Post on 11-Jul-2015
transcript
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 1/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 38
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser
Tehnologiile de tratament cu fascicul laser fac parte din grupa tratamentelor termice
superficiale neconvenţionale cu încălzire ultrarapidă (peste 103grad/s).
Tratamentul superficial cu sursă concentrată de energie – fasciculul laser, este o
tehnologie relativ nouă şi de perspectivă. Deşi efectul LASER - amplificarea luminii prin
emisia stimulată a radiaţiei - a fost fundamentat teoretic încă din anul 1917 de către Albert
Einstein, primul generator laser cu corp solid a fost creat abia în anul 1960 de către Maiman
şi Javan în SUA, iar laserul molecular cu CO2 în emisie continuă – în anul 1964 de către
C.K. Patel [25], [26].
Primele referinţe de utilizare a unui laser în scopul modificărilor structurale de
suprafaţă au fost menţionate în anii 1965 – 1969, în SUA, unde cercetătorii de la U.S. Steel
au folosit un laser cu rubin pentru durificarea oţelului [27]. Tratamentul termic cu laserul a
fost introdus pentru prima dată în procesul de fabricaţie a unor repere de către General
Motors Corporation, unde s-a realizat şi primul grup de laseri industriali [28].
Scopul tratamentelor de suprafaţă cu laserul este: durificarea superficială, creşterea
capacităţii portante, a stabilităţii termice a structurii şi proprietăţilor superficiale, a
rezistenţei la uzare şi oboseală, reducerea coeficientului de frecare.
Utilizarea laserului în tehnologiile de tratament superficial prezintă următoarele
avantaje: - încălzirea ultrarapidă a oricărui material metalic sau dielectric până la topire sau
stare de vapori;
- obţinerea de structuri de călire ultrafine, deosebit de dure şi tenace, fără utilizarea
unui mediu de răcire;
- obţinerea de stări în afară de echilibru, ca de exemplu starea amorfă, care nu se
pot realiza prin mijloacele clasice de încălzire;
- scurtarea duratei de tratament la ordinul secundelor, astfel încât se reduc
deformaţiile piesei, zona influenţată termic, oxidarea şi decarburarea;
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 2/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 39
- durificarea locală a zonelor active ale pieselor de dimensiuni mici şi cu
configuraţii complexe;
- procesul de prelucrare este complet automatizat.
La prelucrarea cu laserul există o serie de dezavantaje:- necesitatea aplicării unor acoperiri absorbante, care să intensifice cuplajul radiaţie
laser - material prelucrat;
- suprafaţa prelucrată este de dimensiuni relativ mici (în general benzi înguste, cu
lăţimea dependentă de puterea laserului).
- costul ridicat al instalaţiilor tehnologice.
Tratamentul superficial cu laserul este recomandat numai justificat, atunci când
metodele clasice nu pot fi aplicate sau nu sunt performante.
12.1 Caracteristicile radiaţiei laser
Efectul laser se bazează pe amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei.
Aceasta implică realizarea unei inversii de populaţii a electronilor pe nivelurile energetice
ale unui mediu activ, prin suprapopularea unui nivel energetic superior. Inversia de populaţii
se realizează cu ajutorul unui dispozitiv de pompaj, care introduce o energie suplimentară în
mediul activ. Tranziţia electronilor de pe nivelul suprapopulat pe un nivel inferior esteradiativă, fiind însoţită de emisie de fotoni [26]. În figura 12.1a s-a exemplificat generarea
radiaţiei la un laser cu rubin, la care participă trei niveluri energetice: A-nivel fundamental,
B-bandă de absorbţie, C-nivel îngust, pe care se face o tranziţie neradiativă.
