1.

Wymieo i scharakteryzuj technologie laserowej obróbki powierzchni

Technologie laserowe zyskały zastosowanie do wytwarzania warstw powierzchniowych

różnymi metodami:

• cieplnymi (hartowanie, nadtapianie, natapianie, ablacja laserowa),
• cieplno-chemicznymi (stopowanie),
• cieplno-mechanicznymi (utwardzanie).

W zależności od efektów uzyskiwanych w wyniku przetapiania i krzepnięcia, przetapianie
laserowe można podzielid na:

• hartowanie przetopieniowe,
• szkliwienie,
• zagęszczanie,
• wygładzanie.

Technologie laserowe:

a) Bazowe: cięcie,
b) Kluczowe: obróbka cieplna (hartowanie, wyżarzanie), przetapianie, stopowanie,

napawanie, znakowanie, technologie laserowe w medycynie;

c) Eksperymentalne: Laserowe metody Rapid Prototyping,
d) Embrionalne: ablacja laserowa



Technologie laserowej obróbki cieplnej np. hartowanie przetopieniowe

Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego. W warstwie powierzchniowej

o grubości kilku mikrometrów, po hartowaniu przetopieniowym wyróżnia się kilka stref.

Strefa powierzchniowa składa się głównie z tlenków metali i faz utworzonych w wyniku

oddziaływania chemicznego i cieplnego stali oraz rozpuszczonych w niej gazów i składników
powłoki absorpcyjnej z odpowiednią atmosferą oraz wiązką laserową.

W kolejnej strefie, o morfologii dendrytycznej i strukturze martenzytycznej uzyskanej po

zahartowaniu ze stanu ciekłego, węgliki zawarte w stali uległy całkowitemu lub częściowemu
rozpuszczeniu w osnowie, w wyniku działania wiązki laserowej.

Głębiej jest położona strefa podpowierzchniowa zahartowana ze stanu stałego o strukturze

niejednorodnej, z martenzytem, austenitem szczątkowym i węglikami w pobliżu strefy
przetopionej, oraz z martenzytem i ferrytem w stalach podeutektoidalnych lub cementytem
w stalach nadeutektoidalnych w pobliżu rdzenia. Listwy martenzytu w tej strefie są 1,5-2-
krotnie mniejsze niż po hartowaniu konwencjonalnym.

Laserowe hartowanie przetopieniowe wpływa na polepszenie własności eksploatacyjnych,

trybologicznych, zmęczeniowych i antykorozyjnych oraz pogorszenie chropowatości
powierzchni.



Przetapianie laserowe

Przetapianie laserowe polega na gwałtownym przetopieniu cienkiej warstwy wierzchniej

materiału podłoża, lub naniesionej na nie powłoki i równie gwałtownie po nim następującej
krystalizacji lub amorfizacji.

Podczas przetapiania laserowego warstwy powierzchniowej występuje parowanie

przetapianego materiału, powstaje plazma. Plazma ma za zadanie ochronić powierzchnię żeby
nie występowało dalsze nagrzewanie. Plazma oddziałuje także na powierzchnię jeziorka
ciekłego metalu, zwiększa ciśnienie oraz miesza stopiony metal. W miejscu gdzie pada
wiązka lasera w jeziorku tworzy się lejkowate zagłębienie, na jego powierzchnię działa
ciśnienie hydrostatycznecieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony
wiązki. Podczas procesu przetapiania laserowego powstają charakterystyczne wypływki na
powierzchni przetapianego materiału, w tym przypadku tworzą się pofałdowania.

W zależności od efektów uzyskiwanych w wyniku przetapiania o krzepnięcia,

przetapianie laserowe można podzielić na:

o Hartowanie przetopieniowe,
o Szkliwienie
o

Zagęszczanie,

o Wygladzanie.

W zależności od zastosowanej energii wiązki laserowej oraz prędkości skanowania można
wyróżnić:

o Podtapianie,
o Przetapianie,
o Intensywne przetapianie,
o Bardzo intensywne przetapianie.



Stopowanie/wtapianie laserowe

Polega na jednoczesnym topieniu materiału stopującego i podłoża, przez wiązkę laserową,

przy intensywnym mieszaniu ich w ciekłym jeziorku. W zależności od sposobu
wprowadzania

dodatku

stopującego

do

jeziorka

rozróżnia

się

przetapianie

i wtapianie.

