Post on 28-Dec-2015
description
transcript
Fasciculul laser. Sudarea, marcarea si gravarea cu laser
3.1 Introducere
Progresele însemnate înregistrate în tehnica laserilor şi apariţia unor instalaţii laser de
mare putere, relativ accesibile, au stimulat cercetările legate de posibilele aplicaţii ale acestora
în prelucrarea materialelor.
Deşi utilizarea industrială a laserilor este socotita ca făcând parte încă dintre
tehnologiile neconvenţionale din cauza caracteristicilor speciale – lipsa contactului mecanic
cu materialul de prelucrat etc., aria posibilelor aplicaţii ale acestora în procesarea materialelor
se lărgeşte continuu. Laserul este utilizat ca sursa de energie în prelucrarea materialelor pentru
realizarea unor operaţii de prelucrare mecanică (debitări, perforări, sudură, marcare), fie
pentru modificarea proprietăţilor stratului superficial prin tratamente termice.
3.2 Principiul LASER
LASER este acronimul de la “ Light Amplification by Stimulated Emision of
Radiation ” (amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaţie).
Deşi este o radiaţie electromagnetică, la fel ca şi sursele clasice de lumină, radiaţia
laser are proprietăţi spectaculoase, care o diferenţiază puternic de acestea .
Caracteristicile generale ale radiaţiei laser sunt următoarele:
coerentă, atât spaţial cât şi temporal (oscilaţile radiaţiei sunt în fază, pornind
din acelaşi punct şi având aceeaşi mărime) ;
direcţionată (difracţia radiaţiei laser este mult mai mică comparativ cu
lumina obişnuită, iar utilizarea unor dispozitive specială permite focalizarea
fasciculului laser pe o suprafaţă foarte mică) ;
monocromatică (este constituită dintr-o singură culoare/lungime de undă)
;
intensitatea.
3.2.1. Monocromaticitatea
Una dintre trăsăturile fundamentale ale radiaţiei laser o constituie monocromaticitatea,
care reprezintă intervalul de lungimi de undă ocupat de radiaţie, adică lăţimea spectrală a
emisiei laser. Gradul de monocromaticitate pentru o linie spectrală de lungime de undă
(frecvenţa), este definit după cum urmează:
= /0 = /0 [3.1 ]
unde reprezintă lăţimea liniei radiaţiei laser. Practic, laserii sunt consideraţi ca emiţători
de radiaţii monocromatice, datorită faptului că liniile spectrale sunt suficient de înguste
pentru a fi descrise ca având o singură frecvenţă sau o singură lungime de undă. Întrucât
radiaţia laser este de o înaltă monocromaticitate, ea poate fi utilizată în diferite studii, ca
frecvenţă standard.
Monocromaticitatea radiaţiei laser este strâns legată de alte caracteristici importante
ale radiaţiei laser, cum ar fi coerenţa spaţiala şi temporală.
3.2.2. Coerenţa
Aceasta proprietate, definitorie pentru radiaţia laser, provine din însuşi modul de
obţinere al radiaţiei.
Coerenţa este o corelaţie intre parametrii câmpurilor de radiaţii produse de către două
surse separate spaţial, simultan, ( Coerenţa spaţială ), sau de către aceeaşi sursă în momente
diferite ( coerenţă temporală ). Când sursele sunt coerente, intensitatea I rezultată din
suprapunerea câmpurilor într-un punct dat Q, poate avea orice valoare cuprinsă între:
şi [3.2]
în funcţie de diferenţa de fază. Când sursele nu sunt coerente, intensitatea I este suma
intensităţilor I1 şi I2. Relaţia dintre coerenţa spaţială şi cea temporală este dată de ecuaţia:
lcoh = ccoh [ 3.3 ]
În această relaţie, c este viteza luminii. Ecuaţia [3.3] are următoarea semnificaţie: dacă
diferenţa dintre fasciculule I1 şi I2 este mai mare decât parametrul lcoh, denumit lungime de
coerenţă, atunci nu există o corelaţie între parametrii câmpului electromagnetic în diferite
puncte ale spaţiului.
Undele electromagnetice emise de surse, nu se schimbă cu mai mult de ; coh este
proporţional cu lăţimea liniei, adică cu gradul de monocromaticitate al radiaţiei, conform
relaţiei [ 3.3 ]:
[3.4 ]
Timpul de coerenţă pentru radiaţia laser poate fi de ordinul 10-2 - 10-1 s, în timp ce
pentru sursele convenţionale luminoase el este de 10-8 s. Coerenţa temporală ridicată a
radiaţiei laser se dovedeşte folositoare în nenumărate aplicaţii industriale şi de cercetare, care
implică interferenţa, măsurători ale lungimii, vitezei liniare şi unghiulare, deplasări mici,
transmitere de date la frecvenţe optice, etc. .
