1. Wymieo i scharakteryzuj technologie laserowej obróbki powierzchni

Technologie laserowej obróbki powierzchni:
•Technologie laserowej obróbki cieplnej (hartowanie, wyżarzanie, przesycanie, rekrystalizacja)
•Przetapianie laserowe
•Stopowanie/wtapianie laserowe
•Napawanie laserowe
•Laserowe metody Rapid Prototyping
•Znakowanie laserowe
•Ablacja laserowa
•Cięcie laserowe
•Technologie laserowe w medycynie

PRZETOPIENIE

- polega na bardzo szybkim nagrzewaniu powierzchni obrabianej wiązką laserową,

czego efektem jest stopienie materiału na głębokośd zależną od parametrów prowadzonego procesu.
W zależności od rodzaju materiału, w czasie procesu stosuje się gazy ochronne (argon, hel, gazy
aktywne chemicznie – Ar+CO2, CO2, Ar+N2).
Struktura: drobnoziarnistością i dużą jednorodnością chemiczną, a co za tym idzie, wysoką
twardością, bardzo dobrą odpornością na ścieranie, erozję oraz działanie czynników zewnętrznych.
Grubośd warstwy przetopionej: od 5 µm do 5 mm.

OBRÓBKA CIEPLNA

- Utwardzanie laserowe materiałów inżynierskich, polega na nagrzaniu wiązką

lasera warstwy wierzchniej (o określonej grubości) elementu obrabianego do zakresu austenityzacji
oraz odpowiednio szybkim schłodzeniu celem zajścia przemiany martenzytycznej. Dzięki temu
podnosimy twardośd warstwy wierzchniej, przy nienaruszonym rdzeniu.

STOPOWANIE LASEROWE

– (LSA) polega na wzbogacaniu przetopionych warstw wierzchnich

materiałów w dodatki stopowe przy jednoczesnej zmianie struktury osnowy warstwy wierzchniej.
Proces może odbywad się w wyniku



PRZETAPIANIA- przetopienie wiązką laserową podłoża materiału podstawowego z naniesioną
uprzednio warstwą materiału dodatkowego w postaci past, powłok elektrolitycznych lub
natryskiwanych plazmowo oraz płomieniowo



WTAPIANIE - w wyniku podawania bezpośrednio do jeziorka ciekłego metalu materiału
dodatkowego w postaci proszku albo pasty lub w atmosferze gazów aktywnych chemicznie,
np. azotu.

Warstwy wierzchnie charakteryzują się: niewielką grubością i szczególnymi własnościami, dużą
odpornością na ścieranie, erozje, korozje, działanie agresywnych środków chemicznych, dużą
twardością, dużą wytrzymałością zmęczeniową i żaroodpornością.

NAPAWANIE

- polega na nałożeniu powłoki metodą spawalniczą przez dokładne stopienie materiału

dodatkowego (spoiwa), z nadtopionym materiałem podłoża. Napawanie stosuje się zazwyczaj w celu
regeneracji zużytych części maszyn i urządzeo oraz wytworzenia użytkowej warstwy wierzchniej na
nowych elementach.
Grubośd warstwy: od 0,1 mm do powyżej 10 mm w przypadku zastosowania napawania
wielowarstwowego.

Znakowanie laserowe

Podstawowym zjawiskiem występującym w procesie, jest absorpcja energii w warstwie wierzchniej a
następnie lokalny wzrost temperatury w wyniku czego następuje topienie i odparowanie materiału.

Tego typu technologia wykorzystywana jest w przemyśle rozlewniczym, tytoniowym, spożywczym i
kosmetycznym do nanoszenia numerów seryjnych i kodów, dat produkcji oraz przydatności do
użycia.

Ablacja

jest to proces, w którym wysokoenergetyczne kwanty promieniowania lasera wywołują

obniżenie energii wiązao pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie warstw atomowych jedna
po drugiej.
Do podstawowych zastosowao zjawiska ablacji należy zaliczyd:
•odparowanie materiału z tarczy i nanoszenie jego par na materiał podłoża,
•usuwanie zbędnego materiału, w celu oczyszczenia zabrudzonej powierzchni
•usuwanie części materiału drogą wybuchowego odparowania i umacnianie pozostałego materiału z
wykorzystaniem zjawiska fali uderzeniowej.