Proces stopowania polega na naniesieniu na podłoże materiału stopującego i na

następnym przetopieniu go wraz z warstwą wierzchnią materiału podłoża. Materiał stopujący
nakłada się na materiał podłoża metodami malowania, pokrywania przyklejonymi pastami lub
proszkami (ze sproszkowanymi żelazostopami metali nasycających, węglikami boru,
wolframu, tytanu), natryskiwania cieplnego (plazmowego, płomieniowego, dotonacyjnego),
naparowywania, osadzania elektrolitycznego, natryskiwania zawiesinami, nanoszenia
elektroiskrowego, nakładania cienkich folii, płytek, prętów lub drutów. Struktura tej warstwy,
jej skład chemiczny i własności fizykochemiczne różnią się od podłoża i od materiału
stopującego.

Materiał w warstwie stopowanej po zakooczeniu oddziaływania wiązki laserowej

krzepnie, a materiał podłoża w jego sąsiedztwie ulega zahartowaniu. Struktura tej warstwy, jej
skład chemiczny i własności fizykochemiczne różnią się od podłoża i od materiału
stopującego. Grubośd warstw uzyskanych przez stopowanie przetopieniowe wynosi 0,3-0,4
mm przy nagrzewaniu impulsowym lub 0,3-1,0 mm przy nagrzewaniu ciągłym.



Napawanie laserowe/ Natapianie laserowe

Zwane również platerowaniem, polega na stopieniu grubej warstwy materiału natapianego

i na podtopieniu bardzo cienkiej warstwy materiału podłoża wraz z przetopieniem
naniesionego materiału powłoki, natapianego dla uzyskania powłoki bardziej odpornej na
erozję, korozję lub ścieranie niż podłoże. Natapianie laserowe powoduje rozdrobnienie
struktury oraz rozpuszczenie faz węglikowych, w wyniku czego po ochłodzeniu powstaje
roztwór przesycony pierwiastkami stopowymi.

Napawanie laserowe może różnić się rodzajem wiązki laserowej, ale także sposobem

podawania materiału dodatkowego. Możemy wyroznić następujące sposoby podawania:

o Wdmuchiwanie proszku,
o Nanoszenie proszku,
o

Smarowanie pastą,

o Podawanie drutu.

Przewagą laserowego napawania nad klasycznymi metodami napawania jest powstawanie
napoiny o minimalnym zniekształceniu i lepszej jakości powierzchni. Struktura napoiny jest
bardzo drobnoziarnista, co dobrze wpływa na własności mechaniczne. Kolejną zaletą jest
duża dokładność oraz powtarzalność procesu bez względu na kształt powierzchni roboczej.



Laserowe metody Rapid Prototyping –

Techniki RP, dzięki którym na podstawie trójwymiarowego, wirtualnego modelu CAD-

3D możliwe jest wykonanie fizycznych modeli, części wzorcowych i prototypów. Do
najpopularniejszych technik należą:



stereolitografia (Stereolithography SL, SLA),



selektywne laserowe spiekanie proszku (Selective Laser Sintering - SLS),



Laser Engineered Net Shaping (LENS).



Znakowanie laserowe

Czyli metoda zmiany własności i topografii powierzchni wykorzystująca zjawisko

punktowego naświetlania laserem (a także bombardowania wiązką jonów, lub nastrzykiwania
powierzchniowego). Dzięki możliwości połączenia wzornikowania z metodą wytwarzania
warstw samoorganizujących się SAMs (j. ang.: self assembled monolayers) uzyskuje się
powierzchnie o zróżnicowanej zwilżalności



Ablacja laserowa

Ablacja laserowa jest to proces, w którym wysokoenergetyczne kwanty promieniowania

lasera wywołują obniżenie energii wiązań pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie
warstw atomowych jedna po drugiej.

Ablacja laserowa jest zjawiskiem wykorzystywanym do realizacji procesów rozpylania

wielu materiałów w technologii wytwarzania powłok metodą PLD (pulsed laser deposition).
Zjawisko ablacyjnego odparowania materiału wywołane np. bombardowaniem jego
powierzchni przez fotony promieniowania laserowego, jest wieloetapowym złożonym
procesem fizycznym, w wyniku którego z powierzchni naświetlanego materiału następuje
emisja cząstek na materiał tarczy.

Generalnie można wyróżnić 2 podstawowe mechanizmy ablacji laserowej:

o

Ablację fotochemiczną – zwana “zimną ablacją”, odgrywa dominującą rolę
w procesie rozpylania materiałow organicznych (np. PCV). W procesie tym
odpowiednio wysoka energia fotonów, bombardujących powierzchnię
naświetlanego materiału, umożliwia rozrywanie jego wiązań międzyatomowych,
a ograniczone efekty cieplne pojawiają się jedynie w obszarach brzegowych strefy
oddziaływania wiązki laserowej na tarczę.

o

Ablację fototermiczną – jest procesem, w którym odparowanie materiału zachodzi
głównie wskutek szybkiego wzrostu temperatury wprzypowierzchniowych
warstwach tarczy, wywołanego oddziaływaniem na materiał tarczy wiązki
promieniowania laserowego.



