التقسية بالليزر
التقسية بالليزر هي عملية معالجة حرارية سطحية يسخّن فيها شعاع الليزر المعدن موضعياً إلى ما فوق درجة حرارة الأوستنة. ثم يبرد السطح سريعاً بانتقال الحرارة إلى الداخل الأبرد للقطعة، وتُعرف هذه العملية بالتبريد الذاتي.
مبدأ عمل العملية
- امتصاص الإشعاع: يمكن تطبيق طلاء ماص خاص، مثل الجرافيت أو الفوسفات، لزيادة امتصاص طاقة الليزر. وغالباً ما تعمل ليزرات الدايود الحديثة من دونه.
- التسخين الموضعي: يسخّن شعاع ليزر ماسح، على هيئة شعاع مستطيل عريض أو بقعة سريعة التذبذب، طبقة سطحية بعمق 0.2–2.0 mm إلى 900–1,400 °C دون صهرها.
- الأوستنة: تتحول البنية المجهرية للفولاذ أو الحديد الزهر إلى أوستنيت داخل المنطقة الساخنة. ولا يتجاوز زمن المكوث جزءاً من الثانية.
- التبريد الذاتي: مع تقدم شعاع الليزر، تنتقل حرارة الطبقة الرقيقة بسرعة إلى كتلة القطعة الأبرد. ويتجاوز معدل التبريد القيمة الحرجة وقد يزيد على 1,000 °C/s.
- التحول المارتنسيتي: يحول التبريد السريع الأوستنيت إلى مارتنسيت عالي الصلادة دون استخدام الماء أو الزيت أو الغاز كأوساط تبريد.
مزايا التقسية بالليزر
- تشوه محدود: يقتصر التأثير الحراري على منطقة محددة. ولا تتعرض حتى القطع الكبيرة لاعوجاج يُذكر، مما يلغي الحاجة إلى الاستعدال النهائي.
- معالجة انتقائية: يمكن تقسية أسطح العمل فقط، مثل قمم أسنان التروس أو الحواف المستديرة لقوالب الثني.
- صلادة مرتفعة جداً: بفضل سرعة التبريد العالية، غالباً ما تكون صلادة المارتنسيت المقسّى بالليزر أعلى بمقدار 2–5 HRC من المادة المقسّاة بالكامل أو بالحث.
- ملاءمة بيئية: لا تتطلب العملية أحواض تبريد أو زيوتاً أو بوليمرات، وهي جافة ونظيفة بالكامل.
- الدمج في خطوط الإنتاج: يمكن دمج رأس ليزر آلي مباشرةً في خط التشغيل أو التصنيع.
العيوب والقيود
- عمق تقسية محدود: يتراوح العمق الفعال عادةً بين 0.3 و1.5 mm، ونادراً ما يبلغ 2.5 mm.
- متطلبات الكربون: تكون العملية فعالة فقط للفولاذ والحديد الزهر المحتويين على أكثر من 0.3% كربون. ولا يمكن تقسية الفولاذ منخفض الكربون بالليزر مباشرةً.
- مناطق المراجعة: قد يؤدي تداخل مسارات الليزر المتوازية إلى تشكل مناطق ضيقة معاد تسخينها أو مراجعتها حرارياً، ذات صلادة أقل عند الحدود.
- التكلفة الاستثمارية: تتطلب أنظمة الليزر الآلية استثماراً أولياً كبيراً.
التطبيقات
- أدوات الكبس: تقسية حواف قوالب القطع والثني الكبيرة المستخدمة في صناعة السيارات.
- صناعة العدد الآلية: تقسية أدلة أسرّة الماكينات للحد من البلى الاحتكاكي.
- السيارات والصناعات الثقيلة: التقسية الانتقائية لأعمدة الكامات والتروس والوصلات المسننة وأعمدة المرفق.
- صناعة الأدوات: تحسين متانة حواف القطع للسكاكين والمناشير الصناعية.