng tốc độ đến độ cứng theo chiều sâu thể hình 5.5 Có thể nhận thấy , độ cứng tăng tỉ lệ nghịch với tốc độ, dù chênh lệch phạm vi nghiên cứu thể không lớn Sự khác thể độ sâu thấm Có thể nhận thấy chiều dày thấm tỉ lệ nghịch với tốc độ dịch chuyển nguồn tia, tức chiều dày thấm đạt cao tốc độ dịch chuyển tia chậm Độ cứng đồng theo chiều sâu tốc độ chậm đạt cao tỉ phần đồng khác biệt vận tốc thấp vận tốc cao Như vậy, mẫu v50 (tốc độ 50mm/phút, độ cứng đồng 2/3 chiều sâu thấm mẫu v100 (tốc độ 100mm/phút 1/3) Sự khác biệt từ nguyên nhân, tốc độ di chuyển nguồn chậm hơn, thời gian tương tác laser- vật liệu cao hơn, đủ thời gian cho nhiệt thấm sâu hơn, tạo miền nhiệt độ lớn A1 vùng đồng theo chiều sâu tương ứng Trong thí nghiệm sơ giai đoạn 1, nhận thấy tốc độ có giá trị ngưỡng, xuất nóng chảy vật liệu chuyển biến pha thành austenit Trong phạm vi nghiên cứu nhận thấy vùng tốc độ thích hợp để nhiệt luyện với laser CO2 cho P 800W -860 W khoảng 5070mm/phút Ảnh hƣởng khoảng cách phân kì tia Từ kết thí nghiệm nhận thấy độ cứng trung bình bề mặt nhiệt luyện tỉ lệ nghịch với khoảng cách phân kì tia Khoảng cách phân kì tia ảnh hưởng định đến kích thước (diện tích) vùng nhiệt luyện, theo nguyên tắc lệ thuận, độ cứng nhiệt luyện ngược lại giảm khoảng cách phân kì tăng Tuy nhiên, nhận thấy: công suất laser tốc độ dịch chuyển nguồn cho trước, tồn khoảng cách ngưỡng xuống 90 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 bề mặt chi tiết bị nóng chảy mật độ lượng vượt giá trị tới hạn, ngưỡng kia, vượt lượng không đủ để chuyển pha nhiệt luyện Vấn đề lựa chọn khoảng cách phân kì bị ảnh hưởng yêu cầu độ cứng chiếu rộng vết nhiệt luyện nguồn công suất laser định Thường kích thước vết nhiệt luyện đầu vào quy trình nhiệt luyện, từ định đến lựa chọn thiết bị (trong điều kiện đặt hàng) Ảnh hƣởng chế độ làm mát Kết độ cứng nhiệt luyện thép C45 môi trường làm mát không khí, nước dầu ( mẫu thép C45 môi trường khí tự nhiên thực đo HRC doc theo vết nhiệt luyện Viện Máy Dụng cụ công nghiệp) Điều giải thích việc làm nguội thực tức thời tương tác laser- vật liệu kết thúc có ảnh hưởng nhiệt lan truyền lượng tương tác laser-vật liệu kế cận tốc độ làm mát cao , 700 OC/giây (theo kết đo thí nghiệm) Sự làm nguội điểm laser qua điễn biến nhanh , có tác động trước kết thúc trình quét laser Do vậy, việc nhúng nước nhúng dầu chi tiết sau không ý nghĩa Làm mát nước dầu có hiệu ứng chúng thực song hành với việc chiếu chùm tia laser Tuy nhiên việc đem đến phức tạp cho cấu hình thiết bị xét cho không cần thiết mà thí nghiệm kết luận môi trường không khí, chi tiết nhiệt luyện laser tự làm mát đạt độ cứng khả quan, theo yêu cầu kĩ thuật kết thí nghiệm đạt 5.2.2 Khả ngăn thất thoát carbon Xem xét khả ngăn thất thoát Carbon thực nhiệt luyện khí Ni Các vật liệu thép C45, SKD11 loại thép có hàm lượng carbon tương đối cao Kết chụp kim tương mẫu cho thấy có lớp phủ oxýt sắt bề mặt (hình 5.6) Việc hình thành lớp phủ kết thất thoát carbon (theo lí thuyết oxy hoá thường với thất thoát carbon), 91 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 tốc độ nung nóng vật liệu cao, nên thời gian để tạo thành phản ứng hoá học tạo thành Hình 5.6 Tế vi SKD11 (200X)nhiệt luyện Hình 5.7 tế vi SKD11 luồng Ni bar (200X) 600 500 Hv 400 300 200 100 50 150 250 350 450 0x0 565 565 425 373 355 1x0 373 373 355 355 330 1x1 373 295 239 H ình 5.8 Độ cứng -chiều sâu thấm miền nhiệt luyện quét tia l aser oxýt sắt cực ngắn, tạo nên lớp cực mỏng ví dụ SKD11, loại có tới 0,9%C lớp phủ khoảng 33,38m Đây lí để hình thành định