POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w KIELCACH
laboratorium laserowych technologii metali
TEMAT: LASEROWE TECHNOLOGIE KSZTAŁTOWANIA METALI
imię i nazwisko	nr. ćwiczenia	data wykonania	ocena
Orlik Roman gr. 23M	6	97-06-06

1. Cel ćwiczenia:

Celem części teoretycznej ćwiczenia jest zapoznanie się z laserowymi technologiami kształtowania metali. Celem części praktycznej jest wykonanie zagięcia dwóch płaskowników oraz zbadanie wpływu mocy na kąt zagięcia oraz wpływu prędkości na kąt zagięcia.

2. Wiadomości teoretyczne:

Laserowe kształtowanie metali jest nowoczesną technologią, która pozwala zmienić kształt metalowych przedmiotów (blach, rur i prętów) bez używania narzędzi i bez przykładania sił zewnętrznych. Zastosowanie laserowych technologii kształtowania metali pozwala nadawać metalom lub stopom metalowym o różnej skali twardości i kruchości, nawet bardzo twardym i kruchym.

Metodą tą można kształtować dowolne stopy metali, jeśli spełniają dwa warunki termicznej obrabialności:

Metal przejawia rozszerzalność termiczną, tzn. ulega rozszerzaniu pod wpływem temperatury ,

Metal ulega procesowi plastycznego płynięcia pod wpływem stanu naprężeń i pod wpływem temperatury, dostatecznie poniżej punktu jego topienia.

Zmianę kształtu przedmiotu w LTKM dokonuje się dwoma procesami :

Procesem laserowego nagrzewania ruchomą wiązką lasera

Procesem schładzania np. strumieniem rozpylonej cieczy.

Procesy te realizuje się w sposób według schematu pokazanego na poniższym rysunku, gdzie V oznacza prędkość przesuwu (ruchu wzajemnego wiązki przedmiotu)

x jest utrzymywaną stale odległością między osią wiązki, a osią strugi chłodzącej, P. oraz -P. oznaczają moc nagrzewania i moc chłodzenia.

Strumienie mocy : nagrzewania i chłodzenia

Prowadząc wiązkę promieniowania laserowego i strumień chłodzący na płaskiej blasze otrzymujemy tzw. „ zawias termiczny”, z możliwością wygięcia wklęsłością ku wiązce („na laser”) lub wypukłością ku wiązce („od lasera”)

Poniższy rysunek przedstawia gięcie „na laser”

Poniższy rysunek przedstawia gięcie „od lasera”

Laserowe technologie kształtowania metali ma szereg zalet w porównaniu z innymi technologiami kształtowania metali jak np.

• tłoczenie w matrycach

• wygniatanie rolką

• gięcie metodą trzech rolek

• śrutowanie ( tłoczenie strumieniem kulek stalowych wydmuchiwanych przez dyszę)

polegające na tym, że proces prowadzony na laserze jest :

elastyczny wskutek braku narzędzi

precyzyjnie sterowany komputerowo

możliwość nadawania szerokiej klasy kształtów, potrzebnych w lotnictwie i w pojazdach kosmicznych

możliwość prototypowania, to znaczy wytwarzania pojedynczych egzemplarzy lub krótkich serii produktu

Koszty są tu bezpośrednie tzn. Zależą od liczby egzemplarzy (poprzez koszt amortyzacji obrabiarki laserowej i robociznę ), a nie ma kosztów stałych, takich jak

np. koszt specjalnej formy w lotnictwie.

Wpływ parametrów wiązki laserowej i własności przedmiotu (rodzaj metalu, jego granica plastyczności i jej zmienność z temperaturą, temperatura topnienia, współczynnik rozszerzalności, przewodność cieplna, ciepło właściwe, gęstość, zdolność absorpcyjna powierzchni, wymiary geometryczne) powoduje, że w przypadku metali i parametrów jeszcze nie obrabianych trzeba przeprowadzić wstępne badania i testy, celem odpowiedniego dobrania mocy wiązki laserowej, prędkości i trajektorii przesuwu.