CIĘCIE LASEROWE

- polega na skierowaniu wiązki lasera na powierzchnię materiału, który zostaje

stopiony, odparowany lub spalony. Padanie skoncentrowanej wiązki światła na powierzchnię
materiału powoduje jego intensywne nagrzewanie się. Podczas procesu doprowadza się pewną ilośd
gazu do strefy cięcia. Dodatkowy strumieo gazu wydmuchuje stopiony materiał i jego pary powstałe
podczas procesu.
Cięcie laserowe zapewnia:
•Uzyskanie bardzo małych szerokości szczelin cięcia, posiadających równe krawędzie,
•Zminimalizowanie strefy wpływu ciepła,
•Zminimalizowanie odkształceo termicznych materiału powstających podczas procesu.
•Brak mechanicznego kontaktu wiązki z powierzchnią przecinanego materiału pozwala na:
•Wyeliminowanie odkształceo mechanicznych powstających podczas procesu,
•Cięcie materiałów wykazujących się dużą twardością bez obawy o ich pękanie.
•Brak konieczności wymiany elementów roboczych stykających

LASEROWE METODY RP - RP

różne technik stosowane do wytwarzania fizycznych modeli

bezpośrednio z rysunków CAD-3D. Metody te wykorzystują zdolnośd do łączenia materiałów takich
jak proszki, żywice czy arkusze w celu tworzenia obiektów fizycznych. Warstwa po warstwie, nakłada
się tworzywo, papier, ceramikę, metal lub kompozyt różnych materiałów, wg kolejnych przekrojów
poziomych modelu komputerowego. Obiekty mogą byd tworzone pomimo skomplikowanej geometrii
oraz złożoności.
Techniki RP:



SLA(Stereolitografia)



SLS(Selektywne spiekanie laserowe)



IJP(Wielostrumieniowe nanoszenie maeriału)



LENS



FDM(Wytłoczne osadzanie stopionego materiału)



LOM(Warstwowe wytwarzanie obiektów)



3DP(Przestrzenne zestalanie proszku lepiszczem)

2. Przedstaw metody charakteryzacji własności technologicznych materiałów inżynierskich

obrabianych laserowo

Twardośd: Vickers – wciskanie diamentowego wgłębnika w postaci stożka
Ścieralnośd: Pin on disc - polega na pomiarze ubytku masy próbki podczas ścierania jej na wirującej
tarczy ściernej
Adhezja: Scratch test – metoda badania wytrzymałości połączenia powłoki z podłożem. Polega na
wykonaniu rysy na powierzchni próbki diamentowym wgłębnikiem Rockwella C przy obciążeniu siłą
normalną FN
Mikroskopowe: grubośd warstwy, porowatośd, gładkości/równości powierzchni
Odpornośd na zginanie: Trzypunktowe badanie wytrzymałości na zginanie. Typowe wyniki badao, to
moduł zginający E, naprężenie przy 3,5 % odkształceniu oraz naprężenia i wydłużenia przy granicy

plastyczności i przy zerwaniu próbki. Wyniki badania na zginanie ukazują w szczególności zachowanie
materiału w pobliżu powierzchni próbki.

3. Scharakteryzuj urządzenia stosowane w materiałowych procesach obróbki

powierzchniowej

Zasada działania lasera

:

Wśród metod pompowania możemy wyróżnid pompowanie:
• optyczne – wykorzystujące promieniowanie świetlne,
• elektryczne – wykorzystujące zjawisko wyładowao elektrycznych w gazach, bombardowania
strumieniem elektronów, przewodzenia prądu w półprzewodnikach

Stan wzbudzenia ośrodka czynnego lasera można uzyskad przez:
• napromieniowanie ośrodka lampą błyskową, łukową lub innym laserem
• przepływ prądu przez złącze typu p-n – w laserach półprzewodnikowych,
• przepływ prądu przez gaz; na skutek wytworzenia w nim wyładowania elektrycznego (zderzenia
elektron – atom, atom wzbudzony – atom, atom wzbudzony – cząsteczka),
• wykorzystanie energii wiązao chemicznych – w ośrodkach czynnych gazowych.