Generatorul laser (fig. 12. 1b) este alcătuit dintr-o cameră de rezonanţă, limitată de
două oglinzi paralele, puternic reflectorizante, O1 şi O2, care conţine un mediu activ solid,
a). b).Fig.12.1 Generarea radiaţiei laser: a). mecanismul inversiei de populaţie pentru laserul cu
rubin;b). amplificarea radiaţiei laser în camera de rezonanţă ;I 0 –intensitatea iniţială a emisiei
de fotoni; I r – intensitatea radiaţiei reflectate; (1-R) I(L)-intensitatea radiaţiei extrase; L-
lungimea camerei de rezonanţă; R- reflectivitatea
Io
pompaj
mediu activ
I (L)
O1 O
2
Ir =RI (L)
(1-R) I (L)
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 3/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 40
lichid sau gazos. Reflexia repetată a emisiei laser pe oglinzile de capăt, amplifică
intensitatea radiţiei şi o direcţionează. Amplificarea radiaţiei creşte cu lungimea camerei de
rezonanţă. Radiaţia laser formată se extrage în mediul de lucru prin fereastra practicată în
oglinda reflectoare O2.Datorită reflexiilor repetate, în camera de rezonanţă apar fenomene de interferenţă,
care dau anumite configuraţii (moduri) de
oscilaţie a amplitudinei şi a intensităţii
radiaţiei în plan transversal (fig. 12.2) [25].
În practica tratamentelor de suprafaţă este
folosit modul de oscilaţie fundamental
TEM00, (care asigură o distribuţie gaussiană
a intensităţii fasciculului în raport cu distanţade la axa fasciculului) sau oscilaţia multimod.
Fasciculul laser este o radiaţie
electromagnetică cu caracteristici unice:
- monocromaticitatea, radiaţia laser are un interval spectral foarte îngust, care poate
fi caracterizat printr-o lungime de undă şi o anumită frecvenţă. De aceea, densitatea de
putere a radiaţiei depăşeşte cu câteva ordine de mărime alte tipuri de energie
electromagnetică. În funcţie de natura mediului activ, lungimea de undă poate varia în limite
largi: λ=10-2-10μm. În practica tratamentului termic, se utilizează însă radiaţii cu λ=0,6 -10,6μm şi frecvenţe ν =1015-1011Hz;
- coerenţa spaţială şi temporală , radiaţia îşi păstrează caracterul sinusoidal al undei
în timp şi pe distanţe mari de propagare, dând naştere unei unde plane de fază constantă;
- direcţionalitatea, radiaţia are o divergenţă foarte redusă şi se poate concentra prin
focalizare pe suprafeţe foarte mici, ceea ce conduce la densiţăţi de energie şi putere foarte
mari.
Aceste caracteristici determină cea mai importantă proprietate pentru tratamentul
termic: capacitatea de a concentra într-un timp extrem de scurt o cantitate mare de energie
pe o suprafaţă mică. Densitatea de putere poate varia uzual între: 103 - 1010W/cm2, iar
densitatea de energie între: 102 - 108J/cm2 la durate de interacţiune cu materialul de10-8-1s.
12.2 Principiul de încălzire
Schema de principiu a încălzirii cu radiaţia laser se prezintă în figura 12.3 [4].
Fasciculul laser 2, produs de generatorul 1, este direcţionat prin intermediul unei oglinzirotitoare 3 şi focalizat pe suprafaţa de prelucrat prin intermediul sistemului optic 4.
Dimensiunea fasciculului pe suprafaţa prelucrată se reglează prin mărimea defocalizării
I
r r
I I
r
TEM00
TEM10
TEM20
Fig. 12.2 Moduri de oscilaţie tranversală
a radiaţiei laser
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 4/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 41
(ΔF). Protecţia lentilei şi a suprafeţei contra oxidării, se face prin insuflare cu gaz inert 10
(în general argon). Pentru încălzirea pe suprafeţe
mai mari, se realizează mişcarea relativă fascicul
– piesă după direcţiile x, şi y. Apar benzi deiradiere având lăţimea egală cu diametrul
fasciculului. În funcţie de forma şi mărimea
suprafeţei, există următoarele modalităţi de lucru
[4]:
- suprafeţele plane se pot prelucra (fig.