Kąt zagięcia otrzymany w jednym przebiegu można powiększyć stosując przebiegi wielokrotne. Nie można natomiast próbować powiększać kąta zagięcia przez zwiększenie mocy lasera. Prowadzi to do przegrzania materiału , jego stopienia lokalnego lub nawet przecięcia. Moc lasera jest związana z grubością materiału.

Metodą laserową udaje się wykonywać takie operacje jak :

nadawanie blachom kształtów walcowych (o prostych tworzących, fałdowanie)

formowanie powierzchni stożkowych

tworzenie powierzchni kulistych i toroidalnych.

Zestawienie kryterium zależności

Parametry procesu	wpływ	na
	kąt zagięcia	promień zagięcia
moc wiązki	++	o
średnica wiązki	+(+)	++
prędkość wiązki	++	+
stałe materiałowe
współczynnik rozszerzalności ++ liniowej		o
własności elementu
naprężenia własne	++	o
geometria kształtu	++	o(+)
długość krawędzi zaginania	++	o
grubość ścianki	++	o(+)
odległość linii zagięcia od swobodnego brzegu	++	o

oznaczenia:

++ duży

+ znaczny

o mały lub pomijalny

Część doświadczalna

W części praktycznej wykonaliśmy kształtowanie dwóch blach. Blachy ze stali St3 o grubości 3[mm] pokryte zostały absorberem grafitowym o współczynniku pochłaniania równym 0.7i zostały poddane działaniu wiązki laserowej o średnicy 11[mm].

Podczas kształtowania pierwszej z blach przyjęto stałą moc równą 1500[W], a zmianie ulegała prędkość . Przyjęto trzy prędkości, a następnie po kilkakrotnym i chłodzeniu przejściu wiązki laserowej zmierzono kąt zagięcia. Przy kształtowaniu drugiej z blach przyjęto stałą prędkość V=const = 750[mm/min] , a moc ulegała zmianie. Dane dotyczące parametrów zawarto w poniższej tabeli.

moc	prędkość	kąt zagięcia
[W]	[mm/min]	w [^0]
1 blaszka
	1000	7,45
1500	750	10,3
	500	10,15
2 blaszka
1000		4,15
1500	750	10,15
2000		9,45

Wykres zależności pomiędzy prędkością przesuwu wiązki laserowej a kątem zagięcia .

Wykres zależności pomiędzy mocą a kątem zagięcia

Wnioski:

Na podstawie materiałów teoretycznych, z którymi zostaliśmy zapoznani podczas odbywania ćwiczenia, przeprowadzonego doświadczenia praktycznego (które miało na celu zmianę kształtu płaskich kawałków blachy ), oraz uzyskanych wyników pomiaru kąta zagięcia można wyciągnąć kilka istotnych wniosków.

Podczas laserowego kształtowania metali należy optymalnie dobrać moc lasera i prędkość, ponieważ jak można zauważyć na wykresie sporządzonym do wyników z ćwiczenia wraz ze wzrostem prędkości przesuwu lasera rośnie kąt zagięcia, jednak po przekroczeniu pewnej wartości badany parametr zaczyna maleć. Podobnie dzieje się mocą . Na zamieszczonym powyżej wykresie widać, że po przekroczeniu wartości mocy 1500 [W] dla stali ST3 o grubości 3[mm] kąt zagięcia zaczyna maleć.

I dla wartości mocy 2000[W] spadł do 9^o45'. Dalsze zwiększanie mocy lasera może prowadzić do przegrzania materiału, jego lokalnego stopienia lub przecięcia.

Metody laserowego kształtowania metali są metodami nowoczesnymi, jednak ze względu na koszty zakupu obrabiarek laserowych i wiążące się z tym koszty, rzadko stosowane w naszym kraju.

---