ALOtec GmbH i - ALOtec Dresden

ALOtec Dresden GmbH, Dr. – Ing. Steffen Schubert
Lazer ile makina parçalarının ve iş takımlarının yüzey
sertleştirme işlemi
1. Sertleştirme işlemine genel bakış
2. Makina parçalarının ve takımların yüzey sertleştirilmesi işleminde yüksek
güçlü diyot lazer
3. ALOtec firmasındaki uygulamalar ve güncel bilgiler
4. Özet
1. Sertleştirme işlemine genel bakış
Yüzey sertleştirme işlemi malzemenin sertliğini ve aşınma dayanımını arttırmak için uygulanır. Lazer ışını
ile yüzey sertleştirme yaklaşık on yıldır endüstride elverişli bir şekilde uygulanmaktadır ve giderek önemi
artmaktadır. CO2-Lazer, fiber lazer ve Nd:YAG lazer çeşitlerinin yanı sıra direk yayılan ve fiber ile kuple
edilmiş yüksek güçlü diyot lazer (HLDL) kullanılmaktadır. HLDL çok kısa dalga boyu aralığında
çalışmaktadır. Bu nedenle enerjinin malzemeye absorbe edilmesi diğer lazer kaynaklarına göre daha
verimlidir ve bu verimlilik oranı yaklaşık %35‘tir.
Sertleştirilebilen malzemeler yapı çeliği, ıslah çeliği, takım çeliği ve çelik dökümün yanısıra farklı dökme
demir çeşitleri örneğin lamel ve küresel grafitli gri dökme demir malzemelerdir. Direk sertleştirilebilen
malzemelerde en az %0.22 kütle oranında karbon bulunma şartı vardır. Aynı zamanda karbon ve
nitrürleme ile sertleştirilmiş çelikler de HLDL ile sertleştirilebilirler. HLDL ile yüzey sertleştirme işlemi
sırasında parça yüzeyi 1000 K/sn sıcaklık artış hızı ile malzemenin östenitleşme sıcaklığına kadar ısıtılır.
-3
Bu sıcaklıkta bekleme süresi yaklaşık olarak 10 sn ile 10 sn arasındadır. Soğuma hızı parça içine doğru
gerçekleşen ısı iletimi ile belirlenir. Normal durumda atmosfer koşullarında çalışılmaktadır ve malzeme
yüzeyinde önemsenmeyecek kadar az bir oksit tabakası oluşur, ki bu oksit tabakası istenirse zahmetsiz
bir şekilde giderilebilir. Prensipte oksit oluşumu lazer sertleştirme işlemi sırasında koruyucu gaz
kullanımıyla engellebilir. Sertleştirilmiş malzemenin mikro yapısı diğer sertleştirme yöntemlerinde oluşan
mikroyapıya nazaran belirgin biçimde küçük tanelidir. Sertlik değerleri buna bağlı olarak martenzit
oluşumu ile elde edilebilecek en üst değerlere ulaşmaktadır. En fazla ulaşılabilen sertleştirme derinliği
malzemeye bağlı olmakla beraber yaklaşık 1.5 mm‘ye kadar mümkündür. Yüksek alaşımlı çeliklerde
kısmen daha fazla derinliklere ulaşılabilir.
2. İş takımların ve makina parçalarının yüzey sertleştirilmesi işleminde yüksek güçlü diyot lazer
Hangi sertleşme işleminin uygulanacağına her zaman parçada elde edilmesi istenen fonksiyona göre
karar verilmelidir, mevcut bulunan sertleştirme teknolojisi gibi nedenlere bağlı olarak değil. Sertleşme
işleminin geleneksel olarak uygulanması ya da yüksek sertleşme derinliğine ve konstruksiyon güvenliğine
yönelik nedeni açıklanamayan istek artık geçmişte kalmalıdır. Çok sert parçaların talaşlı imalat ve işleme
masrafları azaltılmalıdır. Geleneksel yöntemlerle yapılan sertleştirme işleminde önceki talaşlı işlemeden
parçada kalan gerilmeler yüksek ısı girmesi sırasında tüm parça boyunca serbest kalır. Bu durum parçada
çarpılmaya yol açar, ki bu üretim planlamada sorunlara yol açabilir. Sonuç olarak sertleştirilmiş parça çok
masraflı işlemlerden geçmek zorundadır. Amaç parçaları „yumuşak“ durumda, yani sertleştirmeden önce,
son noktaya kadar işlemektir. Bunun için parçada çarpıklığa yol açmayan sertleştirme yönteminin
uygulanması gereklidir. HLDL ile kısmi sertleştirme bu noktada en iyi koşulları sunmaktadır. Üstelik parça
merkezinde bulunan temel süneklik korunnur ve buna bağlı olarak çatlak oluşumuna olan yatkınlık
azaltılmış olur.