12.4) prin: trasarea de fâşii de iradiere singulare
(a); parţial suprapuse (b); prin oscilarea spotului
(c); cu deflector vibraţional (d);- suprafeţele cilindrice exterioare sau
interioare se prelucrează prin trasarea de fâşii
axiale, elicoidale, inelare sau încrucişate (fig. 12.5
a, b, c, d). Pentru direcţionarea fasciculului laser
sunt utilizate sisteme de oglinzi şi deplasarea
relativă fascicul – piesă, fie menţinând fascicul fix
şi piesa în mişcare de translaţie (oscilaţie) şi rotaţie, fie piesa în mişcare de rotaţie şi
fasciculul oscilant (fig. 12.5 e, f, g).
Fig. 12.3: Schema de principiu a
încălzirii cu fascicul laser: 1-generator
laser; 2-fascicul laser; 3-oglindă, 4- sistem optic de focalizare; 5-flux de
pulberi; 6-material de adaos; 7-material de bază; 8-strat încălzit; 9-strat topit; 10-
gaz inert; ∆ F-mărimea defocalizării; x,
y-direcţii de deplasare ale mesei de lucru.
9 8
a. b. c. d.
Fig. 12.4 Prelucrarea suprafeţelor plane
a. b.
c. d. e. f. g.
Fig. 12.5 Prelucrarea suprafeţelor cilindrice
a. b.
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 5/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 42
12.3 Procedee de tratament superficial
Interacţiunea radiaţiei laser cu suprafaţa materialului poate avea loc în prezenţa unuimaterial de adaos, injectat 5 sau predepus 6 (fig. 12.3), sau absenţa acestuia. Se poate
produce încălzirea, topirea sau vaporizarea stratului superficial al materialului de bază şi/sau
a materialului de adaos. În funcţie de efectul termic dorit, se folosesc mai multe procedee de
modificare structurală prin încălzire cu radiaţie laser [28], [29]:
1. Tratamente care nu modifică compoziţia chimică superficială a materialului de
bază , cum sunt: călirea din fază solidă sau lichidă, finisarea granulaţiei prin retopire,
vitrificarea prin topire şi solidificare ultrarapidă, durificarea prin şoc sub acţiunea unui
impuls laser de mare putere.2. Tratamente care modifică compoziţia chimică superficială a materialului de bază,
în prezenţa unui material de adaos ca: depunerea prin topirea unui material de adaos; alierea
superficială prin topirea simultană a materialului de bază şi a celui de adaos; armarea prin
dispersie de particule dure prin topirea substratului materialului de bază.
Materialele de bază cele mai utilizate sunt oţelurile cu suficient carbon (≥ 0,4%C) şi
fontele, care asigură durificare martensitică, dar şi oţeluri inoxidabile austenitice, feritice
sau martensitice, cupru şi aliajele sale, aliaje de aluminiu, aliaje de titan etc.
Materialele de adaos utilizate sunt foarte diversificate atât din punct de vedere alnaturii şi stării de agregare a componentelor, cât şi al metodei de aport pe suprafaţa de
prelucrat [30], [31]. După natură, materialul de adaos poate fi element chimic pur, materiale
ceramice, mase plastice, aliaje dure, materiale compozite. După starea de agregare,
materialul de adaos poate fi o fază solidă, lichidă, gazoasă sau un amestec de faze. După
metoda de aplicare pe suprafaţa prelucrată, materialul de adaos se prezintă sub o mare
varietate: bandă (aplicată prin laminare, prin explozie, sudare termică, sudare prin fricţiune
sau sudare ultrasonică, lipire); pulberi (depuse sub formă de pastă, pulverizate cu adeziv, cu
flacără sau în plasmă, injectate); baie lichidă (de săruri sau metale topite, de pulberi sau deelectrolit); fază gazoasă (evaporare în vid, depunere chimică din fază de vapori, pulverizare
catodică, implantare sau placare ionică).
Realizarea diferitelor procedee de tratament superficial necesită niveluri diferite ale
fluxului termic absorbit şi ale timpului de interacţiune material - fascicul laser (fig. 12.6)
[25], [28], [32]. S-a constatat, că încălzirea superficială are loc pentru fluxuri termice de
103÷104 W/cm2; materialul se topeşte la 105÷108 W/cm2; iar la valori superioare materialul se
evaporă. Energia, consumată pentru diferite efecte termice, nu variază cu mai mult de două
ordine de mărime (1÷102 J/cm2), ceea ce arată că densitatea de putere şi viteza de încălziredau naştere efectului dorit.