Coerenţa spaţială a radiaţiei laser face ca aceasta să fie puternic direcţională, astfel
încât să poată fi focalizată pe suprafeţe mici.
3.2.3. Direcţionalitatea
Direcţionalitatea radiaţiei este descrisă de unghiul solid în care este emisă radiaţia
principală. Dacă unghiul solid este un con, radiaţia laser este caracterizată prin unghiul plan al
împrăştierii (unghi de divergenţă). Dacă unghiul solid nu este un con, parametrii definitori
sunt cele două unghiuri în planul orizontal şi în cel vertical. În fig. 3.1. este prezentat modelul
de radiaţie teoretic al unei surse emiţătoare circulare.
Pentru cazul prezentat în figură, cea mai mare parte a energiei radiate este concentrată
în lobul principal al modelului. Intensitatea maximă a câmpului în cei doi lobi laterali nu
depăşeşte 2% din intensitatea maximă I0 a câmpului de radiaţie. Presupunând că amplitudinea
şi faza sunt uniforme în secţiunea transversală a fluxului de radiaţie, atunci divergenţa
limitată de difracţie a fasciculului este unghiul (la jumătatea nivelului de putere):
0,5 = 1,22/D [3.5 ]
unde D este diametrul fasciculului.
Fig. 3.3 Modelul de radiatie teoretic al unei surse emitatoare circulare
Laserii au în realitate divergenţe mult mai mari decât cea estimată, divergenţa datorată
multor factori, dintre care se pot enumera:
distribuţia neuniformă a amplitudinii şi a fazei câmpului de radiaţie în interiorul suprafeţei
de iradiere;
natura multimodală a generării (mai exact prezenţa modurilor transversale);
neomogenităţi ale mediilor active;
imperfecţiuni ale elementelor rezonante.
Mai multe studii arată că suprafaţa radiantă a unui mediu activ nu este omogenă şi
constituie un mozaic structural, cuprinzând complexe de spoturi luminoase şi spoturi
individuale, cu dimensiuni de 850m şi respectiv 100 m. Divergenţa unei radiaţii laser
poate fi micşorată, în primul rând, prin alegerea modurilor transversale cele mai ridicate.
Laserii monomodali care generează modurile TEM00 de ordinul cel mai mic, au cea mai mică
divergenţa unghiulară. Laserii cu gaz sunt cel mai uşor de utilizat în regim mono-modal.
Rezultatele experimentale arată că proprietăţile anterioare nu sunt semnificative prin
ele însele în ceea ce priveşte efectul radiaţiei laser asupra solidelor opace când densitatea
fluxului de energie este atât de ridicată încât să producă dezintegrarea solidului.
3.2.4. Puterea, energia şi focalizarea fasciculului laser
Pentru laserii folosiţi în aplicaţiile termice, puterea sau intensitatea fasciculului
constituie principalele caracteristici ale acestuia. Intensitatea fasciculului este exprimată în
funcţie de modul de funcţionare al laserului prin:
P - puterea fasciculului exprimată în W sau kW, pentru laseri cu regim continuu de
funcţionare;
E - energia pulsului, pentru laserii cu emisie pulsată;
În aplicaţiile termice fasciculul laser trebuie focalizat prin intermediul unui sistem
optic constituit din lentile sau oglinzi, pentru a se realiza concentrarea energiei pe o suprafaţă
foarte mică (spot). Intensitatea fasciculului se poate caracteriza prin densitatea de energie sau
prin densitatea de putere.
3.2.5.Strălucirea
Strălucirea sau radianţa unei surse luminoase poate fi definită ca puterea
emisă/unitatea de arie, în unitatea de unghi solid, măsurată în W/m2/ster radian. Aceasta este o
mărime ce caracterizează sursa; prin focalizarea radiaţiei, unghiul solid va fi mai mare, deci
strălucirea va fi mai constantă. Laserul este o sursa de radiaţii electromagnetice puternic
colimată, adică cu o mare direcţionalitate, ceea ce face ca strălucirea sa să fie mult superioară
surselor clasice.
