Laserové technologie v praxi I.Přednáška č.8

Laserové zpracování materiálu

Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR

Olomouc, 2011

Lasery pro průmyslové zpracování materiálu

4,17 – 6,251,2 – 1,51,171,170,12E (eV)

1. Kovy a slitiny

a) kovová vazba:

kovové ionty + elektronový plyn (volně sdílené valenční elektrony)

b) Uspořádání atomů: trojrozměrná mřížka (kubická plošně, prostorověcentrovaná, hexagonální,…)

Zdroj: http://chemie3d.wz.cz/models.php?type=mrizky

Vlastnosti materiálů – atomovástruktura

Interakce s ELMG zářením

1. Kovy a slitiny

c) Interakce laserový svazek – kovy:Vazebná energie 3,125 eV ( číselně odpovídá energií fotonů UV – blízké

IČ)volné elektrony absorbují fotony – zvyšování teploty materiálu úměrně s

energií laserového svazku – transformace struktury, tavení, vypařování

Zeslabení intenzity elmag. záření v materiálu (Bier-Lambertův zákon):

a – absorbance (cm-1)zph – charakteristická hloubka penetracepokles intenzity na 37 %k – extinkční koeficient

(obsažen v definici komplexního

indexu lomu iknnk

zIe

I

kaeII

phzph

az

+=

==

== −

´4

,1

4,

0

0

πλ

λπ

Interakce s ELMG zářením1. Kovy a slitinyc) Interakce laserový svazek – kovy:

A - absorptivitaR – reflexivitaT – transmisivita

σλc

R

kn

nA

Tkn

knR

ATR

ir −=

++=

=+++−=

=++

1

)1(

4

0,)1(

)1(

1

22

22

22

Interakce s ELMG zářenímSrovnání optických vlastností stříbra, mědi a niklu

21,989836,216,7598,247,514,8298,353,710000

15,8871,65,0110,6097,27,5111,3898,26,991000

13,4164,13,5615,8687,13,0112,9096,63,7600

10,3437,21,5410,9834,41,4512,8426,51,24200

zph(nm)R(%)kzph (nm)R(%)k

zph(nm)R (%)kλ (nm)

niklměďstříbro

2. Keramika, skloa) iontová vazba:

kovové + nekovové ionty (Al2O3, Zr2,O2,NaCl), elektrostatické síly

energie vazby 1,85 eV

b) Kovalentní vazba: atomy sdílejí jeden nebo více párů elektronů z nejvyšší slupky (Si, SiO2)

Energie vazby 4,8 eV

Vlastnosti materiálů – atomovástruktura

http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/index.htm

2. Keramika, skloc) Interakce s laserovým zářením:

rezonanční přenos energie mezi fotony a vázanými elektrony, zvýšeníamplitudy kmitů mřížky, šíření fononů (kvanta kmitů v krystalovémřížce, které interagují s elmag. zářením ve světelné oblasti)

Příklad: Křemík (charakteristická hloubka penetrace, R)

Vlastnosti materiálů – atomovástruktura

3. Polymerya) Řetězce monomerů (etylén) (-C2H4-)n …. polyetylén

b) Náhrada H jiným prvkem: (-C2H3 Cl-)n ….. polyvinylchlorid

(-C2H3-CH3 - )n – polypropylén

c) Interakce s laserovým zářením: vibrace molekulárních vazeb,

Vysoká absorptivita pro vlnovou délku 10,6 µm CO2 laseru

Pro Nd:YAG a diodové lasery propustné (800 nm až 1064 nm)

UV oblast – energie fotonů je větší nebo rovna energií kovalentních vazeb organických materiálů – rušení chemických vazem bez generace tepla - mikroaplikace

Vlastnosti materiálů – atomovástruktura

4. Kompositya) Přírodní: dřevo – matrice ligninu + silná vlákna celulózy

zuby – matrice kolagenu + hydroxy-apatit

b) Umělé: měkká matrice z kovu, polymeru nebo keramiky

zesílená vlákny, částicemi, dráty

Železobeton, sklolaminát (skelná vlákna a pryskyřice), asfalt

Uhlíkové kompozity

Více na:

http://www.volny.cz/zkorinek/

c) Interakce s laserovým zářením:

Závisí na složení kompozitu

Vlastnosti materiálů – atomovástruktura

Základní parametry procesu

2

4

D

PQP π

=

1) P ….výkon laseru (podle elektrického příkonu a účinnosti) 2) D …průměr laserového svazku na povrchu materiálu

(podle kvality svazku v rezonátoru a geometrie fokusačníčočky)

určují plošnou hustotu výkonu:

3) t…interakční čas (délka pulsu nebo doby, za kterou svazek přejede svůj průměr), v…pracovní rychlost

v

Dt =

Odhad optimálních parametrůprocesu

Pro odstranění materiálu (natavením a vypařením) o hmotnosti m ze spáry řezu o délce x, šířce D a hloubce h je potřeba dodat energii:

E = (1-R).P.τ = (1-R).P. x/v (1)

E = m.c.(T2 – T1) (2) ___________________________

Objem V lze vyjádřit jako součin

průměru řezné spáry D, hloubky h

a délky stopy ve směru pohybu svazku x.

ρ.x.D.h.[cp(Tt – To) + lt +ck(Tv-Tt).a +lv.a] (rovnice 2 po úpravě)

kde ρ – hustota materiálu, V = x.D.h – objem zpracovávané oblasti materiálu, cp, ck –měrná tepla pevné a kapalné fáze, Tv – teplota vypařování, Tt – teplota tavení, To – počáteční teplota, Lv – latentní teplo vypařování, Lt – latentníteplo tavení, R – odrazivost povrchu, P – výkon, τ – čas, a – míra vypařeného materiálu.

Odhad optimálních parametrů procesu

Dosazení hodnot fyzikálních veličin ρ, c, T, l pro daný materiál (ocel 11 373 - Uhlíková konstrukční ocel obvyklých vlastností se zaručeným určitým obsahem fosforu a síry):

a = 0.1 (tavné procesy převažují); lv = 6260180 J/kg; lt = 247110 J/kg, Tv = 3000 K,Tt = 1775 K, To = 300 K, cp = 440 J/kg.K, ck = 754 J/kg.K,

ρ = 7847 kg/m3

zjednodušení na tvar: E = (1-R).P.x/v = x.D.h.13541630000

označíme konst. = 13541630000 J/m3), vyjádříme v (rovnice 3)

konsthD

PRv

..

).1( −=

Klasifikace laserových aplikací

Bez změny skupenství – pouze změna krystalické struktury (zpevňování, kalení)

Kapalná fáze (cladding - plátování, alloying - povlakování, surface melting - přetavování povrchu, konduktivní svařování, tavné řezání)

Plynná fáze (řezání, vrtání, keyhole welding, ablace, UV - technologie)

Laserové aplikacedělení dle fázové přeměny

Program Izotemper ( @SLO)

Modelování rozloženíteplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D – zjištění rozměrůnatavené a vypařené oblasti

a) Gaussovskýsvazek pro simulaci hloubkového svařování

Program Izotemper ( @SLO)

Modelovánírozloženíteplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D – zjištěnírozměrů natavenéa vypařené oblasti

b) Prstencový mód pro simulaci kalení

Komerční matematické modely FEM

SYSWELD, agros2D (free)