KALJENJE.docx Laseri

8/10/2019 KALJENJE.docx Laseri

1/15

KALJENJE

Za definisanje vida obrade vaan momenat je koliko brzo materijal moze da prihvatii akumulira energiju. Ovaj toplotni tok zavisi od toplotne provodljivosti (K), specificne

toplote (Cp) i gustine materijala ( ) i definisan je kao koeficijent tolotnog irenja (k) :

k = Nisko toplotno irenje ograniava prodiranje toplote na materijal moe biti lakobuen. Visoko toplotno irenje dozvoljava velike dubine prodiranja toplote, a time ilaku obradljivost materijal. Dubina prodiranja toplote za vrijeme t data je :

z = (4 kt)1/2

slijedi da je efikasno prodiranje laserskog zraenja u materijal potreban implustrajanja :

t =

Meutim ovako odreivanje vremena djelovanja ne daje eljene rezultate jer sebazira na pretpostavci da postoji uniformno zagrijavanje svih dijelova zapremine

materijala, to inae nije slucaj.

BUENJE OTVORA

Kod obrade buenjem vrijeme potrebno za izradu otvora prenika (d) i dubine (z)moe se odrediti na sledei nain : t = ti= tz

ti=

(TiTo)2

tivrijeme koje je potrebno dase materijal dovede temperature isparavanja

Prema potrebnoj energiji za buenje, i vremenu trajanja slijedi da je :

I ==

=

qenergija, tiduina laserskog implusaNakon postizanja temperature isparavanja u materijalu se stvara granini slojizmeu gasne i tene faze. Pri isparavanju sloja materijala granini sloj se pomjera udubinudok laserski snop ne prodre u materijal.


2/15

Brzina pomjeranja graninog sloja Vzdo eljene dubine otvora odreuje vrijemeneporednog probijanja materijala tz:

tz==

[( ) ] - gasna i tena faza

ZAVARIVANJE

Kod obrade zavarivanjem toplotni fluks izmeu tene i vrste faze jednak jetopotnom fluksuapsorbovanom tokom fazne promjene. Od energije apsorbovane na

povrini toplota se prenosi u materijal:

- k

= 0

Opte analitiko rjeenje prethodne nelinearne jednaine ne postoji.

Vrijeme trajanja implusa odreuje se na osnovu vremena potrebnog za topljenjeodreene zapremine materijalai gustine snage laserskog zraenja na povrini.

tt=

- vrijeme topljenja


3/15


4/15

- Karakter snopa

Karakteristika laserskog zraenja sadrana je i zadrana u razliitim radnimciklusima. Postoji nekoliko rezima rada lasera, a osnovni su kontinualni (cw),

implusni (imp.) i kombinovani.

Izlazna snaga kontinualnog zraenja usrednjena je za svo vrijeme djelovanja, dok

kod implisnih se ukupna snaga oslobaa samo u toku kratkog trajanja impulsa pase dobija njen visoki nivo u maksimumu. to je impuls krai snaga je vea.Reimi laserske emisije znaajno utie na izvodljivost, da li e zraenje bitikontinualno, impulsno ili semi-kontinualno zavisi iskljucivo od operacije, ali i od vrste

materijala. Upravljake veliine koje cine parametre rezime obrade se ne moguposmatrati pojedinano, pa mozemo reci da je za zavarivanje i sjeenje zraenjekontinualno, za buenje implusno a za posebna sjeenja i zavarivanja semi-kont.Opredjeljenje je uslovljenobrzinom izvoenja operacija, debljinom i vrstom

materijala.

- Snaga i energija

Za lasere koji rade u IC oblasti na bazi izloenog termodinamikog koeficijentamoguce je odrediti potrbnu snagu laserskog zraenja kako bi se postigao odreeniefekat na materijalu obradka. Nivoi potrebne snage za rezanje i buenje odgovarajukonceptu isparavanja ili sagorijevanja materijala koji se potom odvodi iz zone

djelovanja, a za zavarivanje i termiku obradu potreban je manja energija koja

izaziva toplotne transformacije i topljenje u odreenoj oblasti. Postoji vei brojrazliitih pristupa za odreivanje potrebne snage.Na bazi utvrenog modela zaobradu metala potrebno je analizirati vei broj polaznih podataka i rijeiti vei broj

