Laserowe Technologie Metali
Wesołowski Wojciech Gr.21	05.05.97

1. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z laserową technologią utwardzania powierzchni.

2.Wprowadzenie.

Laserowa obróbka powierzchniowa dzieli się na:

- hartowanie

- stapianie warstwy powierzchniowej

- wzbogacanie warstwy powierzchniowej w składniki stopowe

- nakładanie warstwy powierzchniowej.

Charakterystyki pochłaniania energii promienistej z wiązki laserowej przez różne materiały obrazuje wykres zależności stopnia pochłaniania od długości fali λ. Występuje tu charakterystyczna „krawędź optyczna”. Oznacza to bardzo gwałtowny spadek lub wzrost stopnia pochłaniania przy zmianie długości fali promieniowania. Metale dzielą się tu na dwie wyraźne podklasy:

- metale szlachetne (Au , Ag ) lub do nich zbliżone (Cu) , mające wypełnione wewnętrzne powłoki elektronowe

- metale przejściowe takie jak Fe , Nl , Cr .

W pierwszej grupie obserwuje się przy falach krótszych z bardzo szybkim spadkiem dla bliskiej podczerwieni , w drugiej grupie spadek jest znacznie wolniejszy. Nieprzewodniki elektryczności wykazują wzrost pochłaniania w obrębie dalszej podczerwieni.

Wspomniane właściwości pochłaniania mają znaczenie przy doborze typu lasera pod kątem widzenia długości fali promieniowania , a również przy stosowaniu specjalnych warstw przeciwodblaskowych zwiększających wnikanie energii do materiału. Stan powierzchni materiału np. gładkość lub chropowatość powierzchni odgrywają przy pochłanianiu promieniowania dość znaczną rolę. Opisywany wykres dotyczy powierzchni optycznie gładkich. Strumień energii zależy także od kąta padania , co wiemy z obszaru widzialnego , podlega on znanemu prawu kosinusowemu. Pochłanianie uzależnione jest również od temperatury ciała napromieniowanego. Przeźroczyste dla widma światła widzialnego szkła mineralne odpowiadają w zachowaniu nieprzewodnikom ( izolatorom). Również szkła organiczne (Perspex , Plexiglas) mają podobne zachowanie i dlatego stosuje się je jako ekrany nieprzepuszczające dla promieniowania podczerwonego.

3. Hartowanie powierzchniowe.

Hartowanie powierzchniowe jest procesem termicznym związanym ze zlokalizowanymi na powierzchni przedmiotu przemianami fazowymi zachodzącymi w polikrystalicznych materiałach metalicznych.

Procesy zachodzące przy hartowaniu:

- przejście fazowe ( zarodkowanie i wzrost kryształów )

- dyfuzja

O ile zarodkowanie jest procesem bardzo szybkim , to dyfuzja jest powolna.

Dyfuzja przebiega zgodnie z prawem Ficka , które jest odpowiednikiem prawa Fouriera dla przewodnictwa cieplnego.

Stale węglowe są mieszaninami roztworów węgla w żelazie oraz węglika żelaza Fe₃C , a także węgla w postaci grafitu. Ponieważ z wzoru chemicznego i mas atomowych C i Fe wynika , że węglik żelaza zawiera wagowo 14/15 żelaza i 1/15 węgla , więc z reguły stale zawierają węgla mniej niż 1/15 . Każdorazowa postać takiej mieszaniny jest uzależniona od procentowego składu chemicznego oraz od termicznej i mechanicznej historii materiału.

Ta historia to procesy nagrzewania i studzenia charakteryzujące się temperaturami i czasami przebywania w tych temperaturach i czasami przechodzenia pomiędzy stanami nagrzania i oziębienia. Historia mechaniczna ( np. walcowanie i tłoczenie ) wiąże się ze zgniotem materiału i następującymi wtedy zmianami w strukturze krystalicznej. Rozróżniamy mieszaniny ( drobno- i gruboziarniste ) oraz roztwory stałe.

Zauważmy jednak , że o ile w procesach metalurgicznych (np. walcowaniu ) biorą udział duże masy materiału , to w procesach laserowej obróbki masy te są znacznie mniejsze. W szczególności w procesach hartowania powierzchniowego zaangażowane są bardzo małe masy materiału. Powoduje to , że szybkość ochładzania i nagrzewania są znacznie szybsze. Czas dla dyfuzji i przemian fazowych jest również krótki. Dlatego też hartowanie powierzchniowe nie wymaga na ogół dodatkowego chłodzenia i wystarcza chłodzenie naturalne z odprowadzeniem ciepła przez przewodnictwo metalu.

Jak wiemy żelazo z domieszką węgla krystalizuje w trzech głównych postaciach krystalicznydch:

- ferryt (żelazo α) w układzie sześciennym przestrzennie centrowanym ,

- austenit (żelazo γ) w układzie sześciennym płasko centrowanym ,

- martenzyt w układzie czworościennym .

Przemiany fazowe przypominają znane procesy rozpuszczania i wytrącania (krystalizacji) cukru w gorących napojach. Zasadnicze różnice polegają na:

- większej liczbie postaci krystalicznych,

- zachodzeniu procesów w stanie stałym.

Wynika stąd większa różnorodność postaci i większa na ogół długotrwałość głównych procesów dyfuzyjnych. Czynnik czasu odgrywa więc rolę dominującą.

4. Parametry laserowego utwardzania powierzchni.

Materiał	grubość g [mm]	moc P [W]	częstotliwość F [Hz]	prędkość V [mm/min]	twardość Vickersa HV10	średnia twardość	sprawność η [%]
st45	3 3	430 1120	3000 3000	1000 1000	245 ; 220 ; 254 ; 264 ; 245 ; 264	239.6 257.6	10 20
st45	5 5	1780 2370	3000 3000	1000 1000	572 ; 514 ;724 ; 824 ; 824 ; 772 ;	603.3 806.6	30 40
st45	5 5	3020 6225	3000 3000	1000 1000	964 ; 882 ; 724 ; 824 ; 847 ; 907 ;	856.6 859.3	50 100

materiał rodzimy dla St0 ma twardość :

twardość Vickersa HV10

237

220

220

średnia twardość materiału rodzimego wynosi: 225.6 .

gdzie: P_i - moc [W]

Hv_i - twardość Vickersa HV 10

5. Wnioski

Z przeprowadzonych pomiarów oraz badań widać wyraźnie , iż wraz ze wzrostem mocy rośnie twardość badanego materiału. łatwo też zauważyć , że ze wzrostem mocy rośnie sprawność obrabiarki laserowej. Z przeprowadzonych pomiarów mogę wnioskować , iż najlepsze właściwości ma próbka , do której utwardzenia powierzchni użyto największej mocy.

Krzywa twardości względem mocy przypomina wyglądem krzywą wytrzymałości na rozciąganie. Cechy laserowej obróbki powierzchniowej to:

- czystość chemiczna ,

- dobra sterowalność ,

- proces bezdotykowy ,

- łatwość automatyzacji.

---