Zaletą współczesnych laserów jest to, że:
• umożliwiają uzyskanie prostokątnego, kwadratowego, liniowego lub kołowego kształtu ogniska
wiązki laserowej,
• kontrolowany rozkładem energii w miejscu ogniskowania przy gęstości mocy do 105 W/cm2,
• są stabilne,
• są łatwe w sterowaniu,
• charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji promieniowania,
• mają niewielkie gabaryty,

dostarcza

energie

Układ

pompując

y

następuje kwantowe

wzmocnienie

fotonów

Ośrodek

czynny

wiązka

światła

Układ

optyczny

• nie wymagają prowadzenia wiązki laserowej przez złożone układy optyczne

Lasery cieczowe

- Pobudzane optycznie promieniowaniem laserowym



laser barwnikowy- wykorzystujące jako ośrodek czynny roztwory różnych barwników w
rozpuszczalnikach. Jest to laser o pracy ciagłej lub impulsowej umożliwiający ciagłą zmianę
długości fali w zakresie 0,35-1,3 mikrometra przez zastosowanie w nim jako ośrodka
czynnego kolejno różnych barwników.



Chemiczny

Lasery gazowe

– ośrodek czynny na gazowy stan skupienia. Charakteryzują się występowaniem

wąskich linii widmowych zarówno emisyjnych jak i absorpcyjnych.



atomowe - ośrodek czynny: gaz atomowy bądź mieszaniną takich gazów. W części z nich, aby
otrzymad odpowiednie wzbudzenie należy gaz zjonizowad (np. lasery argonowe) .



jonowe np. wykorzystują jako ośrodek czynny atomy argonu utrzymywane w rurze
wyładowczej pod ciśnieniem około 0,1 Tora. Laser ten może emitowad ponad 30 linii w
zakresie od nadfioletu do światła czerwonego (od 275 nm do 686,1 nm).



Molekularne

- Lasery CO2 generujące promieniowanie o długości fali 10.600 nm pracują w reżimie pracy
ciągłej z mocą od 30-100 W lub impulsowej o czasie i energii impulsów odpowiednio ok. 10-
600 mikrosekund i 0.25 J oraz częstotliwości do 1 kHz.

Lasery stałe

ośrodek czynny: kryształ dielektryka lub szkło domieszkowane jonami metali, które

odpowiadają za własności laserowe ośrodka. Typowym przedstawicielem kryształów
wykorzystywanych jako materiał bazowy ośrodka czynnego lasera jest korund Al2O3 (w swej
odmianie szlachetnej zwany szafirem).



Laser rubinowy - -środkiem czynnym lasera rubinowego jest kryształ korundu
domieszkowany chromem. Długośd emitowanej fali : 694,3 nm.



Lasery neodymowe - w laserach tych domieszkę stanowią trójkrotnie zjonizowane atomy
lantanowców. Neodym jest domieszkowany do szerokiej grupy materiałów bazowych,
spośród których najbardziej znanym jest granat itrowo-aluminowy, oznaczany jako YAG
(Yttrium Aluminium Garnet). W tym krysztale Nd emituje głównie linię 1064 nm.



Laser na centrach barwnych



Laser diodowy

Inne



Lasery na swobodnych elektronach elektrony sa przyspieszane do wysokich energii, a
następnie przepuszczane przez periodyczne pole magnetyczne w undulatorach. W trakcie
tego procesu elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne, które wytwarza
ultrakrótkie impulsy intensywnego promieniowania.



Rentgenowskie i promieniowania gamma

4. Przedstaw perspektywy zastosowania laserowej obróbki powierzchniowej dla wybranych

grup materiałów

Materiałami wzbogacanymi są głównie:
•stale niskowęglowe,
•stale niskostopowe,
•stale narzędziowe,
•żeliwa,
•metale nieżelazne np. Ti, Al, Cu.