Cięcie laserowe

Cięcie laserowe jest termicznym procesem cięcia materiałów. Polega na topieniu

i odparowywaniu lub spaleniu warstw materiału przy pomocy wysokoenergetycznej
skoncentrowanej wiązki świetlnej uzyskanej w laserze. Głównymi cechami technologii cięcia
laserowego jest wysoka jakość i niska chropowatość przeciętej powierzchni, wąska szczelina
i mała strefa wpływu ciepła, małe odkształcenia materiału, ostre krawędzie oraz bardzo małe
lub brak warstw utlenionych.

W urządzeniach do cięcia laserem wykorzystuje się wiązkę światła silnie skoncentrowaną

w jednym punkcie za pomocą zestawu luster i soczewek skupiających. Pozwala to na
uzyskanie wiązki o dużej gęstości mocy. Proces cięcia laserem polega na skierowaniu wiązki
lasera na powierzchnię materiału, który zostaje stopiony, odparowany lub spalony. Padanie
skoncentrowanej wiązki światła na powierzchnię materiału powoduje jego intensywne
nagrzewanie się. Podczas procesu doprowadza się pewną ilość gazu do strefy cięcia.
Dodatkowy strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał i jego opary powstałe podczas
procesu.

Metody cięcia laserowego:

o

Cięcie przez odparowanie,

o

Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie,

o

Cięcie przez wypalanie,

o

Cięcie przez generowanie pęknięć termicznych.



Technologie laserowe w medycynie

2.

Omów zjawisko krystalizacji stopów metali w procesie laserowej obróbki
powierzchniowej

a - stan wyjściowy, b - nagrzewanie strefy wiązką laserową, c - chwilowe odkształcenie
sprężyste próbki podczas nagrzewania, d - uplastycznienie i spęczenie strefy nagrzewanej,
e - cyrkulacja jeziorka ciekłego metalu, f -postępująca krystalizacja strefy przetopionej, g
- stan po zakończeniu krystalizacji, h - odkształcenie próbki podczas stygnięcia

W początkowym okresie krystalizacja zachodzi przy nieznacznym gradiencie temperatury
i zdominowana jest powstawaniem kryształów słupkowych. Dendryty krystalizujące
prostopadle do frontu odprowadzenia ciepła, wykazują jednocześnie uprzywilejowaną
orientację krystalograficzną. Znaczącą rolę odgrywa też w tym etapie zarodkowanie
heterogeniczne na częściowo nadtopionych ziarnach (krystalitach) pierwotnych materiału
rodzimego gdyż, w związku z tym nowo rosnące dendryty przyjmują orientację
krystalograficzną tych ziarn. Silna cyrkulacja strumienia ciekłego metalu powoduje
rozmnażanie się powstających kryształów i w efekcie, w dalszym etapie krystalizacji
nadtopionej stref)' materiału podłoża dominują bardzo drobne kryształy równoosiowe. W
miarę postępującej krystalizacji następuje wyrównywanie się temperatury wewnątrz
obrabianej próbki, zaś krystalizujące jeziorko, w wyniku skurczu, stopniowo zmniejsza
swą objętość. Prowadzi to do występowania naprężeń, których ostateczny poziom i znak
ustala się po osiągnięciu temperatury otoczenia. Zróżnicowanie poziomu naprężeń dla
różnych parametrów przetopienia materiału rodzimego, związane jest z wielkością stref)'
spęczoneJ na etapie nagrzewania warstwy wierzchniej. Przy dużej energii właściwej strefa
ta jest proporcjonalnie większa, przez co skrócenie warstwy wierzchniej jest znaczniejsze
i skutkuje wyższymi naprężeniami powstającymi podczas stygnięcia w obszarze
przetopionym. Ostatecznym objawem geometrycznym przeprowadzonej obróbki
laserowej jest sprężyste wygięcie próbki w taki sposób, że utworzona warstwa wierzchnia
znajduje się po wewnętrznej stronie krzywizny.

3.

Przedstaw metody charakteryzacji własności technologicznych materiałów
inżynierskich obrabianych laserowo.

