Obróbka laserem stali - Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Obróbka laserowa

Tags: hartowanie | laser | obróbka | obróbka laserowa | stal nierdzewna

Na ile artykuł jest pomocny? (10 głosów)

Wątki w artykule:
- laser (urządzenie)
- rodzaje laserów
- sposoby obróbki laserowej
- hartowanie laserowe
- wykorzystanie laserów w technice wytwarzania NOWOŚĆ

Obróbka laserowa znajduje coraz większe zastosowanie w przemyśle z powodu własności promieniowania laserowego umożliwiających wykonanie wielu precyzyjnych operacji technologicznych na różnych materiałach (od kruchej ceramiki począwszy, przez miękkie, np. tkaniny, drewno tworzywa sztuczne a skończywszy na materiałach trudnoobrabialnych, jak: diamenty czy metale twarde), z wydajnością i dokładnością znacznie przewyższającą metody konwencjonalne.

Obróbkę laserową charakteryzuje bezkontaktowość, selektywność i możliwość pełnej automatyzacji.

Bezkontaktowość obróbki laserowej gwarantuje dużą czystość miejsca obróbki ale też umożliwia zdalne operowanie wiązką laserową przez przezierne osłony, w warunkach próżni, atmosfery gazowej lub pod wodą.
Jest istotne, że wiązkę promieniowania laserowego można skupić do niesłychanie małych rozmiarów, nawet rzędu ułamka mikrometra. Sprzyja to otrzymaniu ekstremalnie dużych gęstości mocy oraz selektywnemu oddziaływaniu wiązką na precyzyjnie wybranych obszarach materiału, np. w miejscach trudnodostępnych, narażonych na obciążenia mechaniczne itp., bez obawy wpływu dostarczanego ciepła na obszary przyległe, sąsiednie elementy oraz deformację detali.

Bardzo krótki czas obróbki i wielka ilość energii dostarczona do miejsca obróbki umożliwia prowadzenie procesu z pominięciem spalania, minimalizację zanieczyszczeń chemicznych i eliminację procesu utleniania.

Współczesne lasery wytwarzają promieniowanie, którego moc i czas trwania impulsu mogą być regulowane, co powoduje, że obrabiarka z takim laserem nabiera cech narzędzia uniwersalnego. Dobierając odpowiednio wartość gęstości mocy promieniowania i czas trwania impulsów laserowych, można realizować wiele różnych procesów technologicznych. Można prowadzić obróbkę cieplną, zmiękczać materiał, topić, a więc spawać lub lutować, odparowywać wykonując cięcie, grawerować, drążyć, wreszcie utwardzać falami uderzeniowymi.

Laser (urządzenie)

Laser - urządzenie generujące spójną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego w zakresie fal od ultrafioletu do podczerwieni, w którym, w ośrodku aktywnym, po odwróceniu obsadzeń poziomów energetycznych wykorzystane jest zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisję wymuszoną.

Budowa:

Ośrodek czynny czyli medium w którym odbywa się akcja laserowa
Rezonator optyczny, system luster które zawracają wiązkę z powrotem do ośrodka i wzmacniają ją, jak również kontrolują długość fali emitowanego prom laser.
Źródło zasilania (pompowania) które dostarcza elektronów lub fotonów do lasera( wzbudza laser)
System chłodzenia który odbiera duże ilości ciepła od ośrodka laserującego i rury rezonatora

Właściwości wiązki

wiązka emitowana jest w jednym kierunku,
kąt rozbieżności wiązki jest mały,
wiązkę można zogniskować prostym układem optycznym uzyskując plamkę o małej średnicy,
promieniowanie jest monochromatyczne, spójne, koherentne czasowo i przestrzennie tzn. występuje stały związek fazowy dla wiązki w czasie i między dowolnymi punktami jej przekroju poprzecznego,
długość fali promieniowania wynosi 10 nm - 1mm,
praca ciągła lub impulsywna lasera,
rozkład natężenia prom jest opisany funkcją Gaussa.

Rodzaje laserów:

1. Ze wzgledu na rodzaj emisji promieniowania:

o pobudzieniu ciągłym (neodymowy YAG)
o pobudzeniu impulsowym ( rubinowy, neodymowy szklany )

2. Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego:

gazowe ( atomowe, jonowe, na parach metali, molekularne, ekscimerowe)
stale ( krystaliczne- rubinowy, szklane – neodymowy, półprzewodnikowe)

Ze względu na charakter pracy lasery dzielimy na: lasery impulsowe i lasery ciągłego działania, generujące promienie koherentne w szerokim przedziale długości fal od dalekiej podczerwieni do ultrafioletu i promieni Rentgena.
Moc laserów ciągłego działania wynosi od 10^-4 do 10⁶ W.
Energia laserów impulsowych (impulsy jednokrotne) wynosi od 10^-5 do 10⁵ J. Długość impulsu osiąga ekstremalnie niskie wartości, bo dochodzące do femtosekund (fms=10^-15 s).

