1. Princípios Técnicos e Processo Básico
A têmpera a laser é um método de tratamento de superfície cada vez mais comum nas fábricas nos últimos anos. Simplificando, envolve o uso de um feixe de laser de alta-energia para irradiar rapidamente a superfície de uma peça de metal, aquecendo uma camada muito fina da superfície do metal a uma temperatura muito alta em um tempo extremamente curto e, em seguida, contando com o resfriamento rápido da própria peça, tornando a superfície muito dura e{2}}resistente ao desgaste.
Na verdade, esse processo tem semelhanças com a têmpera tradicional; ambos obtêm uma microestrutura dura através do resfriamento rápido. No entanto, a têmpera a laser tem características próprias: aquece apenas uma camada superficial muito fina, deixando o interior da peça praticamente inalterado, resultando em uma distorção muito pequena. Além disso, o feixe de laser pode se mover de forma flexível e pode tratar peças com formatos complexos, o que é difícil de ser alcançado pelos métodos tradicionais de têmpera.
2. Como funciona a extinção a laser
Quando um feixe de laser atinge uma superfície metálica, a energia é absorvida pelo metal e a temperatura da superfície aumenta rapidamente. Para o aço comum, a temperatura precisa ultrapassar 800 graus Celsius, ponto em que a microestrutura do aço se transforma em austenita. Neste momento, o feixe de laser se afasta e o calor é rapidamente conduzido para o material de base interno frio a uma taxa de resfriamento que pode atingir dezenas de milhares de graus Celsius por segundo. Sob um resfriamento tão rápido, a austenita se transforma em martensita dura.
Existem vários pontos-chave neste processo: a taxa de aquecimento deve ser rápida o suficiente para que o material base não tenha tempo de aquecer; a taxa de resfriamento também deve ser rápida o suficiente para obter uma microestrutura martensítica fina. A têmpera a laser pode atender com precisão a esses requisitos. Ele pode completar o aquecimento em um milésimo de segundo e, em seguida, contar com a rápida dissipação de calor do próprio material de base.
3. Principais características da têmpera a laser
Pequena distorção é a vantagem mais óbvia da têmpera a laser. Como apenas uma fina camada superficial é aquecida, a mudança geral de temperatura da peça é mínima, resultando em baixo estresse térmico. Portanto, a quantidade de distorção é geralmente apenas um{2}}décimo da extinção tradicional. Isto é particularmente importante para peças de precisão.
A alta dureza é outra característica. O rápido aquecimento e resfriamento do laser produzem uma microestrutura martensítica muito fina. Esta microestrutura é mais fina que a obtida na têmpera convencional e também mais dura. Por exemplo, para o aço 45, a dureza de têmpera convencional é de cerca de 55 HRC, enquanto a têmpera a laser pode atingir 60-65 HRC.
A boa seletividade proporciona à têmpera a laser uma vantagem significativa. O feixe de laser consegue controlar com precisão a área irradiada, tratando apenas as partes que necessitam de endurecimento. Por exemplo, as superfícies dos dentes das engrenagens ou as superfícies de trabalho dos trilhos-guia podem ser endurecidas enquanto outras áreas permanecem inalteradas.
O alto grau de automação também é digno de nota. Todo o processo de têmpera pode ser controlado por computador, com parâmetros estáveis e boa repetibilidade, adequado para produção em massa.
4. Controle de processo para têmpera a laser
Para realizar bem a têmpera do laser, vários parâmetros importantes precisam ser controlados.
A potência do laser determina a quantidade de energia de entrada. Se a potência for muito baixa, a temperatura da superfície não atenderá aos requisitos; se for muito alto, pode queimar a superfície. Geralmente é selecionado com base no tipo de material e nos requisitos de profundidade de endurecimento, normalmente variando entre 500-5000 watts.
A velocidade de digitalização refere-se à velocidade de movimento do feixe de laser. Se a velocidade for muito lenta, acumula-se calor excessivo, afetando potencialmente o material de base; se for muito rápido, o aquecimento será insuficiente e a transformação microestrutural será incompleta. Este parâmetro precisa ser ajustado em conjunto com a potência.
O tamanho do ponto afeta a densidade de energia e a largura da banda endurecida. Uma pequena mancha significa energia concentrada, resultando em uma camada endurecida profunda, mas estreita; uma mancha grande significa uma faixa larga e endurecida, mas uma camada rasa. Em aplicações práticas, deve ser escolhido com base no formato da peça e nos requisitos de endurecimento.