nghiên cứu nhiệt luyện môi trường Ni Ảnh vi cấu trúc vật liệu nhiệt luyện mẫu SKD11 luồng nitơ 2bar thể hình 5.7 Nhận xét, hình phóng đại 200x thấy lớp oxuýt sắt giảm đáng kể, nhiên không phân biệt ranh giới miền nhiệt luyện Nhận dạng biên thực đo kiểm độ cứng theo chiều sâu (ở mũi đo thứ khoảng 450 m) Hiện tượng chưa công bố cần làm thực nghiệm 92 µm Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 nhiều để khẳng định tính xác cho kết luận Hình 4.11 thể đồ thị cho thấy độ cứng nhiệt luyện dòng Ni giảm xuống đáng kể Lí dòng Ni 2bar có tính đối lưu phần làm hạ nhiệt miền nhiệt luyện (dòng khí đến lúc với dòng tia,) mang đến kết không mong muốn Trường hợp laser tương tác với vật liệu môi trường Nitơ (Ni tĩnh) kết khác Đây dự đoán mà nghiên cứu chưa t hực 5.2.3 Ảnh hƣởng quét bề mặt nhiệt luyện Quét bề mặt tạo khả 100% bề mặt chi tiết nhiệt luyện Tuy nhiên ảnh hưởng tương tác nhiệt ảnh hưởng đến kết nhiệt luyện Điều dự đoán có sở Kết độ cứng theo chiều sâu thấm vùng nhiệt luyện quyét theo chế độ thể đồ thị hình 5.8 Vi cấu trúc miền thể hình 5.9, với A vi cấu trúc miền nhiệt luyện, Bmiền nhiệt luyện chèn C- vật liệu Ở mẫu h5.9a, miền nhiệt luyện nằm cạnh miền chèn, độ cứng nhiệt luyện (đường 0x0) đạt tương đương nhiệt luyện “vết đơn” Tại biên miền vùng chưa nhiệt luyện Đường (1x0) thể độ cứng - chiều sâu thấm A tâm vết đường (1x1) độ cứng- theo chiều sâu thấm a) giao vùng 0mm miền chèn So với kết nhiệt C luyện đường đơn, kết độ cứng miền thấp Hiện tượng có nguyên nhân là: quét tia kề bên “vết” vừa qua nhiệt, thay hạ nhiệt nhờ đối lưu với môi trường tự nhiên vết lại gia nhiệt lần Hiện tượng gọi Hình 5.9 93 B b) giao vùng 1mm : biên vùng chèn nhiệt Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 tượng “tôi ngược” Sự làm giảm tốc độ làm nguội gây cho vùng có độ cứng thấp vùng “dè” vết Tuy nhiên nhận xét, độ cứng vùng cải thiện so với kim loại 5.3 Kết luận phần thực nghiệm  Các tham số công nghệ có ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt luyện, đó, mối quan hệ độ cứng nhiệt luyện với công suất laser tỉ lệ thuận với tốc độ di tia, chiều cao phân kì tia tỉ lệ nghịch  Hàm lượng carbon vật liệu định độ cứng chiều sâu thấm  Tôi laser thực môi trường không khí tự nhiên tính tự ram Điều làm cho công nghệ trở nên đơn giản bước  Quét laser bề mặt mở rộng vùng nhiệt luyện, nhiên việc chèn vùng nhiệt luyện làm cho vùng vùng lân cận lại gia nhiệt chưa nguội hoàn toàn, tạo trạng thái thường hoá (nhiệt độ nung nóng kéo dài), làm cho độ cứng vùng bề mặt giảm Kết nhiệt luyện bề mặt quét chắn cải thiện sử dụng thiết bị có tốc độ quét cao thiết bị có công suất đủ lớn, tạo vết nhiệt luyện rộng, cho ảnh hưỏng nhiệt tính cục không đủ để ảnh hưởng vùng nhiệt luyện 94 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 5.4 Quy trình nhiệt luyện laser CO2 Quy trình mang tính định giúp thực nhiệt luyện tia laser máy cắt LC1000C02-CNC thiết bị cắt nhiệt luyện laser khác Bước 1: khảo sát chi tiết (hình dáng hình học, vật liệu, vùng nhiệt luyện) để định hướng công nghệ, tính toán cần thiết tia đơn hay quét tia Bước 2: thực phun phủ màu (sơn) tối lên bề mặt cần nhiệt luyện thực nhiệt luyện với nguồn laser khí laser rắn Bước 3: Chọn chế độ công nghệ bao gồm công suất laser, tốc độ di tia, chiều cao phân kì tia- điều khiển nguồn laser tốc độ sở hình học vết nhiệt luyên , cho mật độ lượng khoảng 10 W/cm2-10 W/mm2 Bước 4: Sử dụng liệu bước đặc tính vật liệu để tính sơ nhiệt độ vùng nhiệt luyện với chương trình tính nhiệt (hoặc mô hình toán tính nhiệt độ tương