LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI

Transkrypt

1 Ćwiczenie 9 Wydział Elektryczny Mechaniczny Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI Technologie obróbki laserowej Opracował: dr inż. Tomasz Baraniecki, mgr inż. Piotr Koruba Zagadnienia do przygotowania Interakcja promieniowania laserowego z materią Rodzaje spawania laserowego Techniki cięcia laserowego Przebieg procesu napawania Rodzaje znakowania laserowego Literatura [1] A. Klimpel: Technologie laserowe w spawalnictwie, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [2] J. Kusiński: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków 2000.

2 1. Wprowadzenie Wynalezienie laser jest uważane, za jedno z najbardziej przełomowych odkryć minionego wieku. Obecnie trudno znaleźć dziedzinę techniki, gdzie nie byłoby wykorzystywane promieniowanie laserowe. Lasery są obecnie powszechnie wykorzystywane w medycynie, komunikacji, archiwizacji danych, metrologii czy też rozrywce. Jednym z zastosowań lasera jest wykorzystanie go do obróbki metali i wykorzystanie go w procesie cięcia, spawania czy też napawania. Lasery są obecnie jedynym dostępnym źródłem energii umożliwiającym dostarczenie mocy o gęstości nawet ponad [W/cm 2 ] w normalnych warunkach atmosferycznych [1]. Dostępność tak dużej gęstości mocy oraz możliwość dokładnego sterowania położeniem wiązki laserowej umożliwia bardzo dokładne nagrzewanie materiałów z szybkością dochodzącą do 10 6 [ C/s], ich topienie, a nawet odparowanie wszystkich znanych materiałów inżynierskich. Aplikacje laserowe w przemyśle bazują na interakcji promieniowania laserowego z obrabianym materiałem. Ponieważ energia fali elektromagnetycznej transportowanej przez wiązkę laserową jest następnie zamieniana na ciepło, mechanizmy zamiany tych form energii odgrywa decydującą rolę w każdym procesie laserowym, z tego też powodu poniżej zostanie to zjawisko omówione bardziej szczegółowo Interakcja promieniowania laserowego z materią Promieniowanie laserowe, które pada na materiał może ulegać szeregu zjawisk, jak zostało to schematycznie pokazane na Rys. 1. Rys. 1. Zjawiska związane ze światłem laserowym w interakcji z litym materiałem [2] W trakcie procesu obróbki laserowej padające promieniowanie nie jest całkowicie absorbowane przez próbkę. W przypadku powierzchni wykonanej z litego materiału promieniowanie jest rozdzielane na część odbita od powierzchni, część zaabsorbowaną przez materiał, a część może być transmitowane przez materiał. Te składowe mogą zostać opisane jako odbicie (refleksyjność) R, 2

3 absorpcyjność A i transmisja T. Zgodnie z zasadą zachowania energii te składowe muszą spełniać poniższą zależność: R+A+T=1. W wyniku absorpcji energia wiązki laserowej jest zamienia na ciepło i napromieniowany materiał zwiększa swoją temperaturę. W tym przypadku laser możemy traktować jako punktowe źródło ciepła. W zależności o ilości dostarczonej energii materiał może zostać podgrzany, przetopiony czy wręcz ulec odparowaniu. Głębokość penetracji promieniowania zależy od długości fali. Im długość fali jest krótsza tym głębokość penetracji jest mniejsza. Dla większości metali przewodzących głębokość penetracji znajduje się w zakresie nm [3]. Stąd w porównaniu z grubością obrabianego materiału transmisja może zostać pominięta. Wówczas z powyższego równania pozostaje tylko zależność: A=1-R. Stąd w przypadku obróbki metali mamy tylko do czynienia z odbiciem i absorpcją promieniowania. Absorpcja zależy od bardzo wielu czynników i jest różna dla różnych metali, jak zostało to pokazane na poniższym rysunku. Rys. 2. Absorpcyjność dla różnych materiałów w funkcji długości fali [4] Na podstawie powyższego wykresu można wysnuć wniosek, że absorpcyjność wzrasta wraz spadkiem długości fali. W przypadku stali absorpcyjność wzrasta z 10 % w przypadku zastosowania lasera CO2 do 30 % w sytuacji, kiedy zostanie użyty laser Nd:YAG o długości fali 1.06 μm. Są również materiały takie jak miedz czy złoto, które mają bardzo małą absorpcyjność (odbijają większość promieniowania na nie podającego) w głębokiej podczerwieni i do ich obróbki należy używać laserów emitujących promieniowanie w zakresie ultrafioletowym. 3