Badania laserowe:

a) Badanie chropowatości na powłokach poniżej 25µm – laser helowo-neonowy, przy

wtrąceniach

b) Badania korozyjne – zliczanie impulsów laserowych
c) Badania korozyjne – badania grubości, bombardowanie powierzchni impulasami które

się odbijają

d) Pomiar temperatury – określenie prędkości fli ultradźwiękowej przechodzącej przez

materiał

e) Badanie zawartości siarki w części ze stali miękkiej – impuls lasera wytwarza plasmę ,

wynik – koncentracja siarki

f) Badania środowiska, geologia, w wojsku, medycynie, do zanieczyszczeń w atmosferze

4. Scharakteryzuj urządzenia stosowane w materiałowych procesach obróbki

powierzchniowej

Podział:

a) Ze względu na moc: dużej, średniej, małej
b) Ze względu na sposób pracy:



Pracy ciągłej – em prom. O słabym natężeniu



Impulsowe – emituje imp. Światła

c) Ze względu na widmo prom.: w podczerwieni, w części miedzianej, w nadfiolecie
d) Ze względu na ośrodek czynny:



Gazowe: tlenowo –jonowy, na dwutlenek węgla, kryptonowy, azotowy,

argonowy



Na ciele stałym – rubinowy, neodymowy, tytanowy na szafirze, diodowe



Ciekły – barwnikowe, chylatowe



Półprzewonikowe (diodowy)



Bezłączowe – kwantowy laser kaskadowy

Nowoczesne urządzenia laserowe a zwłaszcza lasery na ciele stałym: Nd:YAG, diodowe,
włóknowe i tarczowe, umożliwiają doprowadzenie układem światłowodowym energii wiązki
laserowej ciągłej lub impulsowej do dowolnych trudno dostępnych obszarów wymagających
obróbki cieplnej.

Laser diodowy HDPL (ang. High Power Diode Laser) jest laserem półprzewodnikowym
dużej mocy, w którym elementem czynnym jest pręt diodowy, zbudowany z pojedynczych
emiterów diodowych. Jako materiał półprzewodnikowy do produkcji diod stosuje się arsenek
galu GaAs, domieszkowany As, In i P. Pompowanie elementu czynnego odbywad może się
poprzez pompowanie z innego źródła, np. wiązkę elektronów, promieniowanie świetlne czy
poprzez złącze p-n. Na powierzchni pręta diodowego znajdują się emitery diodowe, na
których zachodzi emisja promieniowania laserowego. Duże moce laserów HDPL uzyskuje się
poprzez wykorzystanie specjalnych technologii budowy pakietów diodowych (wiele prętów
diodowych ułożonych równolegle połączonych z sobą szeregowo). Laser HDPL jest to
najnowocześniejsze źródło energii cieplnej od niedawna wykorzystywane do spawania na
skale przemysłową.

5. Przedstaw perspektywy zastosowania laserowej obróbki powierzchniowej dla

wybranych grup materiałów

Stosuje się do diamentów, ceramiki i stali.

Stal.
Można wykonad przegląd technologiczny który jest wykonany w odniesieniu do każdego z
obszarów tematycznych laserowej obróbki powierzchniowej i będzie obejmował sporządzenie
pełnej listy znanych i stosowanych w danym obszarze technologii i ocenę ich aktualnej fazy
cyklu życia, dokonana w celu wyeliminowania rozwiązao przestarzałych, nieefektywnych,
nieekologicznych i o słabszych perspektywach rozwojowych.

Laserowa obróbka cieplna w porównaniu z innymi metodami powierzchniowej obróbki
cieplne czy tez z konwencjonalna obróbka cieplną ma lepszy wpływ na mikrostrukturę i
własności mechaniczne stali.
Ze względu na niską przewodnośd cieplną, trudno obrabialnym materiałem jest stal
szybkotnąca. Jednak stosując odpowiednią gęstośd mocy lasera można uzyskad w szybki
sposób wysoką twardośd (nawet ponad nieco 1150 HV) oraz korzystną mikrostrukturę
(martenzyt listwowy i płytkowy, austenit szczątkowy – 13,2% przy optymalnej gęstości
mocy, nierozpuszczone węgliki oraz węgliki wydzieleniowe) a także mniejsze ziarno w
porównaniu do tradycyjnych metod obróbki cieplnej stali szybkotnących.

Godnym uwagi procesem jest też natapianie laserowe. Proces ten powoduje rozdrobnienie
struktury oraz rozpuszczenie faz weglikowych – powstawanie roztworu przesyconego
pierwiastkami

stopowymi.

Zapewnia to polepszenie własności eksploatacyjnych

i zwiększenie odporności na ścieranie oraz poprawę własności w podwyższonej temperaturze,
chociaż zwiększa się podatnośd na pekanie natopionych warstw. Te własności decyduje ze
stosuje się je do materiałów odpornych na korozje, materiałów narzędziowych, odpornych na
ścieranie, żaroodpornych i odpornych na zużycie w wysokiej temperaturze. Stal można
natapiad aluminium, stopami kobaltu, tytanu lub różnego rodzaju mieszaninami.