3.2.6. Polarizarea
Aceasta este proprietatea ce exprimă modul de repartizare a oscilaţiei electromagnetice
transversale de-a lungul fasciculului. Această proprietate nu afectează proprietăţile de
focalizare şi concentrare ale sursei, proprietăţi de interes în cazul aplicaţiilor industriale ale
laserilor de mare putere.
Figura 3.1. Principiul generării fasciculului LASER
Fasciculul laser este generat într-o incintă care conţine mediul activ, un amestec de
substanţă activă cu energie disponibilă pentru a permite emisia stimulată, diluată într-o
substanţă transparentă care, în plus, permite eliminarea căldurii. Atomii din mediul activ (care
poate fi un cristal solid, un lichid sau un gaz) absorb energia emisă de mecanismul de excitare
(lămpi flash, diode sau electrozi) şi sunt mutaţi pe un nivel energetic superior. În aceste
condiţii are loc un fenomen denumit inversarea populaţiei care determină revenirea atomilor
pe nivelul energetic iniţial şi eliminarea surplusului de energie sub forma emisiei de fotoni
care formează radiaţia luminoasă LASER.
Mediul activ poate fi:
o solid – cristal, sticlă sau semiconductor;
o gazos – argon, monoxid de carbon, dioxid de carbon;
o lichid – coloranţi
3.3. Tipuri de laser
În industrie se folosesc în special două tipuri de echipamente laser: laser YAG:Nd şi laser cu
CO2. Ambele tipuri generează radiaţie în spectrul infraroşu deci fasciculul laser este invizibil.
Laserul de tip Nd-YAG foloseşte ca mediu activ un metal (neodyn) dopat într-o sticlă
specială, energia de activare fiind generată de o lampă flash (kripton sau xeleniu) înfăşurată
pe cristalul activ. Cristalul este de formă cilindrică, şlefuit şi are feţele frontale acoperite cu un
strat antireflexiv.
În acest caz, atomii de Nd3+ excitaţi optic produc o inversiune de populaţie în cristalul
YAG (ytrium-aluminium-garnet), rezultatul fiind o emisie spontană de fotoni în regim pulsat
cu lungimea de undă de 1,06 m. Puterea instalaţilor utilizate în industrie la acest moment nu
depăşeşte 2,5 kW şi este dificil de realizat instalaţii cu putere mai mare datorită faptului că
eliminarea căldurii care rezultă în timpul procesului de generare a radiaţiei devine foarte
dificilă. În industrie se utilizează cel mai frecvent laseri cu puterea între 100-500 W, în regim
pulsat.
Figura 3.2. Rezonator Nd-YAG
Laserul cu CO2 foloseşte ca mediu activ un amestec gazos de dioxid de carbon, azot
şi heliu în proporţii care se încadrează, în general, în limitele: 1-9%CO2, 13-35%N2, şi 60-
85%He şi produce un fascicul laser continuu sau pulsat cu lungimea de undă de 10,6 m.
Dioxidul de carbon constituie substanţa activă, azotul amplifică excitarea
moleculelor de dioxid de carbon la nivele energetice superioare iar heliul contribuie la răcirea
mediului activ şi menţinerea inversiunii de populaţie. Excitarea moleculelor de dioxid de
carbon se produce prin ciocniri neelastice ale acestora cu moleculele de azot excitate prin
descărcare electrică. Energia necesară excitării mediului activ este dată de electrozi alimentaţi
la o sursă de curent continuu, montaţi în interiorul tubului care conţine dioxid de carbon, şi
care produc descărcări electrice.
Un alt sistem foloseşte o sursă de energie de frecvenţă radio, în acest caz electrozii
fiind montanţi în afara tubului cu gaz.
Puterea echipamentelor cu CO2 ajunge în prezent la 25kW dar există tendinţe de
dezvoltare a unor echipamente ce ating puteri mai mari de 40kW.
În figura 3.3 sunt prezentate două modele de rezonatoare pentru generarea radiaţiei
laser folosind mediu activ CO2
Figura 3.3. Tipuri de rezonatoare pentru laseri cu CO2
Un parametru important al fasciculului laser ca sursă termică pentru aplicaţii
industriale este reprezentat de modul electromagnetic transversal (TEM), care reprezintă
distribuţia densitaţii de energie pe secţiunea transversală a fascicului.
Se recomandă ca un laser pentru tăiere să posede un mod cât mai aproape de TEM00,
datorită concentrării energiei pe axa fasciculului, unei mai bune interacţiuni cu materialul şi
dimensiunilor reduse ale petei active.