A taxa de sobreposição precisa ser considerada ao tratar grandes áreas. Para cobrir toda a área, os caminhos de varredura do feixe de laser precisam se sobrepor parcialmente. Pouca sobreposição deixa zonas não endurecidas; muita sobreposição pode causar amolecimento do revenido. Geralmente, controlá-lo entre 10-30% é apropriado.
5. Pontos-chave de tratamento para diferentes materiais
Diferentes materiais reagem de maneira diferente à têmpera a laser, exigindo processos diferentes.
Os aços de médio-carbono estão entre os materiais mais adequados para têmpera a laser. Materiais como aço 45 e 40Cr têm teor moderado de carbono, podem atingir alta dureza após têmpera e são menos propensos a rachaduras. Durante o processamento, a densidade de potência pode ser apropriadamente maior e a velocidade de digitalização também pode ser mais rápida.
Aços ferramenta como Cr12MoV, H13, etc., apresentam melhor temperabilidade devido à presença de elementos de liga. A têmpera a laser pode atingir uma camada endurecida mais profunda, mas deve-se prestar atenção ao controle da temperatura de aquecimento para evitar superaquecimento.
Os materiais de ferro fundido também podem ser submetidos à têmpera a laser. Porém, devido à presença do grafite, é necessária atenção especial durante o processamento. A potência não pode ser muito alta, caso contrário o grafite se decomporá e criará poros. Geralmente, o pré-tratamento da superfície é necessário primeiro para melhorar a absorção do laser.
Metais não-ferrosos, como ligas de alumínio, ligas de titânio, etc., apresentam efeitos menos óbvios da têmpera a laser em comparação com o aço, mas ainda podem alcançar algum efeito de fortalecimento. É necessário um controle de parâmetros mais preciso durante o processamento.
6. Importância do Pré-tratamento de Superfície
Muitos materiais metálicos têm alta refletividade para lasers, especialmente materiais como alumínio e cobre, onde a maior parte da energia do laser é refletida. Para melhorar a eficiência de absorção da energia do laser, é necessário tratamento de superfície antes da têmpera.
O tratamento de fosfatização é um método comumente usado. Uma camada de revestimento de fosfato é formada na superfície, que absorve bem a energia do laser. Após o tratamento de fosfatização, a taxa de absorção do aço pelo laser pode aumentar de cerca de 30% para mais de 70%.
O revestimento com tinta-absorvente de luz também é muito comum. Existem no mercado tintas projetadas especificamente para tratamento térmico a laser. Uma fina camada revestida na superfície pode melhorar significativamente a absorção. Essas tintas queimam durante o processo de têmpera e não permanecem na superfície.
A rugosidade da superfície também pode melhorar a absorção. Métodos como o jato de areia tornam a superfície áspera, aumentando a absorção do laser. Porém, observe que a rugosidade deve ser apropriada; muito áspero pode afetar a qualidade da superfície.
7. Pontos-chave para configuração de equipamentos
Um sistema de extinção a laser inclui principalmente um laser, sistema de movimento, sistema de resfriamento e sistema de controle.
O laser é o componente principal. Lasers de fibra e lasers semicondutores são comumente usados atualmente devido à sua alta eficiência de conversão eletro{1}}óptica e manutenção relativamente simples. A seleção de energia depende das necessidades de produção. Geralmente, cerca de 1.000 watts são suficientes para peças pequenas, enquanto peças grandes podem exigir mais de 3.000 watts.
O sistema de movimento controla o movimento relativo entre a cabeça do laser e a peça de trabalho. Existem tipos de mesa de trabalho móvel, tipos de cabeça de laser móvel e tipos de braço robótico. A escolha depende do tamanho e formato da peça. Superfícies curvas complexas normalmente requerem sistemas de ligação multi{3}}eixos.
O sistema de refrigeração é muito importante. O próprio laser precisa de resfriamento e a peça de trabalho também precisa de resfriamento adequado durante a têmpera. O resfriamento a água é geralmente usado, garantindo fluxo e temperatura estáveis da água de resfriamento.
O sistema de controle agora é controlado-por computador. Ele pode armazenar vários conjuntos de parâmetros de processo para recuperação direta durante a operação. Um bom sistema de controle também pode monitorar os parâmetros do processo em tempo real e ajustá-los automaticamente para garantir uma qualidade consistente.