Wśród wielu typów laserów ze względu na wykorzystywany materiał aktywny można mówić o laserach:

na ciele stałym (krysztale lub szkle),
gazowych (atomowych, molekularnych, jonowych),
półprzewodnikowych,
chemicznych,
cieczowych,
ekscimerowych (zwanych też ekscymerowymi),
na swobodnych elektronach,
plazmowych, itp.

Do obróbki laserowej metali wystarczają lasery o mocy rzędu 0,5-10 kW. Istotne w tej metodzie jest to, że nagrzanie powierzchni następuje w ciągu ułamka sekundy, po czym zachodzi bardzo szybkie ostudzenie sfery nagrzewanej przez zimną osnowę stali, są więc stworzone warunki do bardzo szybkiej krystalizacji i zajścia przemiany martenzytycznej. Metoda obróbki laserowej znalazła zastosowanie do obróbki stali.

Sposoby obróbki laserowej

Bez przetopu materiału z nagrzewaniem do temp A3 ale poniżej temperatury topnienia.
Z przetopem materiału z nagrzewaniem powyżej temperatury topnienia. ( najczęściej stosuje się lasery molekularne CO2 o działaniu ciągłym. Musi wówczas wystąpić względny ruch obrabianego elementu względem wiązki promieniowania – obróbka ma charakter liniowy oraz impulsowe YAG –obróbka ma charakter punktowy )

Celem jest drążenie bardzo małych otworów w super twardych materiałach nawet w diamencie oraz cięcie wyrobów metalowych znacznej grubości.

Hartowanie laserowe bezprzetopieniowe

Hartowanie laserowe bezprzetopieniowe polega na nagrzaniu materiału metalowego do temperatury w której zachodzi określona przemiana fazowa w materiale i samoschłodzeniu go, w wyniku czego uzyskuje się strukturę twardszą, dla stali martenzytyczną.

Uzyskuje się w ten sposób warstwy zahartowane, twardsze o bardziej drobnoziarnistej strukturze, cieńsze wytrzymałe statycznie i zmęczeniowo, udarnościowo i o większej ciągliwości, odporne na korozję i zużycie przez tarcie. Grubość warstwy wynosi w przedziale 0,25 - 2,5 mm:

Wyróżniamy hartowanie:

Proste - polega na hartowaniu laserowym materiału w stanie wyjściowym wynikającym z ostatniej obróbki kształtującej, bez obróbki powierzchniowej lub cieplnej.
Złożone - polega na hartowaniu laserowym słusznym dla hartowania elektronowego, a więc w stanie po konwencjonalnej obróbce cieplnej, cieplno - chemicznej lub po umacnianiu mechanicznym.

Hartowanie przetopieniowe

Hartowanie przetopieniowe - głównym celem tej obróbki jest modyfikacja struktury materiału wyjściowego w celu uzyskania struktury drobnoziarnistej.

Hartowanie powoduje pogorszenie chropowatości powierzchni i polepszenie właściwości eksploatacyjnych: tribologicznych, zmęczeniowych i antykorozyjnych. Głębokość hartowania dochodzi do kilku milimetrów. Główne zastosowanie znajduje do obróbki żeliw szarych, stali nierdzewnych i narzędziowych. Przetopienie laserowe w połączeniu z obróbką cieplną powoduje wzrost twardości warstwy wierzchniej, która ma budowę strefową.

Zalety obróbki laserowej:

technologia laserowa pozwala na wykonanie nawet najmniejszych detali z ogromną dokładnością – do 0,001 [mm],
pozwala na produkcję dowolnej ilości, identycznych elementów,
specyfika pracy lasera zapewnia szybkie wykonanie nawet elementów o dużym stopniu skomplikowania,
oszczędność surowca, poprzez zastosowanie wąskiej szczeliny cięcia,
pełna automatyzacja,
niski hałas.

Wady obróbki laserowej:

duży koszt zakupu lasera,
duży koszt szkolenia i uzyskania wykwalifikowanej kadry inżynierskiej do obsługi maszyny,
ograniczenia w grubości ciętego materiału.