În tabelul 3.1 sunt prezentate principalele tipuri de medii active folosite pentru
generarea fasciculului laser cu aplicaţii industriale.
Tabelul 3.1
Tip LASER Stare substanţă activă Substanţa activăSubstratul
(substanţa transparentă)
CO2
Gaz
CO2 N2 + He
He-Ne Ne He
Kripton Kr Kr
Argon Ar Ar
Nd-YAG
Solid
Nd3+ YAG
Nd-Sticlă Nd+ Sticlă
Rubin Cr3+ (0,05%) Al2O3
Alexandrită Cr3+ AlBrO3
Coloranţi Lichid Rodamină Alcool
Orientarea fascicului către piesă (figura 3.4) se realizează cu un sistem optic de
precizie, format din lentile plane şi lentile curbe, focalizarea fasciculului fiind realizată prin
lentila de focalizare. Distanţa dintre lentila de focalizare şi piesă este numită distanţa de
focalizare şi este un parametru important al procesului de prelucrare. Un alt parametru
important este distanţa dintre diuza capului de focalizare şi piesă, numită distanţa de ajutaj.
Figura 3.4. Schema sistemului de ghidare a fasciculului laser
Pentru focalizarea fascicului ambele distanţe trebuie reglate independent. Pentru
aceasta, capul laser trebuie să asigure reglarea lentilei de focalizare şi/sau a diuzei în plan
perpendicular pe direcţia de propagare.
Pentru exploatarea la capacitatea maximă a unul laser, se pot utiliza mai multe posturi
de lucru care folosesc acelaşi fascicul laser, precum staţia prezentată în figura 3.5. Acest
sistem cuprinde legături multiple şi sofisticate între sisteme de comandă şi sisteme de
manipulatoare/roboţi şi se recomandă mai ales pentru producţia automată de masă.
Figura 3.5. Sistem laser multipost
Laserul este folosit pentru o mare varietate de aplicaţii industriale. Dacă tăierea,
sudarea sau tratamentul termic superficial al materialelor metalice necesită de cele mai multe
ori o putere mare a fasciculului laser, există şi multe aplicaţii care necesită o putere mai mică
de 500 W, mai ales în industria electronică, textilă şi alimentară, sau pentru gravarea/marcarea
de caractere, coduri cu bare etc. pe diferite tipuri de materiale.
3.4. Interacţiunea radiaţiei laser cu materialele
În funcţie de puterea fasciculului laser fenomenele ce apar la interacţiunea radiaţiei
laser cu materialele sunt diferite, astfel:
putere mică:
relfexie
refracţie
împrăştiere
difracţie
energie absorbită minimă - “non-contact”
putere mare:
încălzire
topire
evaporare
ardere
Dacă laserul funcţionează în mod continuu (cw) parametrul important este puterea,
măsurată în watt – între 100 şi 20 kW pentru procesarea materialelor, iar dacă funcţionarea
este în impulsuri, parametrii importanţi sunt energia pe puls (J/s) şi frecvenţa pulsurilor (nr. de
pulsuri pe secundă) – astfel energia per puls, 1mJ-1kJ, lungimea pulsului, 1ms-1ns, frecvenţa
pulsurilor, 0.1/s – 1000/s.
În figura 3.6 sunt prezentate tipul efectului acţiunii radiaţiei laser asupra materialelor
în funcţie de densitatea de putere şi timpul de interacţiune.
Figura 3.6 – Procese de înteracţie
Parametrii ce determină interacţiunii sunt:
1. densitatea de energie a fasciculului laser;
2. lungimea de undă a radiaţiei laser;
3. proprietăţile optice ale materialului;
4. proprietăţile termodinamice ale materialului.
Astfel procesele pot să îndepărteze materialul (evaporare, ardere), să îmbine (topire)
sau sa schimbe proprietăţile acestuia (încălzire). Procesele care îndepărtează material sunt
tăierea, găurirea sau ablaţia (evaporare instantanee). Procesele prin care se îmbină materiale
sunt: sudare prin conducţie, sudare prin penetrare, sinterizare selectivă cu laserul. Procesele
prin care se modifică structura materialelor sunt: tratamente termice şi “rapid prototyping”
(stereo-litografierea).
