Surface heat treatment of SM45C round bar by diode laser was simulated to find it's condition by using commercial finite element code MARC. Due to axisymmetric geometry, a quarter of model for SM45C round bar was considered and user subroutines were applied to boundary condition for the heat transfer. Material properties such as conductivity, specific heat and mass density were given as a function of temperature. Rotation speed of round bar and feed rate of beam were considered to design heat source model. Shape parameter values of heat source were determined by beam profile. As results, Three dimensional heat source model for diode laser beam conditions of surface hardening has been designed by the comparison between the finite element analysis results and experimental data on SM45C round bar. Diode laser surface hardening for SM45C round bar was successfully simulated and it should be useful to determine optimal heat treatment condition.
Recently, metal molding has become essential not only for automobile parts, but also mass production, and has greatly influenced production costs as well as the quality of products. Its surface has been treated by carburizing, nitriding and induction hardening, but these existing treatments cause considerable deformation and increase the expense of postprocessing after treatment; furthermore, these treatments cannot be easily applied to parts that requiring the hardening of only a certain section. This is because the treatment cannot heat the material homogeneously, nor can it heat all of it. Laser surface treatment was developed to overcome these disadvantages, and, when the laser beam is irradiated on the surface and laser speed is appropriate, the laser focal position is rapidly heated and the thermal energy of surface penetrates the material after irradiation, finally imbuing it with a new mechanical characteristic by the process of self-quenching. This research estimates the material characteristic after efficient and functional surface treatment using HPDL, which is more efficient than the existing CW Nd:YAG laser heat source.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제35권5호
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pp.600-607
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2011
고탄소강은 사용자가 요구하는 특성을 만족시키기 위해 침탄, 질화, 고주파담금질 등에 의해 표면처리 되어져 왔다. 그러나 기존의 처리 방법은 모두 처리물 전체를 가열하거나 균일한 가열을 하지 못하여 표면처리 후 변형의 문제와 처리후의 후가공의 경비문제, 그리고 극히 일부분만 경화가 필요한 부품에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 표면처리법으로로써 레이저열처리 방법이 대두대고 있으며, 레이저열처리는 레이저 빔을 피처리물의 표면에 조사하고 적당한 속도로 이동을 하게 되면 레이저조사부위가 급속하게 가열되고 레이저 빔이 통과한 후에는 표면의 열이 내부로 열전도 되어 급속히 자기냉각(self-quenching)됨으로써 표면에 새로운 기계적 성질을 갖게 하는 열처리법이다. 본 연구에서는 기존의 CW Nd:YAG 레이저 열원보다 효율이 좋은 HPDL을 이용한 고효율, 고기능의 고탄소강 열처리 후 재료적 물성을 평가하였다. 그 결과 레이저빔의 조사속도 및 온도변화에 따른 열처리부 및 모재 부분에 대한 경도특성 및 미세조직의 특성을 명확히 할 수 있었다.
Recently, the technology of surface treatment is being more important which affects the material cost reduction and substitution to the expensive material. The material used for the mechanical processing should have not only high intensity, but also strength toughness, wear resistance and corrosion resistance. In order to increase the durability and have better quality of the parts using such kind of tooling material, various kinds of research of the surface hardening through many kinds of heat resources is being done and practically applied. In this study, the characteristics of hardening surface zone for high strength of the press die material through laser beam irradiation are researched. In this study, it is experimentally observed by the status of the surface morphology, tensile strength, the hardness distribution of the base metal and wear condition by the surface hardness pattern by the laser beam based on the process parameters of $CO_2$ laser by using SM45C and STD11 used for press tool. Through this research, the characteristics of surface hardened zone for high strength of the thin metal by laser beam irradiation is done.
Laser surface hardening is beneficially used for surface treatment of structural steel. Due to very rapid heating and cooling rates, structural low-alloy steel(SCM4) can be hardened as self quenching. The aim of this research project is to improve the influence of the process laser parameters: laser power, spot size, surface roughness, and traverse speed. The laser beam is allowed to scan on the surface of the workpiece at the constant power(1095W), varying the traverse speed at 0.3m/min, 0.5m/min and 0.8m/min. The optical lens with the elliptical profile is designed to obtain a wide surface hardening area with uniform hardness. From the results of the experiment, it has been shown that the stable hardness is about 600$\sim$700Hv, when the laser power, focal position and the traverse speed are P=1095W, z=0mm and v=0.3m/min.
Since high-power CO$_2$ Laser can be make a high densed energy to Local processing area, manufacturing processes using the laser can be processed for very Localized areas at a very fast rate with minimal or no distortion. Accordingly, the laser has been widely used in the fields of thermal manufacturing processes such as welding, fusion cutting, grooving, and heat treatment of metals. In particular, interest in the laser heat treatment process has grown tremendously in the past few years. In this process, maintaining the uniform hardening depth is important problem to obtain good quality products and to reduce heat induced distortion and residual stress. For achieving this objective, we introduced a new design technique of a fuzzy logic controller that greatly simplified the design procedure by defining several simplified design parameters. In the design procedure, the major design parameters of the controller are characterized by identifying several common aspects. From a series of simulation results, we found that the proposed design technique can be effectively used to design of a fuzzy logic controller for the LASER surface hardening process.
This paper proposed that the eddy-current measurement method can be used a means of in-process measuring the hardening depth in Laser surface treatment process. Also, this paper deal with the numerical analysis of magnetic flux distribution and experimental result of measurement. In Laser heat treatment process of steels, a thin layer of the substrate is rapidly heated to austenitizing temperature and subsequently cooled at a very fast rate due to the self-quenching by heat conduction into the bulk body, to produce a martensite structure which have low magnetic permeability. The eddy-current measurement method depends on the properties of material to be measured such as electric conductivity, magnetic permeability and geometry. In this paper, the hardening depth was measured by detecting relevant magnetic permeability changes caused by heat treatment of steels.
This paper proposes a monitoring method for nondestructive and in-process measurement of the case depth in LASER surface heat treatment process. The method is essentially an eddy-current method, and measures sensing coil's electrical impedance which varies with the changes of the material microstructure due to hardening. To investigate te validity of the proposed method a series of experiments were performed for various hardning depths. The results show that the relationship between the eddy- current sensor output and the changes in case depth is almost linear. This indicates that the eddy-current measuring method can be used as one of the possible monitoring method for mesauring the hardened depth in LASER heat treatment processes.
A methodology is developed and many used to evaluate the response sensitivity of the thermal systems to variations in their design parameters. Technique for computing the sensitivity of temperature distributions to changes in processing parameters needed for deciding the more effective laser input parameters for laser surface hardening treatment are considered. In this study, a state equation governing the heat flow in laser surface treatment is analyzed using a three-dimensional finite element method and sensitivity data of the processing parameter obtained using a direct differentiation method applied for sensitivity analysis. The interesting processing parameter is taken as the laser scan velocity and characteristic beam radius( $r_{b}$) of the sensitivity of the temperature T versus v and $r_{b}$ is analyzed. And these sensitivity results obtained in another parameters are fixed condition. To verifying the numerical analysis results, hardened layer dimensions (width and depth) of the numerical analysis compared with the results of an experimental data.ata.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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