Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser

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;




- 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)




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




(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.




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.




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




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

Documents

Tratamente Superficiale Cu Fascicul Laser