3.5. Tăierea cu fascicul LASER
Tăierea cu fascicul laser poate fi utilizată cele mai multe dintre metalele obişnuite şi
chiar metale cu un coeficient de reflexie sau cu conductivitate termică ridicată. Printre acestea
sunt oţelurile aliate sau nealiate, aluminiu şi titan. În condiţii speciale pot fi taiate table
galvanizate, oţel călit şi oţel deformat la rece. Printre metalele dificil de tăiat se numără
aluminiul, cuprul aurul şi argintul.
Pentru tăiere se utilizează un gaz de proces care este introdus prin diuza ( figura 3.7 ).
Rolul gazului de tăiere este de a proteja lentilele sistemului de focalizare împotriva fumului şi
stropilor de metal şi de a răcii marginile rostului de tăiere şi de a expulza metalul topit şi
oxizii din rost. În cazul utilizării oxigenului acesta contribuie la creşterea randamentului
procesului de tăiere prin reacţiile pe care le produce cu materialul de bază.
Pentru tăierea metalelor există două procedee cu largă aplicabilitate în practică: tăierea
cu oxigen şi tăierea cu nitrogen sub presiune.
La tăierea cu oxigen, aportul suplimentar de căldura din oxidarea metalului este folsit
pentru creşterea vitezei de tăiere sau pentru tăierea unor grosimi mai mari de material. Acest
procedeu se pretează cel mai bine la oţelurile cu conţinut scăzut în carbon sau slab aliate.
Viteza de tăiere este foarte mare, putând atinge 10 m/min pentru table foarte subţiri ( figura
3.8 ). Rostul de sudare este foarte ingust ( sub 0,3 mm ) iar zona influenţată termic nu
depăşeşte 0,2 mm. Astfel, piesele prelucrate prezintă o precizie foarte mare iar deformaţiile
sunt minime.
Acest procedeu poate fi folosit pentru obţinerea unor piese de calitate ridicată şi cu
rosturi de tăiere fără aderenţe de zgură. În practică acest procedeu este folosit pentru grosimi
de material sub 6 mm.
Puritatea oxigenului ( peste 99,5% ) este o condiţie esenţială pentru obţinerea unei
calităţi corespunzătoare a suprafeţelor tăiate. Debitul de gaz variază între 20 l/min şi 90 l/min,
în funcţie de diametrul diuzei şi presiunea gazului.
Figura 3.7. Schema sistemului de tăiere cu laser
Un dezavantaj al tăieri cu oxigen este oxidarea suprafeţei tăiate care poate fi
defavorabilă în cazul unor procese de prelucrare ulterioară, ca de exemplu vopsire sau sudare.
Un alt dezavantaj este îmbogăţirea sau sărăcirea în elemente de aliere datorită oxidării. La
tăierea oţelurilor inoxidabile, de exemplu, apare pericolul coroziunii ca urmare a scăderii
procentului de crom în zona de tăiere. Alte metale, ca aluminiul de exemplu, produc reacţii de
oxidare puternice care duc la creşterea rugozităţii suprafeţei tăiate.
Figura 3.8. Viteza de tăiere pentru oţel cu conţinut scăzut în carbon
Pentru a rezolva o parte din problemele ridicate de tăierea laser cu oxigen, un alt
procedeu a fost dezvoltat în ultimii ani, denumit taierea prin topire cu laser. Metalul este
încălzit şi topit folosind fasciculul laser şi suflat din rostul de tăiere cu un jet de gaz inert, azot
sau în unele cazuri argon. Pentru obţinerea unei tăieri de calitate este necesar ca fasciculul să
aibă o intensitate puternică la suprafaţa de tăiere iar presiunea gazului trebuie să fie, în cele
mai multe cazuri, mai mare de 10 bar.
O calitate corespunzătoare se obţine pentru grosimi pînă la 6 mm pentru oţel inox
( figura 3.9 ) şi pînă la 4 mm pentru aluminiu. Debitul de azot este cuprins între 100 şi 400
l/min, în funcţie de diametrul diuzei şi presiunea gazului.
Figura 3.9. Viteza de tăiere cu oxigen, respectiv azot pentru oţel inox
Diuzele utilizate pentru tăiere au, în general, un orificiu circular cu diametrul cuprins
între 0,8 şi 1,5 mm, iar distanţa de ajutaj (distanţa dintre diuză şi piesă) este de aproximativ
0,3-1,0 mm. Nivelul zgomotului la tăiere este scăzut.
În practica industrială cele mai utilizate echipamente laser sunt cu CO2 cu puterea în
jur de 1500 W, echipamente care permit tăierea pieselor din oţel cu conţinut scăzut în carbon
pînă la grosimi de 12 mm. Echipamente laser de tip Nd-YAG sunt utilizate pentru tăierea
pieselor cu grosimi sub 3 mm.