4 2. Spawanie laserowe Spawanie z wykorzystaniem wiązki lasera najczęściej wykorzystuje się w przemyśle motoryzacyjnym oraz lotniczym, czyli tam gdzie istotna jest wysoka jakoś wykonanych spoin. W procesie spawania stosuje się głównie lasery o mocy ciągłej z gazowym (CO2) i stałym (Nd:YAG) ośrodkiem aktywnym. Kolejna grupa, czyli lasery o działaniu impulsowym znalazły zastosowanie szczególnie tam, gdzie niezwykle ważne jest uniknięcie cieplnego uszkodzenia struktury elementu w bezpośrednim sąsiedztwie zgrzeiny, np. w elektronice, w produkcji przyrządów półprzewodnikowych, oraz układów mikroelektronicznych. W tym przypadku laser emituje ciąg impulsów, a czas pomiędzy kolejnymi impulsami jest tak dobierany, aby nie dochodziło do akumulacji ciepła. (a) (b) Rys. 3 (a) Głowica obróbcza do spawania laserowego [5], (b) laserowe spawanie karoserii samochodu [2] W procesie spawania promieniowanie laserowe jest transmitowane z lasera do tak zwanej głowicy obróbczej. Zadaniem głowicy obróbczej jest odpowiednie formowanie wiązki lasera (Rys. 3a). Do tego celu używa się szeregu soczewek, które powodują, że promieniowanie lasera zostaje skupione na bardzo małym obszarze i ilość dostarczonej gęstości mocy (moc dzielona przez powierzchnię) może być wystarczająca do przetopienia materiału. Należy jednak zadbać o to, aby miejsce gdzie wiązka laserowa ma najmniejszą średnice znajdował się na powierzchni przedmiotu. Ruch głowicy i zapewnienie odpowiedniej odległości głowicy od obrabianego przedmiotu jest realizowane przez różnego rodzaju układy kinematyczne (roboty, obrabiarki CNC). Jeśli wiązka laserowa zostanie skupioną w 4

5 obszarze styku dwóch materiałów, które do siebie przylegają, spowoduje ona lokalne przetopienie. Przemieszczanie wiązki laserowej wzdłuż połączenie tych materiałów powoduje, że granica tych dwóch ośrodków zostanie lokalnie przetopiona a następnie zastyga tworząc trwałą spoinę. Ze względu na przebieg procesu spawania, spawanie laserowe dzielimy na spawanie przewodnościowe oraz spawanie głębokie, dokładniej omówione poniżej Spawanie przewodnościowe W procesie przewodnościowego spawania metali materiał jest ogrzewany poprzez wiązkę laserową powyżej temperatury topnienia, ale tylko do poziomu wystąpienia nieznacznego parowania materiału. Kształt ciekłego jeziorka i głębokość przetopu zależy od przewodności cieplnej materiału. W jeziorku przetopiony metal ulega silnemu mieszaniu spowodowany występowaniu sił Marangoniego wynikających z różnicy napięć powierzchniowych w zależności od temperatury (Rys. 4). Rys. 4. Przepływ ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym podczas procesu spawania przewodnościowego [6] Proces spawania przewodnościowego dla stali oraz aluminium jest stabilny i cichy. Jakość spoiny od strony lica jest zazwyczaj bardzo dobra. Proces ten najczęściej stosowany jest do obróbki cienkich blach, oraz rur o grubości ścianki do 2 mm. W porównaniu do innych metod łączenia materiałów spawanie przewodnościowe zapewnia mniejszy pobór energii podczas obróbki, czego rezultatem jest mniejsze zniekształcenia detalu oraz większa efektywność procesu. 5

6 Rys. 5. Różnica pomiędzy spawaniem przewodnościowym a spawaniem głębokim [7] Intensywność wiązki podczas procesu musi być wystarczająco wysoka, aby rozgrzać materiał do temperatury topnienia, ale niższa od intensywności granicznej - intensywności progu. W literaturze próg ten nazywany jest granicą powstawania plazmy. Jeśli wartość intensywności przekroczy ten próg spawanie przewodnościowe zamienia się na głębokie. Poniżej tego progu wzrost intensywności powoduje nieznaczne zwiększenie głębokości spawania, która w głównej mierze zależy od przewodności cieplnej materiału, jak zostało to pokazane na powyższym rysunku. Przekroczenie intensywności granicznej powoduje gwałtowne zwiększenie głębokości spawania Spawanie głębokie Spawanie głębokie charakteryzuje się tym, że energia promieniowania laserowego ogrzewa obrabiany materiał ponad jego temperaturę parowania. Siła odrzuty odparowujących cząstek jest tak duża, że powoduje rozsunięcie na bok roztopionego metalu tworząc kanał parowy (kapilarę), umożliwiając w ten sposób penetracje wiązki laserowej w głąb materiału, jak zostało to pokazane na Rys. 6(a). Przekroczenie intensywności granicznej, która powoduje parowanie materiału jest bezpośrednim powodem powstania kanału parowego. Jego obecność jest niezbędnym warunkiem przeprowadzenia spawania głębokiego. Kanał parowy zachowuje się jak optyczne ciało czarne, promieniowanie laserowo ulega w nim wielokrotnemu odbiciu, a w konsekwencji prawie cała wiązka jest absorbowana. 6