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 6/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 43
12.4 Instalaţii tehnologice
O aplicaţie este optimizată prin utilizarea generatorului laser adecvat. În tabelul 12.1
se prezintă performanţele generatoarelor laser, utilizate în prelucrări [25], [32]. Din punct de
vedere funcţional, pentru tratamentele superficiale se utilizează regimul de emisie pulsat
relaxat sau în undă continuă, iar pentru perforări, debitări, sudare în puncte etc.- regimul
pulsat declanşat. Datorită nivelurilor ridicate ale puterii emisiei, randamentului şi a
construcţiei relativ simple, pentru tratamentul superficial se folosesc, în general, generatoare
laser în undă continuă, cu mediu activ gazos de tipul CO2 sau solid YAG:Nd.
Instalaţiile laser tehnologice, pe lângă generator, prezintă sisteme şi echipamenteoptice, electronice şi mecanice de dirijare, focalizare, poziţionare şi control al radiaţiei laser,
de programare, sincronizare şi reglare a emisiei laser în corelaţie cu poziţia pieselor de
prelucrat şi cu parametrii regimului de lucru. Din considerente de productivitate şi calitate,
prelucrarea tehnologică cu laserul se pretează la automatizare şi robotizare. O instalaţie
tehnologică cuprinzând un generator laser în undă continuă cu CO2 cuplat la o masă de lucru
în coordonate x-y-z comandată prin calculator se prezintă în figura 12.7
În tabelul 12.2 [26], [33] se prezintă caracteristicile unor instalaţii tehnologice din
SUA comparativ cu instalaţia românească LASER GT1200W, realizată la IFTAR Bucureşti.Un exemplu de instalaţii performante îl reprezintă laserele tehnologice CO2 în undă
Fig. 12.6 Procedee de tratament şi regimuri operaţionale
Depunere
5/11/2018 Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tratamente-superficiale-cu-fascicul-laser 7/7
12. Tratamente superficiale cu fascicul laser 44
Tabel 12.1 Caracteristicile unor generatoare laser
Mediulactiv
Lungimea deundă(µ m)
Regim deemisie
Putereamediemax.(W)
Putereamaximă aimpulsului
(W)
Durataimpulsului
(s)
Frecvenţamaximă aimpulsului
(Hz)
Randa-mentul
(%)
Rubin 0,69 pulsat relaxat
20105
3÷6.10-4
20 0,1-0,5 pulsat declanşat 10 91÷3.10-8
Sticlă: Nd 1,06 pulsat relaxat 100 106 10-3 3 2-3 pulsat declanşat 10 9
1÷3.10-8
YAG:Nd 1,06 pulsat relaxat 400 5.103 10-3 200 2-3
pulsat declanşat 2.107 1÷3.10-8
continuu 1000CO2 10,6 pulsat 500 105 0,1÷2.10-9 1000 17÷20
continuu 20.000
continuă, produse de firma"Spectra Physics" din SUA pentru liniile tehnologice ale firmei
"General Motors", care au fost utilizate la durificarea superficială a corpurilor carterelor de
automobil, cu o productivitate de 320 piese/oră. Durata călirii a fost de 1÷2 s, pentru o
adâncime de 0,7÷0,8 mm la oţel şi 1,4÷1,5 mm la fontă. Instalaţia HPL-10, produsă de firma
“Arco Everett Research Laboratory Inc.”, a fost folosită la o putere de 9kW, pentru
durificarea pe o adâncime de 1mm, în 8s, a camei arborelui de distribuţie de la automobilele produse de firmele “General Motors” şi “Fiat”[33].
Fig. 12.7 Instalaţia LASER GT 1400W, de la Uzinsider Engineering S.A. Galaţi
1- generator laser; 2- obturator; 3-dispozitivul de focalizare;4-piesa pe masa în coordonate; 5-calculator PC.
1
2
3
4
5