jednaina to uz primjenu raunara i nije veliki problem. Program se pise u BASIC-u, datoteka materijala formirana je u obliku matrice (15x10) ije kolone oznaavajumaterijal a vrste njihove karakteristike. Oitavanje se vri identifikacijom vrstematerijal, a obrada uz definisanje eljenog karaktera i dimenzija uzorka.Ulazni podacu su : - karakteristike materijala (temp. Toljenja, isparavanja, toplotne

transformacije,specifina toplota, gustina, reflektivnost,..) , - vrsta obrade ( vrstaobrade, debljina materijala, dubina obrade, prenik fokusiranog snopa ),- karakteristike lasera (snaga lasera, talasna duina, sirina impulsa, precnik zrakana izlazu iz lasera). Kada se izvri izbor talasne duine na osnovu apsorpcionihkarakteristika ili prema laserskom ureaju koji je na raspolaganju, treba odreditisnagu (P) zraenja, brzinu rezanja (v) i sirinu obrade reza (S). U skladu saunaprijedo poznatim iskustvima, za fokusiranje treba koristiti soiva ine daljine127 mm za rezanje gvoza, mehkog i nehrajueg elika. ina taka treba d aje

na povrini materijala. Za posticanje egzotermne reakcije i odvoenja rastopine izzone obrade za odvoenje se koristi kiseonik pritiska 2.5 bar.sa izmjenljivimmlaznicama (0,81,2 mm). Raspoloziva snaga lasera je 500 W a rez 1 mm.

P = k xsyvz


5/15

POLOAJ IE

Pri izboru soiva za fokusiranje treba voditi rauna omaterijalu od koga jeizraenosoivo. Za svaku talsnu duinu laserskog zraenja postoje posebni optiki materijalikoji treba da su transparentni, otporni na visoke temp.,vlagu, mehanike udare,..U obradi materijala jos uvijek su najznaajnije talasne duine od 10,6 CO2laseri, kod kojeg se koriste soiva od cinkcelenida ili galijumarsenida, i talasneduzine 1,06 Nd-Yag laseri, sociva se izrdauju od posebnih stakala.Vana karakteristika snopa je ina daljina koja diktira veliinu snopa i gustinesnage. Prenik fokusiranog snopa nije svuda jednak i da se mijenja sa rastojanjemod zizne ravni. Na slici je prikazana promjena prenika snopa u zavisnosti odrastojanja od ine ravni za soiva sa razliitom inom daljinom.

d = 1,169 (

)2

Iz grafika se vidi da se manji spot, a time i vea gustina snage dobijaju kod manjihrastojanja, dok vea rastojanja daju vee spotove ali i manju gustinusnage.Promjena velicine spota /gustine vrsi se izborom sociva razlicite zizne

daljine. Soiva sa veom inom daljinom imajuimaju vee dubine fokusa i veeprenike spota, dok kod manje ine daljine daju manje dubine fokusa i maleprenike spota pa time i vee gustine snage.

f = 0,925 d0


6/15

Npr. soivo zizne daljine 63,5 mm daje 4 puta veu gustinu snage u ii od soiva

ine daljine 127mm.ina daljina soiva definise vrstu i intenzitet promjena na materijalu, a razlike seuocavaju na materijalu, prenik rupe, sirine zavara,dubne okaljenog spoja,...Takoe efikasnost i kvalitet obrade direktno e zavisti od poloaja ine ravni uodnosu na npadnu povrimu obradka. Poloaj ie moze biti iznad povrinematerijala, na samoj povrini ili unutar materijala.

Kod opercija buenja karakteristino je da otvor u gornjem dijelu blago proiren, toproirenej zavisi od ine daljine soiva : o je ona manjalijevi profil bie izraeniji.Za datu inu daljinu soiva, rastojanje izmeu ine ravni i povrine radnogpredmeta direktno utie na veliinu zavara, dubinu zavara i kvlitet strukture zavara.Dok pri termikoj obradi koriste se tehnike fokusiranog, defokusiranog i oscilujuegsnopa. Kada se zeli uzi trag do velicine snopa 2,5 mm, lasersko zraenje se fokusirna povrsinu radnog predmeta.