Podział najczęściej stosowanych materiałów stopujących jest następujący:
•niemetale – C, N2, Si, B – w procesach laserowego nawęglania, azotowania, krzemowania i
borowania,

•metale – Cr, Co, Mn, Nb, Ni, Mo, W, Ta, V,
•kompozycje pierwiastków – B-C, B-Si,
•stopy metali – Co-W, CrTi, FeCr, C-Cr-Mn, Al-Cr-C-W,
•węgliki – TiC, NbC, VC, TaC, WC,
•tlenki – Cr2O3, TiO2, B2O3.

Przetapianie : stal węglowa, s. stopowa, stal wysokostopowa chromowa, żeliwa, stopy na osnowie
niklu, kobaltu, tytanu, cermetale, ceramika
laserowa obróbka cieplna : stal węglowa i narzędziowa,
ablacja laserowa : poliery, metale trudnotopliwe,
stopowanie laserowe : jako dodatki stopowe : stopy metali, węgliki, azotki, borki, stellity,
napawanie : mat. Metalowe i cermetale,
znakowanie : tworzywa sztuczne, metale, ceramika,
cięcie laserowe : metale, tworzywa sztuczne, drewno, szkło

5. Omów zjawisko krystalizacji stopów metali w procesie laserowej obróbki powierzchniowej

Promieniowanie laserowe szybko nagrzewa warstwy wierzchnie materiału. Na granicy przetopionego
obszaru i podłoża powstaje duży gradient temperatury powodujący powstanie w ciekłym materiale
ruchów konwekcyjnych, które intensywnie mieszają ciecz. Oprócz tego mieszanie materiału
wzmacnia również mocny nadmuch gazów stosowanych w czasie procesu. Duża różnica temperatury
między powierzchnią i dnem obszaru przetopionego przyspiesza krzepnięcie cieczy. Szybkośd
chłodzenia (ok 1011˚C/s) determinuje dużą prędkośd krystalizacji.

Przy zapewnieniu dużych szybkości chłodzenia lepkośd ciekłego metalu w niektórych stopach wzrasta
tak, że stop nie krystalizuje. Krzepnie on w sposób nieuporządkowany, tworząc bezpostaciowy stop o
cechach masy szklanej.

W obrębie roztopionej strefy występują różne warunki tj. różna szybkośd chłodzenia i stopieo
przechłodzenia, co wpływa na strukturę zakrzepłego materiału.

MOD

Mody laserowe – ściśle określone rozkłady amplitudy promieniowania laserowego o zadanych
częstotliwościach, powstające w kutek obecności rezonatora.
Zjawiska nasycenia i konkurencji modów zależą od poszerzenia przejścia laserowego, które może
mied charakter jednorodny lub niejednorodny (wilka ilośd atomów o różnych prędkościach,
emitujących różne częstości).
Wyróżniamy mody podłużne q i poprzeczne m i n.



q – liczba połówek długości fali, które mieszczą się w długości rezonatora, amplituda pola
promieniowania A(z) wynosi 0.



m, n – określają charakter rozkładu amplitudy A(x, y) w płaszczyźnie przekroju poprzecznego
poprzez podanie miejsc zerowych rozkładu w kierunku x i y

m=n=0 – mod podstawowy, osiowy

Każdy mod charkteryzują 3 liczby: q, m, n
Mody poprzeczne: charakteryzują go liczby m i n niezależnie od q
Mody podłużne: m=n, różnią się tylko q

Parametry którymi możemy sterowad

Prędkośd, moc, rozdzielczośd
??? nie wiem czy to to i czy to wszystko

Emisja wymuszona

zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że

jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a
podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu
wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to
znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości.

Rezonator

optyczny umożliwiający wytworzenie promieniowana monochromatycznego.

Zasada działania

opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego

zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez pompowanie do
stanu inwersji obsadzeo odpowiednich poziomów energetycznych.