3.6. Sudarea cu laser
Există două metode de sudare cu fascicul laser, care se deosebesc prin caracteristicile
fizice ale procesului:
sudarea convenţională, unde căldura este transferată de la suprafaţă în interiorul
materialului prin conductivitate termică
sudarea în gaură de cheie (keyhole), unde energia fasciculului este transferată în
interiorul materialului prin vapori de metal
Sudarea în gaură de cheie necesită o intensitate mai mare a fascicului la suprafaţa
piesei, provocând vaporizarea parţială a metalului şi creşterea rapidă a coeficientului de
absorbţie termică şi, ca urmare, a adâncimii de penetrare a fascicului în material. Se formează
o mică gaură de cheie înconjurată de material topit care participă la formarea cusăturii sudate
în spatele găurii. Acest procedeu este comparabil cu sudarea cu plasmă în gaură de cheie.
Apariţia porilor este un fenomen obişnuit la sudarea cu fascicul laser. Porii pot să
apară datorită faptului că baia de sudură este foarte mică şi timpul de evacuare al gazelor este
redus datorită vitezelor mari de sudare. Numărul porilor depinde foarte mult de puritatea
materialului de bază şi de geometria îmbinării sudate. Se recomandă evitarea unor geometrii
ale cusăturii care nu permit evacuarea gazelor pe la rădăcină, tipurile de îmbinări uzuale fiind
cele din figura 3.10. Deoarece fasciculul este absorbit în interiorul orificiului “keyhole”,
indiferent de planul de polarizare, s-ar părea că polarizarea nu afectează sudarea cu laser. Dar,
de fapt polarizarea este extrem de importantă datorită efectului pe care îl are asupra adâncimii
de pătrundere a energiei în ţinta metalică.
Polarizarea de tip “s” ( perpendiculară pe planul de incidenţă) duce la obţinerea unor
zone de topire mai late deoarece absorbţia are loc în principal în extremităţile spotului.
Aceasta se datorează faptului că mecanismele de absorbţie sunt diferite la viteze diferite. La
viteze mici absorbţia plasmei este dominantă iar fasciculul este absorbit prin efect
Braemsstrahlung în orificiul “keyhole”, generând o plasmă de culoare albastră în sistemele
care utilizează protecţie cu argon. La viteze mai mari predomină mecanismul de absorbţie
Fresnel (prin reflexie în faţa frontului de topitură) datorită faptului că plasma este mai rece şi
absoarbe mai puţină energie.
Figura 3.10 Îmbinări tipice pentru sudarea cu fascicul laser
Metalele care pot fi sudate cu laser sunt oţelurile cu conţinut scăzut în carbon, oţelurile
inoxidabile, titanul şi aluminiul. Totuşi, aluminiul este mai dificil de sudat datorită
coeficientului redus de absorbţie al radiaţiei laser. Aliajele care conţin zinc pot cauza
probleme datorită temperaturii relativ scăzute de fierbere a zincului.
În industrie sudarea cu laser este utilizată mai ales pentru grosimi până la 6 mm.
Pentru grosimi sub 1 mm se utilizează frecvent laseri Nd-YAG sau laseri cu CO2 cu puterea
sub 500 W. Pentru sudarea tablelor cu grosimea mai mare de 1 mm este necesar să se
folosească un echipament laser cu CO2 cu puterea peste 2 kW. Pentru grosimi mai mari (20-
25 mm) se folosesc laseri cu puterea de 20-25 kW. Viteza de tăiere pentru oţel cu conţinut
scăzut în carbon, nichel şi titan, în funcţie de grosime, este prezentată în figura 3.11.
La sudare se folosesc gaze cu rol de protecţie atât a băii de sudare cât şi a sistemului
optic de focalizare a fasciculului. Pentru puteri scăzute se poate folosi un singur jet de gaz
pentru protecţia lentilelor împotriva stropilor de metal şi pentru protecţia băii de sudare
împotriva oxidării. Diametrul diuzei este cuprins între 3-7 mm iar distanţa dintre diuză şi
piesă este de 5-10 mm. Se poate observa că aceşti parametrii sunt mult mai mari decât în
cazul tăierii cu fascicul laser.