7/15

IZBOR MASKI

Maske se najee izrauju od metala koji je neosjetljiv na lasersko zraenje.Meutim u zadnje vrijeme razvoj holografije doveo je do toga da se maske izraujuod nemetalnih materijala u slojevima, koji su barijera ili prozor za aktuelno lasersko

zraenje. Hologramske maske imaju veliku optiku efikasnost (>80%) ime se i

cijena obrade viestruko smanjuje. Ovo je posebno od znaaja za primjene koje sevezuju za mikro obradunano tehnologije.

Za uobliavanje laserskog snopa koji pada na materijalkoriste se odg. Maske, mogubiti dialektrici ili hromirani kvarc, koji apsorbuju ili reflektuju deo zraenja koje je

nepoeljno tj. Ono koje ne treba da padne na kompletnu povrinu obradka.Uobliavanja ili koliminisanje laserskog snopa vri se nizom optikih komponenti.Poslije homogenizacije laserski snop moze da se skenira ili kompletno usmjeri na

masku. Maska pravi ''sjenku'' po kompletnoj slobodnoj povrini i lasersko zraenjeproputa usmjerava camo na mjesta neposredne aplikacije.

- Vrste maski

Reflektivna maskaizrauju se nanoenjem refleksionog (100%) materijala prekopodloge kojaje transparentna za UV zraenje. Kompletno emitovano laserskozraenje dolazi do maske, ali samo jedan njen dio prolazi kroz nju dok se najveidio (do 99%) je reflektovano.

Apsorbujua maska izrauje se od materijala koji su potpuni apsorberi UVzraenjaprimjenjene talasne duzine. Da bi lasersko zraenje proslo kroz masku kaobradku potrebno je uraditi odgovarajuce otpore to je takoe delikatan posao sobzirom na raspolozive motode.Ono sto je najnepovoljnije je injenica da je najvei

dio upadnog lasrskog zraenja izgubljen.


8/15

Holografska maskane apsorbuje i ne reflektuje lasersko zraenje, vie od 80 %emitovanog zraenja prosleuje se ka radnom predmetu.Obzirom na cinjenicu dakod izrade holograma ima manje ogranienja po pitanju minimalnih dimenzija uodnosu na refleksione i apsorpcione maske, one daju mogunost laserske mikroobrade reda veliine mikrometra. Slobodna povrina holograma je neravna isastavljena od velikog broja difrakcionih elemenata koji su analogni socivima za

fokusiranje.


9/15

PRIMJENA ADITIVA

Obrada nekada problematinih materijala,poveanje brzine djelovanja, poveanjedebljine, postizanje visokih kvaliteta, povecanje efikasnosti postie se pravilnimizborom parametara reima obrade ali i primjenom odgovarajuih aditiva, tj.Asistirajuci gas, vodeni mlaz i prevlake.

- Asistirajui gas

U toku obrade laserskim zraenjem u zonu obrade uvode se razliciti gasovi kojiimaju viestruku ulogu. Prije svaga ima ulogu zatite optikih elemenata. Priinterakciji zraenja sa materijalima nastaju rasprskavajue sferne kapljice ili raznaisparenja, koja se u osnovnom stanju mogu deponovati na optikim elemetima zafokusiranje ili centriranje snopa, time se smanjuje njihova propustljivost za

zraenje.time moze doi do raznih ostecenja laserskog ureaja. Mlaz gasa koji se

propusta neposredno ispred soiva stiti ga od osteenja, a obradnuglavu hladi.

Do kod obrade zavarivanjem nastaje plazma, ovaj efekat se spreava upotrebominertnih gasova (helijum, argon, azot, vazduh) za formiranje zastitne atmosfere.

Koritenjem gasova za produvavanje pojaava se penetracija i povecavabrzina

zavarivanja. Protok gasa je obino 5 l/min ali se on proizvoljno regulise.

Lasersko rezanje je visoko temperaturski proces kod koga se pojavljuje malo

toiplotno oteenje okoline zone obradka,odnosno neznatna promjena osobinaosnovnog materijala. Rastopljeni i ispareni dijelovi materijala zbog kinetike energijegasa lake se odvode iz zone rezanja, sto direktno utie na istou i kvalitet reza.Koritenjem gasa za produvavanje takoe se spreava vezivanje ljake sa zadnjestrane reza, a sama brzina rezanja moe se poveati do 40 %. Kod rezanja metalnihmaterijala koristi se reaktivni gas ( kiseonik) da potpomogne egzotermnu reakciju u

zoni rezanja i time poveca penetraciju.