Wykorzystanie laserów w technice wytwarzania

Obróbka laserowa zależy od stopnia pochłaniania danej długości fali lasera przez materiał docelowy oraz techniki wybranej w danej aplikacji. Istnienie laserów o wielu długościach fal, umożliwia obróbkę wielu rodzajów materiałów. Dostosowując parametry lasera można zastosować go do następujących technik obróbki: Hartowanie

Promieniowanie laserowe jest stosowane z dobrym skutkiem do podwyższenia twardości metali w warstwie przypowierzchniowej. Wpływa ono na strukturę warstwy przypowierzchniowej za pośrednictwem fali uderzeniowej generowanej w materiale oraz dzięki przemianom fazowym spowodowanym nagrzewaniem, a także przez możliwość przetopu i przekrystalizowania materiału. Przy oświetleniu światłem laserowym powierzchni metalu ulega on nagrzewaniu na skutek absorpcji promieniowania, prowadzącej do podwyższenia temperatury warstwy zewnętrznej. W procesie przemian fazowych chłodzenie nagrzanej warstwy odbywa się zwykle samoistnie, dzięki przewodnictwu cieplnemu występującemu po usunięciu wiązki lasera z obszaru nagrzewanego lub po przerwaniu jego działania. Gwałtowny spadek temperatury warstwy prowadzi przy tym do wytworzenia się, w przypadku stali, przypowierzchniowej warstwy martenzytycznej o zwiększonej twardości. Utwardzenie metalu w warstwie przypowierzchniowej ma tę zaletę, że nie narusza własności mechanicznych rdzenia. Proces hartowania laserowego nie wymaga całościowego nagrzewania detali oraz konieczności chłodzenia w kąpielach lub innych ośrodkach chłodzących. Dzięki temu występujące zwykle podczas obróbki cieplnej zmiany rozmiarów liniowych i deformacje elementów hartowanych są sprowadzone do minimum.

W odróżnieniu od hartowania za pomocą wiązki elektronowej, laserowe hartowanie nie wymaga stosowania próżni i specjalnych ochron zabezpieczających personel. Bezdotykowość obróbki cieplnej prowadzonej za pomocą promieniowania laserowego umożliwia selektywne utwardzanie detali, również o skomplikowanych kształtach, wykonanych ze wszystkich rodzajów żelaza odlewniczego, a w tym stali trudno hartowalnych, stali narzędziowych, a nawet stopów aluminium.

Twardość tych ostatnich można zwiększyć nawet dwu czy też trzykrotnie. Technologia hartowania laserowego jest stosowana z dużym powodzeniem przede wszystkim do elementów niewielkich, o małej grubości, a także części zawierających wgłębienia i wnęki. Szybkie, naturalne chłodzenie, występujące w procesie, zapobiega powstawaniu na powierzchniach elementów hartowanych tlenków metali i co jest także istotne zanieczyszczeniu otaczającego środowiska.

Zalety hartowania laserowego widać w szczególności przy utwardzaniu powierzchniowym wałków. Deformacje termiczne powstające podczas tego procesu są stosunkowo niewielkie i sięgają co najwyżej kilkudziesięciu mikrometrów. Powierzchnia hartowana nie wymaga w wielu przypadkach ponownej, podwyższającej jej jakość obróbki mechanicznej. Większe części hartuje się zwykle przy użyciu promieniowania laserów CO2 ciągłego działania o mocach na poziomie kilowatów. Niezbędna do hartowania moc lasera zależy od kilku czynników, a między innymi od:

przyjętej prędkości przemieszczania wiązki lasera po powierzchni hartowanej,
od typu materiału hartowanego,
od zawartości w nim węgla
od głębokości hartowania.

Typowe wartości intensywności promieniowania laserowego stosowane do hartowania są rzędu 104 [W/cm2]. Taki poziom intensywności umożliwia np. zahartowanie stali węglowej na głębokość 0,1 [mm]. Oddziaływanie promieniowania laserowego z materiałem powinno przy tym trwać ok. 0,1 sekundy, a jego chłodzenie przebiegać z szybkością ~ 104 [stopni/s]. Umożliwia także zwiększenie twardości żeliwa z 30 do 60 stopni w skali Rockwella w warstwie o grubości 0,6 [mm]. Proces ten przy tym może być prowadzony z prędkością ponad 600 [mm2/s] .