7 (a) (b) Rys. 6 (a) Schemat spawania głębokiego, (b) przekrój przez spoinę laserową [7] Powstanie kanału parowego pozwala na otrzymanie proporcji (głębokość/szerokość) spoiny większej niż 10:1 (Rys. 6(b)). W odróżnieniu od spawania tradycyjnego głębokie spawanie laserowe posiada dużo mniejszą strefę oddziaływania ciepła i dzięki temu uzyskuje się mniejsze zniekształcenia łączonych elementów. Przy zastosowaniu spawania głębokiego możliwe jest spawanie elementów do grubości 40 mm. 3. Cięcie laserowe Oprócz spawania promieniowanie laser jest również wykorzystywane do operacji odwrotnej, a mianowicie do cięcia. Cięcie laserowe jest to rodzaj termicznej obróbki ubytkowej polegającej na rozdzieleniu materiału za pomocą zogniskowanej wiązki lasera oraz gazu procesowego przepływającego współosiowo z tą wiązką. Cięcie laserowe jest dziś najczęstszym przemysłowym zastosowaniem laserów na świecie. Zastosowanie lasera pozwala na zwiększenie szybkości oraz jakości wykonywanych elementów w stosunku do konkurencyjnych technik cięcia. Także w tym procesie używa się specjalnej głowicy obróbczej. Tak jak poprzednio dzięki użyciu odpowiedniego systemu optycznego wiązka laserowa jest skupiana na bardzo małym obszarze i przy odpowiedniej mocy lasera możliwe jest przetopienie materiału. Ten roztopiony materiał jest następnie wydmuchiwany przez specjalną dyszę, która kieruję odpowiedni gaz procesowy pod wysokim ciśnieniem na przetapiany obszar, jak zostało to pokazane na Rys. 7. 7

8 Rys. 7. Przebieg proces cięcia z użyciem lasera [4] Roztopiony materiał jest usuwany przez strumień tego gazu z obszaru cięcie i wiązka laserowa przetapia kolejną warstwę materiału, który jest również usuwany z obszaru cięcia przez gaz procesowy. W ten sposób można w szybki sposób ciąć różne materiały, a dzięki odpowiedniemu układowi manipulacji głowicy laserowej możliwe jest wycinanie bardzo skomplikowanych kształtów. Proces cięcia laserowego może być realizowany jest poprzez: 1. Roztopienie i wydmuchanie ciekłego metalu 2. Cięcie z utlenianiem 3. Cięcie z odparowaniem (sublimacyjne) Cięcie laserowe poprzez roztopienie i wydmuchanie ciekłego metalu Pierwszym etapem tego procesu jest dostarczenie odpowiedniej ilości energii w miejsce obróbki, której zadaniem jest ogrzanie i stopienie metalu. W kolejnej fazie roztopiony materiał zostaje wydmuchany przez gaz roboczy (azot, argon) dostarczony w obszar obróbki pod odpowiednim ciśnieniem (od 0.5 MPa do 2 MPa). Wydmuchanie ciekłego metalu powoduje odsłonięcie materiału litego, który w wyniku absorpcji promieniowania przechodzi w stan płynny i jest usuwany z obszaru cięcia. Odpowiednio dobrany ruch głowicy laserowej powoduje, że materiał jest cięty Cięcie laserowe z utlenianiem Stosując w trakcie cięcia laserowego tlen jako gaz roboczy zapewnia się nie tylko wydmuchanie stopionego materiału, ale również jego spalanie. Reakcja tlenu z żelazem powoduje reakcję egzotermiczną, która wraz z promieniowaniem laserowym dostarcza dodatkową energię do procesu. Szczególną zaletą tego zjawiska jest możliwość znacznego zwiększenia prędkości cięcia przy zachowaniu tej samej mocy lasera. Różnica prędkości zauważalna jest zwłaszcza przy cięciu grubych materiałów, 8