Iz prethodnog slijedi da kinetikim i hemijskim djelovanjemgas za produvavanjedirektno utie na tok procesa obrade , koji se praktino bez gasa ne moze izvoditi,pa


10/15

se on zato i smatra asistirajucim gasom. Asistirajui gas produvava se koaksijalnosa laserskim snopom kroz odgovarajuu mlaznicu. Ovo je najea varijanta jer sena taj nain potpuno koristi kinetika energija gasne struje. Druga mogunost je dase gas u zonu obrade uvodi sa jedne ili 2 naspramne strane, koristeci samo njegovo

hemijsko djelovanje. Protok gasa i njegova distribucija od mlaznice do radnog

predmeta zavisi od : vrste gasa, pritiska gasa, prenika mlaznice, unutranjeg profilamlaznice,.

Mlaznica je tako konstruktivno izvedena da unutranjost predstavlja mali rezervargasa koji spreava fluktuacijepritiska, pa je on u unutranjosti stalan (pu). Gasprotie kroz konian dio izlazi kroz otvor (D) u okolinu (pa). Izlazna apertura je sazaobljenjem radi elminisanja turbulencije usljed usljed strujanja preko ostrih ivica.

Vrijednost pritiska na radnom predmetu (pr) zavisi od rastojanja (h) radnog predmeta

u odnosu na izlazni otvor mlaznice. Definisanje rastojanja kod koga je aktuelan max.

pritisak moze se odrediti izrazom :

h = D , Nprandalov talasni brojPoveanjem pritiska u mlaznici poveava se pritisak udarnog fronta, a time iefikasnost odvoenja rastopljene mase iz zone obrade.Ovo direktno utie napoveanje brzine ak i do 50 %.

Minimalna promjena polozaja obratka u tim granicama moze da izazove promjene uprocesu rezanja, zato pri pozicioniranju, probom prije koherentnog rada, treba

utvrditi najbolji poloaj mlaznice i njenjo rastojanje u odnosu naradni predmet.Sobzirom da je mlaznica konstruktivno vezana sa obradnom glavom, koja nosi

elemente za fokusiranje, pri promjeni njenog polozaja doci ce do promjene poloajazizne take laserskog snopa u odnosu na obradak. Meutim ove minimalnepromjene ne mogu imati tetan efekat jer je dubina fokusa (Z) veca.


11/15


12/15

PREVLAKE

Za postizanje zeljenog efekta pri obradi materijala laserskim zraenjem koriste serazne vrste povrinskih prevlaka. One poveavaju uniformnost i apsorpciju lasrskeenergije a time i ravnomjernost djelovanja. Prevlake mogu biti razliite vrste i birajuse prema efektu koji ona treba da ostvari. Kod zahvata kod kojih se zahtijeva

selektivno djelovanje zraenja na povrsinu koriste se refleksione prevlake(magnezijum fosfata) koje imaju strukturu ravnih ploica koje reflektuju upadnozraenje. Prevlaka mora da izdrzava visoke gustine snage i visoke temperature,zatim mora da bude dobar provodnik toplote zbog prenosa toplote na materijal.

U industriji najvaznije mjesto primjene prevlaka je u oblasti termike obrade i to zakaljenje, otvrdnjavanje i legiranje posebnih masinskih elemenata...

POVRINSKA OBRADA LASEROM

Materijal obradka zagrijava se do visokih temperatura iznda kritine take, taketransformacije, ali ispod take topljenja. Proces je samohladiv jer odmah nakonprestanka djelovanja laserskog snopa osnovni materijal naglo hladi zagrijani

povrsinski sloj. Termika obrda dijeli s ena 3 kategorije: kaljenje ( legiranje,oblaganje, ..); transformaciono otvrdnjavanje ; usitnjavanje zrna.

Kaljenje se sastoji u tome da laserski snop naglo zagrijava materijal do najvisih

temp., posle cega se ovaj samohladi obezbjeujui strukturne transformacije.Legiranje zavisi od vrste materijala, temperature i stepena mijesanja.

- Formiranje austenita :

Sa dijagrama vidimo da je potrebno ostvariti dovoljno visoku temperaturu kako bi se

perlit transformisao u austenit. Ova temperatura se mora odravati tolikodugo da sevisak lokalnog ugljika moze siriti sto ravnomjernijom raspodjelom u austenitnu fazu.


