Warstwy powierzchniowe kształtowane z wykorzystaniem

technologii laserowych

Ina DomiderKamil Panaś

Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3

Znaczenie obróbki laserowej stosowanej do kształtowania struktur i własności materiałów inżynierskich na przestrzeni minionych lat znacząco wzrosło.

Technologie laserowe stosuje się do wytwarzania warstw powierzchniowych różnymi metodami:

- cieplnymi (hartownie, nadtapianie, ablacja laserowa),

- cieplno – chemicznymi (stopowanie),

- cieplno – mechanicznymi (utwardzanie).

Technologia

Głowica lasera

Soczewka

Wylot skoncentrowanej wiązki

wiązka

Technologia

Wiązkę laserową wykorzystuje się do nagrzewania warstwy wierzchniej obrabianego materiału, aby zapewnić zmiany w strukturze, umożliwiając uzyskanie wymaganych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych.

Zaleta - poprawa własności eksploatacyjnych obrabianego elementu.

Technologia

Laserowa obróbka powierzchni

Oddziaływanie na powierzchnię materiału – absorbcja energii cieplnej

Duża różnica temperatury pomiędzy roztopiona warstwą, a nie nadtopionym podłożem.

Mieszanie obramianego materiału.

Materiał ulega szybkiemu krzepnięciu.

Uzyskanie warstwy powierzchniowej.

Przetapianiu laserowemu warstwy powierzchniowej towarzyszy powstawanie plazmy i parowanie materiału.

Plazma ekranuje powierzchnie przed dalszym nagrzewaniem laserowym.

W miejscu wnikania wiązki laserowej, w jeziorku powstaje lejkowate zagłębienie, na którego powierzchnię działa ciśnienie hydrostatyczne cieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony wiązki.

Laserowa obróbka powierzchni

Następuje ruch względny zagłębienia w stronę nieroztopionego materiału.

Ciśnienie par powoduje wypełnienie zagłębienia po jego przesunięciu się. Powstaje wypływka na obrzeżach materiału oraz pofałdowanie na powierzchni przetopionego materiału.

Efekt ten można osłabić przez zdmuchiwanie plazmy przez gaz obojętny. materiał

gaz obojętny

Głowica laserowa

Laserowa obróbka powierzchni

Wśród technologii laserowych zapewniających wymagane własności powierzchniowe materiału, w zależności od gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na materiał możemy wyróżnić:

przetapianie stopowanie wtapianie natapianie

Stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe zapewniają najwyższą jakość warstwy wierzchniej i bardzo wysoka jakość połączenia z podłożem.

Laserowa obróbka powierzchni

Laserowa obróbka powierzchni

Przetapianie laserowe

W zależności od efektów uzyskiwanychw wyniku przetapiania i krzepnięcia:

- hartowanie przetopieniowe- szkliwienie- zagęszczanie- wygładzanie

W zależności od zastosowanej energii wiązki laserowej oraz prędkości skanowania:

- podtapianie- przetapianie- intensywne przetapianie- b. intensywne przetapianie

Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego.

W warstwie powierzchniowej po procesie wyróżnia się strefy.- strefa powierzchniowa, - strefa gdzie węgliki ulegają całkowitemu, bądź

częściowemu rozpuszczeniu, - strefa o strukturze niejednorodnej,- strefa przyrdzeniowa.

Polepszenie własności eksploatacyjnych, zmęczeniowych i antykorozyjnych.

Pogorszenie chropowatości powierzchni.

Hartowanie przetopieniowe

Wytwarzane są technika laserową. Oprócz bardzo dobrego połączenia metalurgicznego z podłożem, zapewniają wysoką odporność na korozję, zużycie, wysoką żaroodporność i twardość, jak i ciągliwość, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową.

Do tego procesu wykorzystywany jest np. proszek grafitu, zmieszany z rozcieńczonym alkoholem poli(winylowym) i nanoszony na powierzchnie próbki. Następnie przygotowaną warstwę przetapia się laserem.

Jest to jedna z nowszych metod kształtowania powierzchni. Polega na zmianie własności i topografii powierzchni wykorzystującej zjawisko punktowego naświetlania laserem (ang. lasser pattering).

Warstwy gradientowe

Nawęglanie laserowe

Wzornikowanie

Koła zębate.Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z metalem poprzez warstwy pośrednie.

Zastosowanie w przemyśle

Proces rozpylania, w którym usuwanie materiału następuje z szybkością kilku monowarstw atomowych na impuls, a powierzchnia ulega zmianom strukturalnym i pod względem składu chemicznego i fazowego.

Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem, które prowadzi do jego odparowania (ablacji), jest procesem złożonym fizycznie.

Składa się z 4 etapów:

- wykorzystanie energii fotonów promieniowania laserowego i zamiana w energię cieplną

- topienie warstwy materiału,- odparowanie,- jonizacja i rozprężenie par oraz tworzenie się i

rozprzestrzenienie się plazmy.

Ablacja laserowa

Proces jest wspomagany chemicznie i przebiega podobnie do ablacji. Jako materiału do wytwarzania plazmy za pomocą wiązki laserowej stosuje się odpowiedni gaz, którego cząstki są rozkładane energią lasera przy równoczesnym podwyższaniu temperatury podłoża, na których osadzana jest powłoka.

Ma postać warstw lub nanocząstek. Proces ten zachodzi, jeżeli napromieniowanie laserowe powierzchni ciała stałego jest zanurzone w cieczy o wystarczająco dużej przepuszczalności dla wiązki światła laserowego o określonej długości.

Laserowe osadzenie z fazy gazowej

Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej

Technologie laserowe są obecnie w szerokim zakresie wykorzystywane w przemyśle, ze względu na dobre wyniki po procesie przetwarzania a także relatywnie niską cenę.

Podsumowanie

Metoda nawęglania

Metoda grawerowania

Bibliografia

• Dobrzański L. Kształtowanie struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich, Gliwice 2009.

• http://www.openaccesslibrary.com/vol05/5.pdf

• http://forsurf.pl/cdrom/content/KSiWMIiB.pdf

Koniec

Ina DomiderKamil Panaś

Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3