Za pomocą promieniowania laserowego utwardza się powierzchnię detali różnych podzespołów i elementów nie tylko w procesie produkcyjnym, ale również podczas regeneracji. Obecnie z powodzeniem są utwardzane powierzchnie cylindrów w głowicach silników spalinowych, wałków rozrządu, zawory, wały korbowe, korpusy tylnych mostów w produkcji samochodów i wiele innych części.

Hartowanie laserowe pomimo omówionych zalet posiada również ograniczenia techniczne:

niemożliwe jest nakładanie na siebie śladów hartowniczych, gdyż we wspólnym obszarze występuje zjawisko obniżonej twardości hartowniczej z powodu podwójnego odpuszczania,
minimalna odległość śladów hartowniczych wynosi ok. 1,0 - 1,5 [mm],
hartowanie większych powierzchni polega na pokrywaniu tego obszaru równoległymi lub meandrycznymi ścieżkami hartowniczymi co wiąże się z koniecznością stosowania zabezpieczeń oraz środków ochrony osobistej z uwagi na szkodliwy wpływ promieniowania laserowego.

Hartowanie wiązką laserową nie powinno być traktowane jako alternatywa dla tradycyjnych metod hartowania lecz jako uzupełnienie metod obróbki cieplnej. Jest to nowoczesna technologia stwarzająca nowe możliwości konstrukcji i rozwoju. Jest ona w pełni dostosowana do wymagań współczesnej dynamicznej gospodarki.

Przetapianie warstwy powierzchniowej

Energia promieniowania laserowego jest stosowana do przetapiania i rekrystalizacji warstw przypowierzchniowych metali, gdzie podczas procesu topienia mogą być domieszkowane w sposób kontrolowany, w postaci proszku lub gazu, różnego rodzaju dodatki uszlachetniające. Powstają wówczas warstwy materiału o niewielkiej grubości i specyficznych własnościach, odporne na ścieranie, korozją i działanie środków chemicznych, charakteryzujące się równocześnie dużą twardością i wytrzymałością na zmęczenie. Podwyższenie zawartości chromu w stali w warstwie o grubości 1,3 [mm] do poziomu 21 [%] umożliwia np. zwiększenie jej twardości z 20 do 55 stopni w skali Rockwella. Proces ten prowadzony z prędkością ok. 50 [mm2/s] przy użyciu lasera CO2 o mocy 10 [kW] okazał się niezwykle efektywny.

Domieszkowanie wymaga stosowania laserów generujących promieniowanie, umożliwiające otrzymanie gęstości mocy w zakresie 10—1000 [kW/cm2], a wytworzenie specjalnych stopów powierzchniowych 0,1—0,5 [MW/cm2].

Zasadniczy wpływ na własności wytworzonych w ten sposób warstw ma szybkość ich ochładzania. Chłodzenie warstwy z szybkością np. rzędu 108 [stopni/s] prowadzi do utworzenia struktury amorficznej, o grubości warstwy ok. 20 [µm] przypominającej szkliwo. Warstwy amorficzne charakteryzują się szczególnie dużą wytrzymałością mechaniczną, a także dużą odpornością na korozję. Taki sposób zmiany własności warstwy przypowierzchniowej metalu nazywany bywa niekiedy szkliwieniem laserowym. Dzięki specyficznym zaletom metoda laserowego przetapiania powierzchni i tworzenia powłok ochronnych znalazła zastosowanie głównie w elementach narażonych na działanie wysokiej temperatury, ścieranie, działanie środków chemicznych. W przemyśle silnikowym np. powierzchnie zaworów i gniazda zaworowe najbardziej narażone na szkodliwe działanie pokrywa się specjalnymi warstwami stopów. Dotyczy to również łopat turbin silników odrzutowych, a także spoin spawalniczych. Specyficzną cechą przetopionej powierzchni, sprzyjającą jej łatwemu zastosowaniu jest:

gładkość,
brak defektów w warstwie materiału, nie poddawanej zwykle już dalszej obróbce.

Proces topienia laserowego znalazł zastosowanie do spawania elementów i części maszyn.

Grawerowanie

Podczas grawerowania materiał jest odparowywany. Wynikiem tego jest stożkowe wgłębienie wywołane profilem wiązki laserowej, oraz przewodnością cieplną materiału.

Ciecie laserowe

Zasadniczo rozróżnia się dwie metody cięcia laserowego: topnienie i sublimację. Podczas cięcia laserowego za pomocą stapiania materiał, np. akryl, zostaje stopiony lub wyparowany. Przy sublimacji materiał, np. drewno, zostaje od razu wyparowany, przy czym pominięta jest faza ciekła.