13/15

Potom temperaturu treba smanjiti na taku u kojoj poinje da se formira martnezitsto je krajnji cilj. Materijal treba da se hladi dovoljno brzo da se ne dozvoli formiranje

ostalih struktura. To se obezbjeuje pogodnom krivom hlaenja koja treba da ideispod bejnitne oblasti. Veca transformacija u martenzitnu strukturu daje i veutvrdou nakon kaljenja.

PARAMETRI LASERSKOG TRANSFORMACIONOG OTVRDNAJVANJA

Rezultati povrsinskog otvrdnjavanja zavise od : parametra lasera (snaga, brzina,..),

parametra laserskog snopa (gustina snage,.), stanja materijala (hemijski sastav,

struktura,..), stanje povrsine predmeta i ostali parametri.

Lasersko otvrdnjavanje je proces kod koga laserski snop topi povrinu materijala idodatni materijal. Potom dolazi do razlivanja rastopine po povrsini i ovravanja uformi toplog spoja pri cemu nastajezastitni ili na habanje otporni sloj. Za

otvrdnjavanje se cesto koristi titan kao dodatni materijal, a postupak se izvodi uzastitnoj atmosferi azota. Pored klasinog laseskog otvrdnjavanja u primjeni je tzv.Udarno otvrdnjavanje, kod kojeg se javlja udarni talas koji proizvodi rezidualni

kompresirani udar na povrsinu i omoguava spajanje dodatnog materijala saosnovnim. Posebna prednost ovih metoda je u tome sto se termiki mogu obraditisamo eljene povrsine, a ne ceo radni predmet.tri najvanija kriterija koja moraju biti ispotovana kod procesa laserskogotvrdanjvanja su : temperaturna zona koja ce se otvrdnjavati mora se nalaziti u zoni

temperaturne austenizacije, vrijeme izmeu procesa zagrijavanja i hlaenja morabiti dovoljno za difuziju ugljika, mora postojati dovoljno mase koja ce obraditi toplota

tako da postignemo efekat samokaljenja odnosno dobijanja kritine brzine hlaenja.


14/15

LASERSKO BUSENJE

Lasersko buenje izvodi se sa jednim ili vise laserskih impulsa odreene snage.Kada padne na povrinu lasrski snop zagrejava, topi i isparava dio materijalaostavljajuci rupu ili otvor u materijalu. Lasersko busenje je bezkontaktni proces kojim

je mogue obraditit najrazlicitije materijale :metale i nemetale, keramiku,..

Kada zapone buenje , nastala para stvara pritisak koji prouzrokuje tokrastopljenog materijala prema ulaznom dijelu otvora. Pri tome ne dolazi do

isparavanja svog izbacenog materijala. Ostvarenje poprecnog prsjeka je takvo da se

sa porastom broja impulsa, odnosno akumulirane energije tokom obrade

poveavaju prenik i dubina rupe. Dublje rupe buse se vecim brojem impulsasrednje energije, jer je takvo busenje efikasnije od busenja u jednom impulsa velike

energije.

Laserom je moguce izraditi otvore razlicitog precnika, minimalnog koji iznosi 70 imax precnika oko 4 mm. U industriji se lasersko busenje najesce primjenjuje zaprecnike od 0,1 do 2 mm. Kvalitet buenja odreuje se postojanosu prenika duzotvora, i postojanoscu oblika presjeka. Dobro fokusiran i centriran laserski zrak

obezbjeuje pravilan kruzni oblik presjeka sa tanou od 1%.


15/15

LASERSKO REZANJE

Teznja je da se materijal u sto kraem vremenu ispari i odvede iz zone djelovanja.To se postie veim snagama i kraim vremenom djelovanja. Laserski snop pada napovrinu, u tom prvom trenutku jedan dio povrsine trenutno ispari, dok jepodpovrsinski sloj zagrijan do take topljenja. im je ispareni materijal napustiozonu djelovanja, laserski snop pada na sada vec zagrijani dublji sloj materijala i

izaziva njegovo isparavanje ili sagorijevanje cime nastaje procjep u obradku.

Kako je teznja da se istopljeni ili rastopljeni materijal sto prije izvede iz zone

djelovanja lasersko rezanje se izvodi sa koaksijalnom stujom gasa za

produvavanje, a taj postupak odvodjena gasom povecava brzinu rezanja cak 40 %.

Documents

KALJENJE.docx Laseri