Doel van laser-oppervlaktebewerkingen is het verbeteren van de oppervlakte-eigenschappen van producten, waarbij te denken valt aan hardheid, slijtvastheid, vermoeiingsweerstand, corrosievastheid, oppervlakteruwheid, enz. Deze oppervlakte-eigenschappen worden bereikt door het aanbrengen van een oppervlaktelaag of door het veranderen van de microstructuur van een oppervlaktelaag. Voordeel van deze aanpak is dat de keuze van de oppervlakte-eigenschappen van een product gemaakt kan worden op basis van functionele eisen (bijvoorbeeld slijtvastheid), terwijl het basismateriaal kan worden geselecteerd op grond van bijvoorbeeld sterkte of economische aspecten.
In vergelijking met andere laserbewerkingen vinden de laser-oppervlaktebewerkingen plaats bij relatief lange interactietijden en lage intensiteiten. Dit wordt bereikt door het defocusseren van de laserbundel tot een diameter in de grootte orde van 1 tot 10 mm, of door het gebruik van speciale optieken die de laserbundel omvormen tot een rechthoekige uniforme energieverdeling. Een dergelijke energieverdeling is gewenst voor een uniforme bewerking van het oppervlak. In verband met de hoge beschikbare vermogens wordt de cw CO2 laser het meest toegepast. De Nd:YAG laser is ook beschikbaar in vermogens die nodig zijn voor het oppervlaktebewerken. De straling van deze laser wordt beter geabsorbeerd door metalen dan CO2 laserstraling. De diodelaser is zeer geschikt voor laser-oppervlaktebewerkingen vanwege zijn rechthoekige energieverdeling in de laserspot.
Tijdens de bewerking beweegt de laserbundel over het te behandelen oppervlak waardoor het oppervlak opwarmt, er al dan niet smelt optreedt, en na het passeren van de laserbundel weer afkoelt. Om oxidatie van het bewerkte oppervlak te voorkomen wordt vaak gebruikgemaakt beschermgas, zoals stikstof of argon. Zie ook de paragraaf laserbewerkingen en gassen. De toegepaste gasdrukken en -debieten zijn laag in vergelijking met lasersnijden en -lassen.
Lasercladden
Lasercladden (ook: oplassen) is een proces dat gebruikt wordt om producten minder gevoelig te maken voor slijtage en corrosie. Er wordt een deklaag aangebracht op het materiaal, waarbij het basismateriaal en de deklaag niet mengen. De eigenschappen van het gecladde oppervlak, hangen dan enkel af van het toevoermateriaal. Een geringe opmenging (van enkele procenten) van de cladlaag met het basismateriaal, wordt vaak toegelaten om een goede metallische verbinding tussen het basismateriaal en de deklaag te realiseren.
Voor het verbeteren van de slijtageweerstand van staal in een aggressieve omgeving tot 200°C, wordt gebruik gemaakt van poeder met een hoog cobalt (Co) gehalte. Poeders met een hoog nikkelgehalte worden als cladmateriaal gebruikt voor lagen die naast een aggressieve omgeving ook te maken krijgen met een hoge temperatuur (bijvoorbeeld bladen in gasturbines). Poeders op basis van ijzer, chroom en koolstof worden gebruikt voor het verbeteren van de oxidatie- en corrosieweerstand van staal. Producten van nikkel legeringen worden voorzien van een cladlaag van cobaltlegeringen, chroom-oxides, of zirkonium-oxides om de slijtageweerstand te verbeteren. De slijtageweerstand van aluminium- en titaanlegeringen worden verbetered cdoor het aanbrengen van cladlagen op basis van nikkel. Een zorgvuldige materiaalkeuze is in alle gevallen noodzakelijk om scheurvrije cladlagen te realiseren, i.v.m. de grote temperatuursgradiënten en verschillen in uitzettingscoëfficiënten en hardheid van clad- en basismateriaal.
Voor het aanbrengen van een cladlaag van 3mm breed en 1 mm dik is een laservermogen tot ongeveer 3 kW nodig. De bewerkingssnelheden zijn afhankelijk van het laservermogen en de gewenste afmetingen van cladlaag en liggen in de grootte orde van 10 mm/s. De belangrijkste parameters die de geometrie van de cladlaag bepalen zijn het laservermogen, de postdiameter, de bundelsnelheid, het debiet van het cladpoeder alsmede de hoek en plaats van injectie van het poeder in het smeltbad. Grote oppervlakken vkunnen van een cladlaag worden voorzien door overlappende sporen te maken. Dikkere lagen worden verkregen door cladlagen op elkaar aan te brengen. Onderstaand plaatje toont het lasercladden van een uitlaatklep van een dieselmotor met een CO2 laser. De kleprand is bij hoge temperaturen aan stootslijtage onderhevig. De met de laser aangebracht cladlaag op basis van cobalt verlengt de standtijd van de klep met een factor 3.
