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.