Parametrii care definesc procesul de sudare cu laser sunt:
1. Proprietăţile fasciculului: putere, mod de emisie (continua – CW sau în pulsuri),
mărimea spotului, moduri de oscilare, polarizarea, lungimea de undă. Pentru radiaţia
laser în infraroşu, cu lungimea de undă de 10,6 m şi emisie în undă continuă aceste
mărimi au fost discutate în cap.I.
2. Caracteristici tehnologice ale procesului: viteza de deplasare în timpul sudării,
poziţia faţă de focar, geometria îmbinării, toleranţele de îmbinare.
3. Proprietăţile gazului de protecţie: compoziţie chimică, geometria duzei, viteza,
presiune.
4. Proprietăţile materialelor ce se sudează: compoziţie chimică, starea suprafeţei.
În cazul fasciculului laser cu emisie în undă continuă, realizarea sudurii implică
evitarea celor doua situaţii extreme: insuficienta adâncime a sudurii sau străpungerea acesteia.
Aceste cazuri pot fi considerate ca soluţiile limită între care trebuie aleasă valoarea puterii
fasciculului care să asigure o buna calitate a sudurii. Densitatea de putere necesara sudurii este
determinată de puterea spotului, dimensiunea acestuia şi de viteza deplasării. Creşterea vitezei
pentru o adâncime de sudare dată impune creşterea vitezei.
În general se consideră că focarul fasciculului laser trebuie să se afle sub nivelul
suprafeţei, la o adâncime de cca. 1 mm, pentru ca adâncimea de pătrundere să fie maximă. În
acest fel, densitatea de putere este maximă pentru a genera orificiul şi pentru ca divergenţa
fasciculului în afara acestuia să fie minimă. Pentru estimarea influenţei poziţiei focarului
asupra procesului parametrii care sunt luaţi în consideraţie sunt: adâncimea la care este situat
focarul şi dimensiunea minim realizabilă a spotului.
Dacă echipamentul existent o permite, este de preferat să fie utilizat un regim de mare
putere asociat cu viteze ridicate de deplasare, regim care are avantajul de a elimina efectele
nedorite ale pierderilor de energie termică prin conducţie în zonele învecinate cu sudura,
limitându-se în acelaşi timp dimensiunile zonei afectate termic care poate suferi distorsionări.
Trebuie menţionat că adâncimea de topire este invers proporţională cu viteza, pentru un mod
de oscilaţie şi diametru de spot datePentru puteri mari plasma de la suprafaţa tablei poate fi
prea mare astfel încât să absoarbă întreaga radiaţie laser înainte ca aceasta să ajungă la piesa
de sudat. De asemenea, în acest caz este necesar să se folosească un sistem optic cu răcire cu
apă a lentilelor de focalizare.
În figura 3.11 este prezentată influenţa vitezei de deplasare asupra adâncimii de pătrundere.
Fig. 3.11 Influenţa vitezei de deplasare asupra adâncimii de pătrundere pentru un laser cu
CO2 cu curgere axiala rapidă (material oţel inoxidabil 304)
Debitul necesar este de 10-20 l/min prin diuza de gaz şi aproximativ 20 l/min pentru
protecţia suplimentară la suprafaţa şi la rădăcina băii de sudare. Astfel, debitul total de gaz
ajunge la 20-50 l/min.
Figura 3.12 Viteza de sudare pentru oţel cu conţinut scăut în carbon, nichel
şi titan, în funcţie de grosime
Gazele de protecţie uzual folosite sunt argon, heliu sau amestecuri de argon şi heliu.
Atnci când condiţile de calitate nu sunt foate ridicate se poate utiliza azot. Heliul este
considerat cel mai bun gaz de protecţie datorită potenţialului de ionizare ridicat şi riscului
redus de formare a vaporilor de plasmă la suprafaţa băii, efect pronunţat în cazul utilizării
argonului. Totuşi, heliu este un gaz foarte uşor şi se poate ridica prea repede reducând astfel
protecţia băii de sudare. Ca urmare, amestecurile de argon şi heliu în proporţii
corespunzătoare combină efectele pozitive ale celor două gaze.
Avantajele sudării cu fascicul laser sunt deformare redusă a componentelor, cusături
sudate şi zone influenţate termic înguste, precum şi o calitate foarte bună a îmbinării. Viteza
mare a procesului de sudare cuplată cu flexibilitatea sistemului de transmisia a fasciculului
laser recomandă acest procedeu pentru linii de producţie automate. Problema cea mai mare la
sudarea laser o reprezintă golul dintre componentele ce urmează a fi sudate. Pentru a nu
permite trecerea fascicului printre componentele de sudat este necesar să se utilizeze material
de adaos în cazul în care distanţa dintre piese depăşeşte 10% din grosimea lor.