W celu zwiększenia skuteczności oddziaływania promienia laserowego, cięcie materiałów często odbywa się w obecności gazu:

Aktywnego: tlen.
Obojętnego: azot, argon.

Zadania spełniane przez gaz:

usuwanie wytworzonych par z wyciętej szczeliny,
utlenianie materiału,
chłodzenie brzegów materiału,
ochrona powierzchni soczewki ogniskującej wiązkę,
ochrona materiału przed zapalaniem.

Spawanie

W początkowym okresie stosowania laserów do obróbki materiałów rozwijano głównie spawanie punktowe używając do tego celu przeważnie laserów rubinowych, a także neodymowych szklanych. Pojawienie się laserów CO2 i Nd:YAG zapoczątkowało proces łączenia elementów za pomocą ciągłych spoin spawalniczych o głębokościach przetopu dochodzących dziś do kilku centymetrów przy gęstościach mocy lasera 105—107 [W/cm2]. Lasery Nd:YAG przyjęło się stosować głównie do spawania części o grubościach milimetrowych, natomiast lasery CO2 o kilowatowych mocach promieniowania do spawania materiałów o centymetrowych grubościach łączonych elementów.

Spoiny otrzymywane w ten sposób dzięki bezdotykowości procesu charakteryzują się dużą czystością. Możliwe jest układanie szwów w materiałach z dużą prędkością i dokładnością, wzdłuż zadanych nawet bardzo skomplikowanych trajektorii. W przypadku spawania punktowego możliwe jest także selektywne łączenie elementów, bez obawy termicznego wpływu promieniowania na części czułe na temperaturę, a znajdujące się w bezpośredniej bliskości spoiny.

Do istotnych zalet spawania laserowego zaliczamy:

możliwość łączenia elementów znajdujących się w miejscach trudno dostępnych,
operowania promieniowaniem laserowym przez przezierne osłony bez konieczności demontażu urządzeń, w skład których wchodzą te elementy.

Właściwy dobór czasu trwania impulsu laserowego oraz jego energii umożliwia realizację połączeń większości stosowanych w praktyce materiałów, a więc również takich, które nie mogą być spawane metodami klasycznymi. Na jakość połączeń nie mają zwykle istotniejszego wpływu lakiery lub warstwy tlenków znajdujące się na powierzchni łączonych detali.

Z powodzeniem tu są łączone takie materiały jak:

miedź z aluminium,
aluminium z niklem,
stal z brązem,
złoto z germanem,
wolfram z niklem,
tytan z tytanem.

Nie wszystkie jednak z tych metali gwarantują najwyższą pewność połączeń. Takie materiały jak miedź, aluminium, mosiądz i większość stopów zawierających cynk w odróżnieniu od kowaru, tytanu i specjalnych gatunków stali nierdzewnej nie gwarantują dobrej hermetyczności obudów spawanych laserowo.

Efektywność spawania laserowego w istotny sposób zależy od czasowego kształtu impulsu. Typowy stosowany w tej operacji kształt charakteryzuje się dużą szczytową wartością intensywności początkowej odpowiadającą tzw. impulsowi startowemu, poprzedzającemu impuls roboczy o wielokrotnie dłuższym czasie trwania. Impuls startowy spełnia funkcję inicjatora silnej absorpcji promieniowania przez wytworzenie w sposób gwałtowny obłoku par materiału, w którym efektywniej jest absorbowany impuls roboczy. W ten sposób maleją wymagania co do całkowitej wartości gęstości mocy promieniowania laserowego stosowanego w tego rodzaju obróbce, a jednocześnie zmniejsza się wpływ współczynnika odbicia i stanu powierzchni na efektywność absorpcji dla danej długości fali światła.

Drążenie

Promieniowanie laserowe zastosowano również do drążenia otworów. Odparowanie materiału pod wpływem zogniskowanej wiązki laserowej jest podstawą tej operacji. W procesie drążenia dzięki małemu udziałowi topienia jest zapewniona bardzo dobra jakość i symetria otworu.

Zalety tego sposobu wykonywania otworów uwidoczniły się w szczególności podczas drążenia otworów w materiałach twardych takich jak rubin, szafir lub diament oraz kruchych w rodzaju spieków lub ceramiki. Obecnie otrzymuje się otwory o średnicach już od kilku mikrometrów. Charakteryzują się one wartością stosunku głębokości do średnicy w zakresie od 10 do 30.