LABORATORIUM LASEROWYCH TECHNOLOGI METALI |
||
Data: 97.06.02 |
Temat: LASEROWA OBRÓBKA POWIERZCHNIOWA |
Grupa: 22b M |
Wykonał: Rafał Urbański
|
Zaliczenie: |
1.Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z technikami spawania laserowego.
2.Część teoretyczna.
Laserowa obróbka powierzchniowa dotyczy cienkiej warstwy powierzchniowej obrabianego przedmiotu.
Rodzajów laserowej obróbki powierzchniowej należą:
− hartowanie,
− stapianie warstwy powierzchniowej,
− wzbogacanie warstwy powierzchniowej w składniki stopowe,
− nakładanie warstwy powierzchniowej.
Cechy laserowej obróbki powierzchniowej
Przy procesach obróbki powierzchni gęstość mocy wynosi ok. 10÷102 [W/mm2], jak widać jest ona kilka rzędów wielkości mniejsza niż przy cięciu, czy spawaniu (104÷106). Wynika stąd , że zależy nam jedynie na podgrzaniu lub co najwyżej stopieniu materiału
W procesach powierzchniowej obróbki laserowej wymagane jest równomierne rozłożenie mocy na oświetlanej wiązką powierzchni-dlatego inny kształt ma mod wiązki. Aby zachodziła większa absorpcja energii do metalu, jego powierzchnię pokrywa się różnymi absorberami. W tym przypadku bardzo korzystny jest laser wielomodowy, który w dodatku jest tańszy.
Mod do cięcia Mody o obróbki powierzchniowej
Sposoby otrzymywania wiązki prostokątnej:
Istnieją zasadniczo dwa sposoby równomiernego rozkładania energii wiązki:
− skanowanie (wiązka okrągła) - rozkład równomierny
− optyka segmentowa (lustra segmentowe) - dająca w przybliżeniu równomierny rozkład energii i mająca prostokątny kształt
W procesach laserowej obróbki powierzchniowej nie jest konieczny gaz, choć bywa stosowany w celu zapobieżenia utleniania materiału przedmiotu.
Główne zalety laserowej obróbki powierzchniowej:
− obróbka miejscowa - można jej poddawać tylko miejsca szczególnie narażone na uszkodzenie i nie ma potrzeby np. hartowania całego przedmiotu,
− brak obróbki wykończeniowej,
− proces bezdotykowy,
− łatwość automatyzacji,
− możliwość utwardzenia powierzchni zewnętrznej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia,
− czystość procesu,
− hartowanie trudnodostępnych miejsc.
Hartowanie
Proces polega na tym, że w trakcie przesuwania wiązki następuje gwałtowne (Ttopn <Tproc < AC1 ) a następnie gwałtowne jego chłodzenie od wysokiej temperatury. Prędkość chłodzenia jest tak duża ,że zachodzi przemiana martenzytyczna. Chłodzenie następuje z dużą prędkością na skutek absorbcji (odprowadzania) ciepła (energii) do metalu (warstwa nagrzewana ma grubość tylko kilku mikronów). Warstwa nagrzewana nie może być zbyt gruba, ponieważ:
− gęstość mocy nie może być większa (następowało by topienie metalu)
− zmalałaby prędkość chłodzenia
Głębokość oddziaływania wiązki jest minimalna. Zachodzi gwałtowny spadek temperatury. Zahartowana warstwa nie jest zbyt gruba.
Stapianie warstwy powierzchniowej
Proces ten stosuje się w celu ujednorodnienie warstwy powierzchniowej i rozdrobnienie struktury metalu.
Wzbogacanie warstwy powierzchniowej w składniki stopowe
Celem procesu jest stopienie warstwy powierzchniowej z wprowadzeniem potrzebnego składnika. Może być on wprowadzony w postaci proszku, pasty, zawiesiny, folii. Może wchodzić w skład naparowywanej warstwy. Dodatek ten może być wprowadzony na powierzchnię przed procesem lub w trakcie (zależnie od przyjętej technologii).
Nakładanie warstwy powierzchniowej
Różni się od wzbogacania warstwy powierzchniowej, gdyż tutaj mamy do czynienia z inną technologią. Polega ona na pokryciu powierzchni warstwą innego materiału (materiał rodzimy ulega tylko nadtopieniu). Powłoki nakładane w ten sposób służą zwykle jako warstwy zabezpieczające przed środowiskiem (czyli przed korozją). Istnieją różne metody nakładania warstwy powierzchniowej w komorach próżniowych:
− naparowywanie - laser oświetla materiał, który ma być nałożony na przedmiot
− pirolityczna - pod wpływem temperatury wiązki następuje rozkład związku chemicznego, np. wzbogacanie tytanu azotem (z rozłożonego amoniaku) - tworzą się bardzo wytrzymałe i odporne azotki tytanu
Typy procesów w komorach próżniowych:
− naparowywanie − wprowadzona jest wiązka promieniowania laserowego; oświetlony wiązką materiał zostaje odparowany i osiada na żądanej powierzchni,
− pirolityczne naparowywanie − następuje rozkład związków chemicznych pod wpływem temperatury, np.: wzbogacanie tytanu azotem.
Przykładowe parametry hartowania stali gatunek 45 i odpowiednie twardości
P [W] |
v [mm /min] |
Pomiar twardości HV |
Uwagi |
||
|
|
I |
II |
III |
|
540 |
990 |
219 |
208 |
228 |
|
1232 |
990 |
217 |
235 |
217 |
|
1825 |
990 |
675 |
547 |
614 |
|
2448 |
990 |
639 |
666 |
725 |
|
3. Wyniki doświadczenia
Używaliśmy stali 45 o grubości 5mm, twardość materiału rodzimego wynosiła 260HV. Twardość poszczególnych próbek była mierzona w trzech miejscach.
Długość przekątnej odcisku przy badanej twardości.
Ilość mocy |
Uzyskana twardość materiału |
Twardość średnia |
540 [W] |
219 HV 208 HV 228 HV |
218HV |
1232 [W] |
217 HV 235 HV 217 HV |
223 HV |
1825 [W] |
675 HV 547 HV 614 HV |
612 HV |
2448 [W] |
639 HV 666 HV 725 HV |
676 HV |
4. Wnioski.
Na podstawie uzyskany pomiarów widać różnice w twardości materiału. Różnice w wynikach zastały prawdopodobnie spowodowane niejednorodnością materiału oraz stopniem warstwy powierzchniowej. Wyniki pokazują jasno, że przy danej prędkości (990 [mm/min]) moc lasera powinna zbliżać się do 1.8 [kW]. Innym rozwiązaniem jest zmniejszenie prędkości - wtedy moc mogła by być odpowiednio mniejsza (chodzi o to, aby metal zdążył się nagrzać).
0,3 mm