Sudarea laser este un concurent puternic al sudării cu fascicul de electroni acolo unde
grosimea componentelor permite acest lucru, datorită faptului că sudarea cu laser nu necesită
atmosferă controlată sau protecţie împotriva radiaţilor X. De asemenea, sudarea laser poate
înlocui cu succes alte procedee cum ar fi sudarea WIG sau sudarea cu plasmă datorită
influenţei termice reduse.
Dezvoltarea aplicaţilor care utilizează fasciculul laser ca sursă termică pentru sudare
sau pentru tăiere urmăresc optimizarea parametrilor tehnologici, creşterea puterii generate şi
îmbunătăţirea randamentului de transfer termic şi dezvoltarea de procedee noi, hibride, care să
combine avantajele şi să elimine unele din dezavantajele procedeelor individuale. Astfel de
exemple sunt sistemele hibride de tip laser-arc sau laser-jet de apă.
3.7. Tratamente termice
Tratarea superficială cu laser este un procedeu de modificare al suprafeţei destinat
pentru modificarea microstructurii metalelor prin încălziri şi răciri controlate. Tratarea cu
fascicul laser prezintă avantajul de a face posibilă încălzirea unor suprafeţe precise ale
metalelor fără a înfluenţa în totalitate piesa de prelucrat. Cantitatea de material ce este
prelucrată este în general suficientă pentru o rapidă extracţie a căldurii.
Proprietăţile deosebite obţinute în urma tratării termice cu fascicul laser depind de
compoziţia specifică a metalului sau a aliajului.
Durificarea cu laser a metalelor durificabile produce o rezistenţă ridicată la eroziune
cu deformaţii şi fisurări minime. De asemenea în cazul materialelor durificabile se poate
restaura ductilitatea şi îmbunătăţeşte rezistenţa la oboseală în ariile critice.Controlul precis al
căldurii introduse în locuri precise din material precum şi posibilitatea accesării unor locuri
greu de accesibile procedeelor clasice face ca acest procedeu să fie tot mai mult utilizat.
3.8 Marcarea cu laser
Marcarea cu fascicul laser este un procedeu prin care diferite caractere pot fi produse
pe material. Spre deosebire de gravarea cu laser liniile şi caracterele „înscrise” pe material au
lăţimea unui singur fascicul laser şi este setată la o anumită toleranţă pentru adâncime. Liniile
sunt de fapt produse de serii de mici găuri foarte apropiate în substratul produs de pulsuri de
energie ridicată laser.
În figura următoare este prezentat un produs de acest gen.
Figura 3.13 Marcare cu laser
3.9 Procedee de Rapid Prototyping
Procedeele de “Rapid Prototyping” urmăresc realizarea unor componente şi produse
greu sau chiar imposibil de realizat cu alte procedee clasice prin realizarea unor “felii” din
piesa şi lipirea acestora.
În figura următoare este prezentat un astfel de sistem.
Figura 3.12
Tot aici poate fi inclusă Sinterizarea Selectivă cu fasciul laser (crearea de obiecte 3D
prin realizarea de multistraturi) – se depune primul strat pudră ce poate fi topită cu laserul
apoi cu ajutorul fascicului laser se “desenează” primul strat al piesei, iar prin repetarea acestui
ciclu se realizează produsul final.
Materialele utilizate sunt:
a) policarbonaţi;
b) sticlă;
c) elastomeri;
d) oţel inoxidabil;
e) nisip.
3.10 Alte procedee de prelucrare cu laseri
Cu ajutorul fascicului laser din spectrul UV se pot “rupe” legăturile atomice şi ejecta
rapid materialul de la suprafaţa expusă radiaţiei – ablaţia cu laser. Cu acest procedeu precizia
de adâncime şi laterala este de 0.1 microni. Laserii utilizaţi sunt laserii cu excimeri în pulsuri
foarte scurte unde se pot atinge vîrfuri de putere de ordinul MW.
În domeniul microprelucrărilor, laserii sunt utilizaţi la realizare orificiilor cartuşelor de
imprimante cu jet de cerneală (găuri cu diametrul de 100 microni), realizarea orificiilor la
catatere medicale (diamterul 500 microni) precum şi la realizare unor componente mocronice
cum ar fi rotoare pentru microturbine (130 microni).