Analysis of laser surface absorptivity modification for selective laser hardening

Abstract

Laser hardening is a thermal process that improves the surface mechanical properties of metallic materials. Efficiency enhancement of the thermal process of laser hardening is a long-term challenge. The article develops an approach called selective laser hardening that utilizes an absorptivity modification of the surface areas of the part to be processed by laser hardening. Laser surface treatment is used to modify the surface absorptivity. Subsequently, standard laser hardening can be performed on the entire surface. The change of material microstructure occurs only in the areas with increased absorptivity while the areas without surface modification remain structurally unchanged. The methods of laser absorptivity modification including subsequent thermal treatment and analysis of optical properties are described. The results of spectral absorptivity and absorptivity for wavelengths of commonly used hardening lasers (808, 1030 and 1064 nm) are presented for carbon steel EN 10083-2: C45. An important increase in the absorptivity of the laser-modified surface has been found up to 136% of the value of the basic material. This absorptivity difference decreases with increasing temperature of heat treatment, for examples to 7% at 800 ◦C for a laser wavelength of 808 nm. Further, the influence of laser surface modification parameters on the resulting absorptivity and the ability of increased absorptivity to withstand the elevated temperature during laser hardening are also discussed.

Laserové kalení je tepelný proces, který zlepšuje mechanické vlastnosti povrchu kovových materiálů. Zvýšení účinnosti tepelného procesu laserového kalení je dlouhodobou výzvou. Článek se zaměřuje na proces selektivního laserového kalení, které spočívá v úpravě povrchové pohltivosti tepelně zpracovávané součásti laserovým kalením. K úpravě pohltivosti povrchu se používá modifikace povrchu pomocí laseru. Následně lze provést standardní laserové kalení na celé ploše součásti. Změna mikrostruktury materiálu se vyskytuje pouze v oblastech se zvýšenou pohltivostí, zatímco oblasti bez povrchové úpravy zůstávají konstrukčně beze změn. Metody laserové modifikace povrchu včetně následného tepelného zpracování a analýzy optických vlastností jsou popsány. Výsledky spektrální pohltivosti a pohltivosti pro vlnové délky běžně používaných kalicích laserů (808, 1030 a 1064 nm) jsou uvedeny pro uhlíkovou ocel EN 10083-2: C45. Bylo zjištěno, že lze pohltivost laserem upraveného povrchu materiálu zvýšit až o 136% hodnoty základního materiálu. Tento rozdíl v pohltivosti klesá se zvyšující se teplotou tepelného zpracování, např. k 7% na 800°C pro vlnovou délku laseru 808 nm. Vliv parametrů laserové povrchové modifikace na výslednou pohltivost a schopnosti zvýšený pohltivosti odolávat zvýšené teplotě během laserového kalení je také diskutována.