Lazer ile sertleştirme işleminde amaç odaklı, kısmi ve daha az ısı girişi sağlanır. Bu sayede parçada
önemsiz derecede oluşan çarpılma ve buna dayanarak sertleştirilmiş parçada çok az ya da hiç bitirme
işlemine gerek kalınmaması bu teknolojinin avantajlarını göstermektedir. Lazer ile sertleştirmenin diğer
pozitif etkileri erişilen yüksek enerji randımanı, kısa işlem süreleri ve bunula birlikte sertleştirilmiş parçanın
sonraki bitirme ve/veya üretim işlemleri için hazır olmasıdır. Aynı zamanda seri imalat işlemlerinin bir
parçası olarak mevcut bulunan sisteme entegre edilmesi mümkündür.
Lazer sertleştirme çevre dostu ve temiz bir teknoloji olmasıyla kendini göstermektedir. Vakum ortamı
oluşturulması gibi masraflı ek işlemler ve soğutma işlemi için su ya da yağ gibi ek malzemeler
gerektirmemektedir. Gerekli olan sadece lazer ışınının parça yüzeyine serbestçe girebilmesidir. Yüzeysel
nitrürleme ve lazer ile kısmi sertleştirme işlemlerinin kombine edilmesi mümkündür. Lazer sertleştirme ile
tüm sertleştirilmiş yüzeyde sadece nitrürlemeye ek olarak seçilen kontür ya da noktadalarda daha fazla
sertleştirme derinliğine ulaşılır. Lazer sertleştirme uygulaması mühendise ve üretim planlamacıya yeni
Tel. +49 351 83 39 13 423
[email protected]
www.alotec.de
ALOtec Dresden GmbH, Dr. – Ing. Steffen Schubert
imkanlar ve tasarım yaratıcılığı sunmaktadır. Bu teknolojinin ekonomik yanı halihazırda uzun yıllar
boyunca kanıtlanmıştır. Yüksek güçlü diyot lazer 10 kW‘a kadar temin edilebilir. Sertleştirme hat genişliği
60 mm‘ye kadar ulaşılabilir. Özel uygulamalar için birçok lazer sisteminin birleştirilmesi mümkündür.
3. ALOtec firmasındaki uygulamalar ve güncel bilgiler
HLDL‘den çıkan lazer ışını iş parçasınına robot ile aktarılır. Bunun yanı sıra hareketli iş masası lazer
ışınının tüm parça yüzeyine girişini garantiler. LompocPro ile lazer gücünün kontrolü sıcaklığın yaklaşık +/10 K hassasiyetinde parça yüzeyinde devamlı sabit kalmasını sağlar. Özellikle ısı iletim koşullarının
değiştiği durumlarda bu özellik kendini gösterir. Yüzey sıcaklığı kamera ile kaydedilir ve bu lazer gücünün
devamlı kontrölü için kullanılır. Bu işlem kaydedilen sıcaklık değerlerinin yüksek hassasiyetle somut bir
şekilde sertleştirilen hat içinde bulunan yüzey elementlerine eşleştirilmesi prensibine dayanmaktadır. Bu
sayede tüm parça yüzeyinde eşit sertlik oluşması için temel koşul sağlanmış olur ve aynı zamanda
malzemenin erimesi durumu tamamen ortadan kaldırılmış olur.
