Задачей термической обработки с использованием лазерного излучения является формирование тонкого поверхностного слоя металла, имеющего определённую структуру, с целью получения высокой износостойкости поверхности без коробления подложки и негативного влияния на определённые желаемые свойства основного металла – такие, как пластичность или прочность. Сегодняшний перечень использования диодных лазеров для термического воздействия на металлы впечатляет своим разнообразием. Он включает поверхности подшипников, режущие поверхности инструментов, детали насосов, сёдла клапанов и замыкающие поверхности, детали трансмиссий, зубчатые колёса и кулачки, формы, штампы, лопатки турбин и даже ручные инструменты – такие, как иглы.
Объяснение этого успеха кроется в том, что диодные лазеры, которыми оснащено оборудование для металлообработки и фрезерные станки предлагают множество очевидных преимуществ по сравнению с другими видами технологии поверхностного термоупрочнения, включая твёрдотельные и, особенно, газовые СО-лазеры. Благодаря тому обстоятельству, что большинство металлов имеют высокий коэффициент поглощения на длине волны 805 нм, генерируемой лазером на полупроводниках, упрощается сама технология обработки за счёт устранения дополнительной операции по нанесению защитных покрытий. Нагрев изделия локализован и соответствует размеру и форме подаваемого на деталь излучения, а глубина термического влияния ограничена достаточно неглубоким приповерхностным слоем, что минимизирует вероятность искажения формы (коробления). Такой характер воздействия также определяет глубину упрочнения как функцию, контролируемую изменением энергии излучения или его плотности и частотой сканирования (скоростью перемещения) лазерного луча по детали. При таком технологическом решении лазерное упрочнение соответствует области воздействия лазерного луча. Неглубокое проникновение излучения означает практически полное отсутствие искажений даже при обработке тонких деталей.
При локальном поверхностном нагреве само тело детали выступает в роли естественного теплоотвода, что исключает необходимость в принудительном охлаждении для получения необходимой структуры. Высокая поглощательная способность большинства металлов излучения с длиной волны излучения, генерируемого полупроводниковым лазером, исключает необходимость в поглощающих покрытиях, применяемых на других длинах волн, например, при обработке излучением газовых СО-лазеров. Кроме того, эта характеристика излучения делает процесс очень независимым по отношению к загрязнениям поверхности. И конечным результатом процесса использования лазеров на полупроводниках является то, что с помощью DLL легко получают исключительно высокие твёрдости (более 60 HRС) без растрескивания или сколов. Были проанализированы следующие железоуглеродистые сплавы, подвергнутые поверхностному упрочнению с использованием диодных лазеров. Как правило, для каждого металла получение более значительного по глубине упрочнённого слоя требует большего прогрева, которое достигается за счёт уменьшения скорости сканирования. Однако дополнительные нагрев и прогрев уменьшают скорость теплоотвода, которая, в свою очередь, оказывает влияние на твёрдость упрочнённого слоя. Таким образом, слой подвергнутого с большим временем воздействия металла имеет значительный прогрев по глубине и, как правило, меньшую твёрдость.
В процессе наплавки лазерный пучок расплавляет порошковый материал, помещённый на обрабатываемую поверхность, для получения однородного покрытия с высокой адгезией с подложкой. При классической наплавке задача заключается в расплавлении наплавочного материала с минимальным его перемешиванием с металлом подложки. В традиционных процессах наплавки (например, газопламенной) наплавка определяется как процесс с менее чем 10-процентным разбавлением подложки наплавочным материалом. При более значительном перемешивании наплавочного материала с подложкой могут потеряться достоинства наплавочного материала, которые, например, должны обеспечить повышенное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости. При лазерной наплавке разбавление формируемой на поверхности изделия ванны металлом подложки не превышает нескольких процентов. Лазерные установки на полупроводниках (диодах) частично замещают традиционные (твёрдотельные и СО-лазеры) в наплавочных процессах. Опять-таки благодаря высокому поглощению материалами излучения на длине волны 805 нм по сравнению с длиной волны СО-лазера 10,6 мкм. В частности, на этой более короткой длине волны наблюдается увеличение поглощения для всех металлических поверхностей. Как результат, диодный лазер практически вдвое эффективнее при расплавлении металлических порошков, чем СО-лазер. Такое высокое поглощение делает эффективным даже наплавку материалов, поданную в зону наплавки в виде проволоки. С учётом того, что КПД диодных лазеров в 4 - 6 раз выше, суммарная эффективность диодных лазеров в 10 - 12 раз превышает таковую для СО-лазеров. Более того, естественное прямоугольное сечение луча, излучённого диодной матрицей, легко трансформируется в полосу, которая хорошо подходит для обработки значительных поверхностей; полоса быстро пробегает через обрабатываемую поверхность при сканировании, перпендикулярном её длинной оси. Это позволяет получать тонкие, широкие и равномерные по толщине наплавленные слои с минимальным разбавлением подложки материалом наплавки, обычные станки не оснащенные подобными лазерными установками не дадут должного качества. И, что ещё важно, перекрывающиеся широкие проходы прекрасно накладываются (перекрывают) друг на друга и образуют сравнительно плоский рельеф наплавленного слоя независимо от скорости наплавки.
Проведённый анализ состояния разработки и использования лазеров на диодах в Америке показывает значительный прорыв в этой области, связанный как с созданием малогабаритных легко встраиваемых в производство систем, способных генерировать энергию до 4 кВт, так и с использованием их во многих и, зачастую, уникальных областях металлообработки. Машиностроительным предприятиям в России, исходя из инновационного направления развития экономики, необходимо обратить своё внимание на те преимущества, которые предлагают лазерные системы на полупроводниках, и ускорить их внедрение во многие технологические процессы.