9 a praktycznie znikoma dla materiałów cienkich. Cięcie z wykorzystaniem tlenu służy do obróbki na głębokość do 25 mm. Przy wyższych grubościach koszt obróbki jest nieznacznie wyższy w porównaniu z konwencjonalną metoda cięcia gazowego. Dodatkowym ograniczeniem procesu ciecia tlenowego jest fakt występowanie utleniania się krawędzi, co nie ma miejsca w przypadku cięcie z wydmuchiwaniem i użyciem gazu osłonowego. Rys. 8. Maksymalna prędkość cięcia dla lasera CO2 przy mocy 1200 oraz 2300 W [7]. Powyższy rysunek przedstawia zależność pomiędzy grubością materiału, a prędkością cięcia przy stałych wartościach mocy lasera. Z wykresu można wnioskować, że maksymalna prędkość cięcia spada wykładniczo wraz ze wzrostem grubości materiału. Z wykresu wynika również, iż laserem o mocy 1200 W nie może być cięty materiał o grubości 25 mm nawet przy bardzo niskich prędkościach posuwu. Natomiast dla lasera o mocy 2300 W maksymalna prędkość cięcia dla tej grubości wynosi 0,5 m/min i pozwala na cięcie elementów o grubości 30 mm 3.3. Cięcie z odparowaniem (sublimacyjne) Cięcie z odparowaniem odznacza się tym, że materiał zostaje tak intensywnie miejscowo rozgrzany przez wiązkę lasera, iż przechodzi on bezpośrednio w fazę gazową i wyparowuje. W połączeniu z oddziaływaniem gazu obojętnego oraz ruchem posuwowym powstaje szczelina cięcia. Zadaniem gazu obojętnego jest usuwa pary materiału, zapobiega ich kondensacji i krzepnięciu w obszarze cięcia. Wadą tego rodzaju cięcia stanowi potrzeba dużej gęstości mocy lasera dochodzącej do 10 6 W/cm 2 co ograniczę użycie tej techniki tylko do elementów cienkościennych. Szczególną zaletą procesu jest możliwość otrzymania węższej i lepszej jakościowo powierzchni cięcia niż podczas topienia i wydmuchiwania ciekłego metalu 9

10 4. Napawanie laserowe Nakładanie materiału dodatkowego na materiał bazowy nazywamy napawaniem. Także do tego procesu może zostać użyty laser. Tak jak poprzednio wiązka laserowa musi zostać skupiona na obrabianym przedmiocie za pomocą odpowiedniego układu optycznego i tak aby przetopić materiał. Jednak w przypadku napawania laserowego w obszar jeziorka przetopionego materiału podawany jest materiał dodatkowy w formie na przykład proszku, jak zostało to pokazane na Rys. 9. Rys. 9. Przebieg proces napawania laserowego [7] W skutek oddziaływania wiązki laserowej proszek zostaje przetopiony i miarę przemieszczania się wiązki laserowej zastyga on tworząc dodatkową warstwę na materiale podłoża. Dzięki temu na materiał podłoża możemy nałożyć materiał dodatkowy, który ma inne właściwości mechaniczne. Podczas tego procesu wiązka laserowa częściowo przetapia cząstki podawanego proszku oraz tworzy jeziorko stopionego metalu na przedmiocie (głębokości dziesiątek milimetra), w którym przetapia się reszta cząstek podawanego proszku. Szeroka gama dostępnych proszków metalicznych, może być w ten sposób formowana na powierzchni przedmiotu w postaci ścieżek o wysokości w zakresie 0,05 do 2 mm oraz szerokości od 0,5 do 5 mm. Typowy rozmiar ziaren proszku zawiera się w przedziale 20 do 100 μm. Proszek jest transportowany w obszar interakcji z wiązką lasera poprzez gaz nośny zazwyczaj argon lub hel, który dodatkowo może spełniać rolę gazu osłonowego. Naniesiona powłoka może posiadać większą twardość i element z taką powłoką będzie bardziej odporny na zużycie i czas eksploatacji takiej części znacznie się wydłuża. Proces napawania laserowego może zostać użyty także do regeneracji zużytych części. Wówczas dzięki temu procesowi można odbudować te obszary, które uległy zużyciu w czasie eksploatacji. Sterując odpowiednio procesem 10