Resim 1: Üç boyutlu kesim ve eğim köşelerinin lazer ile sertleştirilmesi
Lazer ışının hızı ve parça geometrisine bağlı değişen ışının farklı açılarla malzemeye gönderilmesi gibi
diğer proses verileri bir çok sertleştirme işlemine ve buna dayanan tecrübeye dayanarak belirlenir ve
değerlendirilir. Ayna sistemleri lazer ışınının parçanın iç kısımlarına en uygun açıyla ulaşmasını sağlar. Bu
sayede lazer sertleştirmede parçanın üç boyutlu kesim köşelerinin fonksiyona uygun sertlik değerlerine
ulaşması garanti altına alınır (Resim 1). Fraunhofer araştırma kurumunun Dresden‘daki malzeme ve ışın
teknolojileri enstitüsünde geliştirilen dinamik tarama ile ışın şekilendirme sistemi LaSSy, 200 Hz‘e
ulaşabilen tarama frekansı ile ışının değişen yoğunluk profilleri ve sertlik hat genişliklerinde
gönderilmesine imkan sağlar. Bu sayede lazer ışını değişen yüzey şekillerine uyum sağlar ve gerektiği
durumlarda parçaya gönderilmez.
Lazer analiz cihazı LASMON şekillendirilen lazer ışınının güç yoğunluğu dağılımı ölçer ve bunu 3-D model
olarak anlaşılır bir şekilde gösterir. Özel geliştirilen simulasyon yazılımı DCAM ile lazer ışınının parça
yüzeyi boyunca aldığı yol çevrimdışı olarak programlanır. Bunun için parçanın 3-D datası gereklidir.
Müşterilerimizin CAD dataları alışıldık CAD sistemlerinden transfer edilebilir. Alternatif olarak Teach-in
yöntemi ile de parça için program oluşturulabilir.
Resim 2: Müşteride taşınabilir lazer sistemi ile yüzey sertleştirme uygulaması
Tel. +49 351 83 39 13 423
[email protected]
www.alotec.de
ALOtec Dresden GmbH, Dr. – Ing. Steffen Schubert
ALOtec kısa bir süre önce seyyar „tak ve çalıştır“ küçük lazer sistemini kullanıma sundu. Bu sistem ile
gerekli tesis yatırım masrafları piyasada bilinen rakamların oldukça altına düşürüldü. Bu küçük lazer
sisteminin işlevine toz ve tel ek malzeme kullanılarak yapılan yüzey kaplama işlemleri de eklenebilir. 2010
yılından beri rahatça taşınabilen bu sistemle sertleştirme işlemini direk müşterilerimizin kendi çalışma
ortamlarında da yapmaktayız (Resim 2). ALOtec belirtilen tesis konseptine ve bilgisine göre
Dresden’de fason olrak sertleştirme işlemini yapmaktadır. ALOtec dünya çapında lazer
sertleştirme sistemleri kurar ve teslim eder. Bu tesisler müşterilerin teknolojik ihtiyaçları doğrultusunda
yapılandırılır. Lazer yüzey sertleştirme sistemleri opsiyonel olarak toz ve tel ek malzeme ile yüzey kaplama
işlemi için genişletilebilir.
4. Özet
Makina ve iş takımları üretiminde her zaman verimli ve avantajlı olan üretim ve işleme işlemlerinin
kullanılması için büyük çaba gösterilmektedir. Sertleştirme işlemi hızlı, masrafı az ve parça fonksiyonuna
uygun yapılmalıdır. Lazer son aşamaya kadar işlenmiş parçanın kısmi olarak çarpılma oluşmadan
sertleştirilmesini sağlar. Sertleştirme sonrası işlemler bu sayede en aza indirilir ya da tamamen ortadan
kaldılır. İş takımı lazer sertleştirme sonrası direk üretimde kullanılmaya hazırdır.
Kaynak: Bonß,S.:HTM Z. Werkst.Wärmebeh.Fertigung 63 (2008)
Yazar: Dr. – Ing. Steffen Schubert
Ortak yazar: Dipl. – Ing. Bilge Kaya
ALOtec Dresden GmbH
+49 351 8339 13 423
[email protected]
İletişim: Dipl. – Ing. Bilge Kaya
+49 178 403 11 38
[email protected]
Tel. +49 351 83 39 13 423
[email protected]
www.alotec.de