Warstwy powierzchniowe kształtowane z wykorzystaniem technologii laserowych

1. Warstwy powierzchniowe kształtowane z wykorzystaniem technologii laserowych Ina Domider Kamil Panaś Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3

2. Technologia Znaczenie obróbki laserowej stosowanej do kształtowania struktur i własności materiałów inżynierskich na przestrzeni minionych lat znacząco wzrosło. Technologie laserowe stosuje się do wytwarzania warstw powierzchniowych różnymi metodami: - cieplnymi (hartownie, nadtapianie, ablacja laserowa), - cieplno – chemicznymi (stopowanie), - cieplno – mechanicznymi (utwardzanie).

3. Technologia wiązka Głowica lasera Soczewka Wylot skoncentrowanej wiązki

4. Technologia Wiązkę laserową wykorzystuje się do nagrzewania warstwy wierzchniej obrabianego materiału, aby zapewnić zmiany w strukturze, umożliwiając uzyskanie wymaganych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. Zaleta - poprawa własności eksploatacyjnych obrabianego elementu.

5. Laserowa obróbka powierzchni

6. Laserowa obróbka powierzchni • Przetapianiu laserowemu warstwy powierzchniowej towarzyszy powstawanie plazmy i parowanie materiału. • Plazma ekranuje powierzchnie przed dalszym nagrzewaniem laserowym. • W miejscu wnikania wiązki laserowej, w jeziorku powstaje lejkowate zagłębienie, na którego powierzchnię działa ciśnienie hydrostatyczne cieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony wiązki.

7. Laserowa obróbka powierzchni • Następuje ruch względny zagłębienia w stronę nieroztopionego materiału. • Ciśnienie par powoduje wypełnienie zagłębienia po jego przesunięciu się. Powstaje wypływka na obrzeżach materiału oraz pofałdowanie na powierzchni przetopionego materiału. • Efekt ten można osłabić przez zdmuchiwanie plazmy przez gaz obojętny. Głowica laserowa gaz obojętny materiał

8. Laserowa obróbka powierzchni Wśród technologii laserowych zapewniających wymagane własności powierzchniowe materiału, w zależności od gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na materiał możemy wyróżnić: • przetapianie • stopowanie • wtapianie • natapianie Stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe zapewniają najwyższą jakość warstwy wierzchniej i bardzo wysoka jakość połączenia z podłożem.

9. Laserowa obróbka powierzchni

10. Przetapianie laserowe • W zależności od efektów uzyskiwanych • w wyniku przetapiania i krzepnięcia: • hartowanie przetopieniowe • szkliwienie • zagęszczanie • wygładzanie • W zależności od zastosowanej energii wiązki laserowej oraz prędkości skanowania: • podtapianie • przetapianie • intensywne przetapianie • b. intensywne przetapianie

11. Hartowanie przetopieniowe • Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego. • W warstwie powierzchniowej po procesie wyróżnia się strefy. - strefa powierzchniowa, - strefa gdzie węgliki ulegają całkowitemu, bądź częściowemu rozpuszczeniu, - strefa o strukturze niejednorodnej, - strefa przyrdzeniowa. • Polepszenie własności eksploatacyjnych, zmęczeniowych i antykorozyjnych. • Pogorszenie chropowatości powierzchni.

12. Warstwy gradientowe • Nawęglanie laserowe Wytwarzane są technika laserową. Oprócz bardzo dobrego połączenia metalurgicznego z podłożem, zapewniają wysoką odporność na korozję, zużycie, wysoką żaroodporność i twardość, jak i ciągliwość, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową. Do tego procesu wykorzystywany jest np. proszek grafitu, zmieszany z rozcieńczonym alkoholem poli(winylowym) i nanoszony na powierzchnie próbki. Następnie przygotowaną warstwę przetapia się laserem. Jest to jedna z nowszych metod kształtowania powierzchni. Polega na zmianie własności i topografii powierzchni wykorzystującej zjawisko punktowego naświetlania laserem (ang. lasserpattering). • Wzornikowanie

13. Zastosowanie w przemyśle Koła zębate. Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z metalem poprzez warstwy pośrednie.

14. Ablacja laserowa Procesrozpylania, w którym usuwanie materiału następuje z szybkością kilku monowarstw atomowych na impuls, a powierzchnia ulega zmianom strukturalnym i pod względem składu chemicznego i fazowego. Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem, które prowadzi do jego odparowania (ablacji), jest procesem złożonym fizycznie. Składa się z 4 etapów: • wykorzystanie energii fotonów promieniowania laserowego i zamiana w energię cieplną • topienie warstwy materiału, • odparowanie, • jonizacja i rozprężenie par oraz tworzenie się i rozprzestrzenienie się plazmy.

15. Laserowe osadzenie z fazy gazowej Proces jest wspomagany chemicznie i przebiega podobnie do ablacji. Jako materiału do wytwarzania plazmy za pomocą wiązki laserowej stosuje się odpowiedni gaz, którego cząstki są rozkładane energią lasera przy równoczesnym podwyższaniu temperatury podłoża, na których osadzana jest powłoka. Ma postać warstw lub nanocząstek. Proces ten zachodzi, jeżeli napromieniowanie laserowe powierzchni ciała stałego jest zanurzone w cieczy o wystarczająco dużej przepuszczalności dla wiązki światła laserowego o określonej długości. • Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej

16. Podsumowanie Technologie laserowe są obecnie w szerokim zakresie wykorzystywane w przemyśle, ze względu na dobre wyniki po procesie przetwarzania a także relatywnie niską cenę. Metoda nawęglania Metoda grawerowania

17. Bibliografia • Dobrzański L. Kształtowanie struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich, Gliwice 2009. • http://www.openaccesslibrary.com/vol05/5.pdf • http://forsurf.pl/cdrom/content/KSiWMIiB.pdf

18. Koniec Ina Domider Kamil Panaś Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3