Bron: Demar laser
Onderstaand plaatje geeft het hardheidsverloop als functie van de afstand tot de bovenkant van de cladlaag bij de uitlaagklep aan.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Kenmerken van het laserclad proces zijn:
- beperkte warmte-inbreng
- een kleine warmte-beïnvloede zone
- hele lage lasverdunning
- minimale vervorming
- fijne microstructuur
- hogere hardheid
- laagdikte: 0,1 mm tot meerdere millimeters
- glad clad-oppervlak
- weinig nabewerking noodzakelijk
- hoge reproduceerbaarheid
- hoge poederefficiëntie
Lasercladden wordt zowel gebruikt op nieuwe producten als op producten die gerepareerd worden.
| proces\eigenschap | hechting |
warmte-inbreng |
dichtheid |
|---|---|---|---|
| thermal spraying | - |
++ |
-- |
| thermal spraying and fusing | - |
-- |
± |
| overlay welding | ++ |
-- |
++ |
| lasercladding | ++ |
+ |
++ |
Bron: NedClad Technology BV
Overige oppervlaktebewerkingen
Lasertransformatieharden en -herstelgloeien
Het lasertransformatieharden en -herstelgloeien, behoren tot de oppervlaktebewerkingen waarbij het oppervlak niet tot smelten wordt gebracht. Herstelgroeien wordt ook wel annealing genoemd. Herstelgloeien wordt bijvoorbeeld toegepast om koud verstevigd materiaal plaatselijk zacht te maken. De kan dan mechanisch vervormd worden zonder dat scheurvorming optreedt. Bovendien concentreert de vervorming zich beter in het behandelde gebied.
Het lasertransformatieharden wordt voornamelijk togepast op staal en gietijzer met een koolstof percentage van 0.2 tot 1.5% en resulteert in de vorming van martensiet in het oppervlak van het product. Martensiet heeft een hogere corrosieweerstand, vermoeiingsweerstand en een lagere frictieweerstand dan het oorspronkelijke materiaal. De voordelen van laser-transformatieharden t.o.v. conventioneel harden (bijvoorbeeld inductieharden) zijn, dat de warmte-inbreng goed controleerbaar is, de thermische vervorming van het product gering is, er hogere hardheden bereikt kunnen worden en geen nabewerking nodig is.
Omsmelten en verglazen
Bij het omsmelten en verglazen wordt het oppervlak tot smelten gebracht. Als de afkoelsnelheid zo groot is dat er geen tijd is voor kistallisatie en de amorfe vloeistof structuur wordt 'ingevroren' spreekt men van verglazen, anders van omsmelten.
Het doel van omsmelten is het verkrijgen van een fijne en homogene microstructuur van de oppervlaktelaag of het opheffen van porositeiten. Het resultaat is een hogere hardheid en/of corrosievastheid van het oppervlak. Metalen die veel met behulp van de laser worden omgesmolten zijn gietijzer, hypo-eutectisch gereedschapsstaal (met name die stalen met een hoog koolstofgehalte) en non-ferro metalen (met name aluminium).
Wanneer de stollingssnelheid zo groot is dat de tijd voor diffusie en kiemvorming ontbreekt, bezit de laag na stolling een amorfe, glasachtige structuur. Door het ontbreken van korrelgrenzen en defecten is de treksterkte groot, evenals de plastische vervormbaarheid. Voor verglazen worden lasers ingezet met korte pulstijden en hoge piekintensiteiten, of cw-lasers met een hoge bundelsnelheid. Niet alle materialen zijn te verglazen. Veelal zijn hier toevoegingen, zoals borium voor nodig.
Legeren en dispergeren
Tijdens het laserlegeren en -dispergeren wordt er materiaal toegevoegd aan het smeltbad. Kenmerkend voor het laserlegeren is dat het toevoerde materiaal smelt en zich vermengt met het basismateriaal, terwijl bij het dispergeren het materiaal niet smelt.
Laserschokharden
Laserschokharden is een bewerking waarbij ten gevolge van een korte laserpuls (enkele nano-seconden) met een hoge energiedichtheid (circa 109 W/cm2) een akoestische schokgolf ontstaat, die zich voortplant in het materiaal. De akoestische schok ontstaat ten gevolge van de drukgolf die ontstaat bij plasmavorming. Soms wordt een voor de laserstraling transparant materiaal (bijvoorbeeld water) op het oppervlak geplaatst, die de drukopbouw versterkt, omdat het plasma niet kan wegstromen. De schokgolf deformeert het materiaal en zal, bij metalen die werkversteviging vertonen (Al, Ti, Mn), resulteren in een hogere hardheid.
Laserschokharden wordt ook wel laser peening genoemd.