ứng), so sánh với nhiệt độ tương đương phương pháp truyền thống (tuỳ theo loại thép) Trường hợp chênh lệch nhiều cần chọn lại chế độ công nghệ bước 3, cho nhiệt độ nằm khoảng AC (phụ thuộc vào lượng carbon thép) Bước 5: Sử dụng chương trình quét bề mặt, kết nghiên cứu đề tài (hoặc chương trình CAD/CAM tương ứng) để mô 2D :  Dịch chuyện theo contur vết cần nhiệt luyện  Quét theo contur vết cần nhiệt luyện (nếu cần thiết) sinh chương trình NC kết phần mềm CAM Bước 6: gá phôi chạy máy Gia công với tia laser lực cắt nên trường hợp nhiệt luyện bề mặt 2D, đặt phôi trực tiếp lên bàn máy thiết bị Nếu chi tiết có biên dạng dặt trực tiếp bàn máy để lên đế phẳng nằm bàn máy Tại bước phải thực tuần tự:  Chuẩn hoá điểm phôi  Mở van loại khí tạo laser khí CO2 Khởi động môdun làm mát 95 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2  Gọi chương trình NC tương ứng lập sẵn nhập từ chương trình quét bề mặt (hoặc phần mềm CAM tương ứng)  Chạy máy 96 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Kết luận Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, nghiên cứu thực hạng mục: Nghiên cứu tổng quan nhiệt luyện nói chung, nhiệt luyện tia laser nói riêng tuyển chọn phương pháp bề mặt để thực nghiên cứu sâu thông qua thí nghiệm khuôn khổ phòng thí nghiệm công nghệ đặc biệt -Viện IMI Nghiên cứu hệ thống thiết bị nhiệt luyện laser chuyên dụng nhằm bổ sung phần cứng phần mềm cho thiết bị LC1000 CO2–CNC phù hợp với công nghệ tuyển chọn Trong khuôn khổ phần này: đầu phun thiết kế chế tạo; mộ t phần mềm quét bề mặt nhiệt luyện 2D phần mềm tính nhiệt theo mô hình dòng nhiệt di chuyển chiều xây dựng Các thiết bị bổ sung phần mềm sử dụng suốt trình thí nghiệm Nghiên cứu thực xác định tham số thích hợp cho nhiệt luyện bề mặt thông qua nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng nhiệt luyện tham số công nghệ như: công suất laser, tốc độ dịch chuyển tia, khoảng cách tia phân kỳ môi trường làm mát Việc nung nóng làm nguội cục , thời gian nung nhanh, không đủ thời gian để austenit phát triển lớn, thời gian làm mát nhanh không đủ thời gian để diễn phản ứng carbon với oxy, gây thất thoát carbon làm cho chất lượng nhiệt luỵện tia laser dường cao so với phuơng pháp nhiệt luyện truyền thống So với công nghệ nhiệt luyện bề mặt truyền thống, nhiệt độ nung tia laser cần cao vật liệu thép tương đương Mặc dù nguồn laser CO2 có phân bố lượng theo quy luật Gaus, cho độ sâu thấm không thật tiết diện nhiệt luyện Nhưng kết đạt luận văn tương đồng với kết nghiên cứu công bố ứng dụng thực tế Từ kết thực nghiệm kết luận, máy LC1000- CO2 CNC sử dụng để nhiệt luyện bề mặt chi tiết 2D hình trụ Với đặc tính kỹ thuật thiết bị kết luận vùng tham số công nghệ P(800÷900W), v(50÷100mm/phút), H 97 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 (40÷60mm) thích hợp cho nguyên công bề mặt Việc nhanh chóng nung nóng bề mặt kim loại đến nhiệt độ vùng austenit, nhiệt độ hạ nhanh nguồn nhiệt qua khỏi điểm vật chất làm cho bề mặt hình thành matenxit, có độ cứng cao (HRC 35-65), chịu mài mòn tốt Việc ảnh hưởng nhiệt điểm tới có tác dụng ram phần vừa làm nguội nên phương pháp nhiệt luyện gọi tự ram Phương pháp thể ưu nhiệt luyện vùng nhỏ, “cục bộ“ tốc độ nhiệt luyện nhanh Và cho dù nhược điểm độ sâu thấm không đều, nhiệt luyện tia laser đáp ứng yêu cầu kỹ thuật nhiệt luyện bề mặt, đặc biệt phù hợp cho sản xuất loạt nhỏ Phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp: Thời gian tập trung vào ứng dụng công nghệ cho số sản phẩm (tôi bề mặt phân khuôn, trục ) nghiên cứu hướng