11 możliwe jest nakładanie nie tylko pojedyncze warstwy na materiale podłoża, ale i budować struktury przestrzenne, wówczas odpowiednio zaprojektowany przedmiot jest budowany warstwa po warstwie. 5. Znakowanie laserowe W zależności od użytego materiału i rodzaju lasera oraz gęstości mocy promieniowania padającego na materiał efekty końcowe oddziaływania wiązki laserowej z materiałem mogą mieć różny efekt końcowy, jak zostało to pokazane na poniższym rysunku. Grawerowanie Grawerowanie Grawerowanie anie Zmiana koloru Grawerowanie anie Spienianie Grawerowanie anie Rys. 10. Różne efekty znakowania laserowego [Trumpf ]. Jeśli gęstość mocy lasera jest odpowiednio duża, dochodzi do częściowego odparowania materiału, wówczas w materiale powstaje bezbarwne zagłębienie, grawerunek. Często w skutek oddziaływania przetopionego materiału z tlenem atmosferycznym powstaje tlenek, który dodatkowo uwypukla powstały grawerunek. Ten efekt jest widoczny zgłasza w metalach. W przypadku oddziaływania lasera na tworzywo sztuczne często wykorzystywany jest efekt zmiany koloru. Na skutek działania promieniowania laserowego następuje rozerwanie pojedynczych wiązań w molekułach i ich struktura ulega zmianie. Z tego powodu ulegają zmianie charakterystyki absorpcyjne materiału i dla ludzkiego oka miejsce oddziaływania laserowego jest odbierane jako inna barwa. Przy czym powierzchnia materiału nie ulega zmianie w trakcie procesu. W przypadku niektórych tworzyw sztuczny, może dochodzić do lokalnego spieniania materiału. Wiązka laserowa doprowadza materiał do lokalnego przetopienia. W wyniku czego powstają pęcherzyki gazu, które w trakcie chłodzenia zostają uwięzione wewnątrz materiału. 11

12 Do znakowania laserowego wykorzystuje się najczęściej układy na bazie głowicy skanującej, jak zostało to pokazane na rysunku 10 (a). Ruchome zwierciadła głowicy skanującej przekierowują promieniowanie laserowe w odpowiednie miejsce, zostaje ono skupione przez soczewkę na obrabianym materiale i odpowiednio sterując położeniem zwierciadeł możliwe jest uzyskanie dowolnego wzoru. (a) (b) Rys. 11. Układy do znakowanie lasowego: (a) z użyciem głowicy skanującej, (b) z wykorzystaniem maski [Keyence] W sytuacji kiedy na materiale ma zostać odwzorowany ciągle ten sam wzór można użyć układu z wykorzystaniem maski. Wówczas promieniowanie laserowe zostaje przesłonięte przez odpowiednio spreparowaną maskę. To promieniowanie zostaje następnie skupione przez soczewkę na materiale i odwzorowuje ono kształt maski. Używając odpowiedniego źródła laserowego o odpowiedniej mocy w impulsie wystarczy tylko pojedynczy impuls, aby ozorować na materiale pożądany kształt. Metoda z wykorzystaniem maski jest dużo szybsza niż użycie głowicy skanującej, jednak jest to metoda mało elastyczna. Ponieważ jakakolwiek potrzeba zmiana znakowanego kształtu wymaga zmiany odpowiedniej maski Podsumowanie Jak widać na podstawie przedstawionych przykładów wiązki lasera można użyć do szeregu procesów obróbczych. Odpowiednio uformowana wiązka może zostać wykorzystane do cięcia i spawania materiałów, jak również do napawania dodatkowych powłok. Jest to tylko część procesów, w których wykorzystywany jest laser. Jest on również wykorzystywany w znakowaniu, hartowaniu, szkliwieniu itd. Obróbka laserowa znajdują coraz szersze zastawanie w przemyśle poprawiając jakość 12

13 wykonywanych elementów oraz umożliwiając dokonywanie procesów obróbki, które nie były możliwe do realizacji metodami tradycyjnymi. Literatura: [1] A. Klimpel: Technologie laserowe w spawalnictwie, Gliwice 2011, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej [2] Trumpf Technical Information, Laser machining, Solid-state lasers, [3] C.E. Webb, J. D.C. Jones: Handbook of Laser Technology and Applications, Volume III: Applications, IOP Publishing [4] E.Beyer: Materiały do wykładu: Laser Technology. Institute of Surface and Manufacturing Technology, IWS Dresden. [5] [6] E. Kannatey-Asibu: Principles of Laser Materials Processing, Wiley, [7] R. Poprawe : Tailored Light 2. Laser application technology, Springer-Verlag Berlin