chế độ nhiệt luyện theo phương pháp quét bề mặt nhằm thay phương pháp bề mặt truyền thống cho sản xuất nhỏ 98 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 [ ] E Kennedy , G Byrne , D N Collins A REVIEW OF THE USE OF HIGH POWER DIODE LASERS IN SURFACE HARDENING, Journal of Materials Processing Technology Volumes 155-156 , 30 November 2004, Pages 1855-1860 [ ] J Rana, GL Goswami, S.K Jha, P.K Mishra, B.V.S.S.S.Parasad, EXPERIMENTAL STUDIES ON THE MICROSTURUTE AND HARDNESS OF LASER-TREATED STEEL SPECIMENTS, Optics & Laser Technoloy, ELSEVIER 2005 [ ] Dieter schuocker HIGH POWER LASERS IN PRODUCTION ENGINEERING [ ] Mohammed Naeem, HEAT TREATING WITH LASERS, heat treating progress, Mai/june 2005 [ ] Leonard Migliore, HEAT TREATING WITH LASERS Advanced Materials & Processes, August 1998\ [ ] J Mazunder W.M Steen, HEAT TRANSFER MODEL FOR CW LASER MATERIAL PROCESSING, Journal application Physics, page 941-947, 1980 [ ] J Hannweber, S Bonss, B Brenner, E Beyer, INTEGRATED LASER SYSTEM FOR HEAT TREATMENT WITH HIGH POWER DIODE LASER, Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004 [ ] Michael Bass, LASER MATERIALS PROCESSING, North-holand publishing company Amsterdam-New York Oxford, 1983 [ ] Wlliam M Steen, LASER MATERIALS PROCESSING, Springer –Verlage London Limited, 1998, 99 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 [ 10 ] M Heitkemper, A Ficher, Ch Bohne and orther , LASER SURFACE TREATMENT OF THE HIGH NITROGEN STEEL X30CRMON151, th International Tooling Conference,2005 [ 11 ] Marc Miralles, LASER HARDENING OF CUTTING TOOLS, master thesis report , Lubra University of Technology, 2002 [ 12 ] Maria Aparecida Pinto; Maria Clara Filippini Ierardi*; Amauri Garcia, MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIAMENTAL ANALYSIS OF THE HARDNED ZONE IN LASER TREATMETN OF A 1045 AISI STEEL, Materials Research Volume nr 2, 2004 [ 13 ] United States Patent No 4195913; 4475027, OPTICAL BEAM HOMOGENIGER , www.freepatentsonline.com/4475027.html; [ 14 ] Dietman Hömberg, Wolf Weiss, PID-CONTROL OF LASER SURFACE HARDENING OF STEEL Edited by Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS),2000 [ 15 ] Rusian Steels and Alloys (Marochnik), www.spalav.kharkov.com/e_mat_start.ph [ 16 ] Geary, Joseph M., STRIP MIRROR INTEGRATOR FOR LASER BEAM UNIFORMITY ON A TARGET, Optical Engineering (ISSN 0091-3286), vol 28, Aug 1989, p 859-864 [ 17 ] Cizek Lubomir, Greger Miroslav, Hernas Adam, STRUCTURE AND PROPERTIES OD THE SURFACE LAYER OF A ENGINEERING AFTER LASER HARDENING TREATMENT ,proceedings of th Seminar of theInternational Ferdation for Heat Treatment and Surface engineering IFHTSE 2001 [ 18 ] Nghiêm Hùng VẬT LIỆU HỌC, giáo trình dùng cho ngành khí , trường ĐH bách khoa Hanội , 1999 [ 19 ] United States Patent 4172629, KAEIDOSCOPE, http://www.wikipatents.com/4172629.html 100 ... 14 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 1.5.1 Máy phát laser rắn Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý máy phát laser rắn (Ruby laser) 1.5.2 Máy phát laser khí Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý máy phát laser CO2 15 Tôi bề. .. m Laser lỏng Laser lỏng loại Laser sử dụng hoạt chất chất lỏng So với Laser rắn Laser khí, Laser lỏng có ưu điểm sau: - Không phải gia công hoạt chất xác Laser rắn Tôi bề mặt chi tiết laser CO2. .. mức laser Bước sóng laser CO2 9,6 10,6 m, nhiên xác suất dịch chuyển 10,6 m lớn nhiều lần so với dịch chuyển 9,6 m Hình 1.5: Sơ đồ mức lượng laser CO2 12 Tôi bề mặt chi tiết laser CO2 Laser