MECANIK NR 1/2015 23 Wływ stratgii owirzchniowj obróbki lasrowj na jj ktywność Inlunc o lasr surac tratmnt stratgy on its icincy JOANNA RADZIEJEWSKA JACEK WIDŁASZEWSKI Przdstawiono wyniki badań ksrymntalnych rocsu hartowania lasrowgo stali 45. Do badań wykorzystano lasr Nd:YAG racujący w trybi ciągłym. Przrowadzono analizę wływu stratgii obróbki na jj ktywność. Enrgochłonność rocsu analizowano na odstawi wilkości stry zahartowanij uzyskanj w wyniku zastosowania ojdynczgo rzjścia wiązki lasrowj, skanowania owirzchni i obróbki z oscylacyjnym ruchm wiązki względm matriału. Stwirdzono znacząc zwiększni ktywności rocsu w warunkach nagrzwania oscylacyjngo. SŁOWA KLUCZOWE: obróbka lasrowa, hartowani owirzchniow, oscylacj. Lasr hardning o th 45 carbon stl using Nd:YAG lasr undr CW oration mod, with linar and oscillatory lasr bam motion rndicular to th d locity (lasr waing) is analyzd in th ar. Alication o lasr waing rsultd in signiicant imromnt in nrgy icincy o th rocss, as comard to th siml linar motion and mandr scanning. KEYWORDS: lasr rocssing, lasr hardning, lasr waing Wstę Wiązka lasrowa ma unikatow właściwości jako źródło ciła dla różnych mtod owirzchniowj obróbki matriałów i lmntów konstrukcyjnych. Nagrzwani owirzchni moż być rcyzyjni strowan orzz zmiany wartości * Dr hab. inż. Joanna Radzijwska, jradz@it.an.l, dr inż. Jack Widłaszwski, Jack.Widlaszwski@it.an.l mocy, rozkładu gęstości struminia ciła, obszaru oddziaływania i rzbigu czasowgo. Możliwość rzmiszczania dobrz okrślongo struminia ciła z zadaną rędkością względm matriału ozwala na uzyskiwani szybkigo nagrzania, a nastęni chłodznia z rędkością rzkraczającą 1000 C/s, co jst wykorzystywan do hartowania matriałów. Przy lasrowj obróbc matriałów tradycyjni stosowan jst rzmiatani owirzchni obrabianj wiązką z zadaną rędkością osuwową. Dodatkowa oscylacyjna składowa ruchu lamki lasrowj, w kirunku rostoadłym do rędkości osuwowj, jst wrowadzana między innymi rzy sawaniu lasrowym dla orawiania wytrzymałościowych cch złączy [1]. Taki sosób nagrzwania jst w ninijszj racy nazywany nagrzwanim oscylacyjnym. W badaniach nad hybrydową lasrowo-mchaniczną obróbką owirzchniową stali 304 stwirdzono znacząco większą objętość stry matriału rztworzongo z udziałm nagrzwania oscylacyjngo w orównaniu do nagrzwania bz oscylacji [2], [3]. Zagadnini ktywności wykorzystania nrgii wiązki lasrowj jst intnsywni analizowan w rocsach sawania lasrowgo [4-8]. Stąd, clow wydaj się nawiązani do stosowanj już mtodologii i oisu ilościowgo badając wływ nagrzwania oscylacyjngo na objętość stry wływu ciła rzy innych rodzajach obróbki lasrowj. Do charaktryzowania rocsów sawania lasrowgo wykorzystywany jst aramtr ktywności toinia (w języku angilskim mlting icincy ), który diniuj się [5], [7] jako:
24 MECANIK NR 9/2014 m m (1) a gdzi: m jst nrgią otrzbną do uzyskania stoinia matriału (lub matriałów), a jst nrgią rzjętą (zaabsorbowaną) rzz matriał (matriały) od wiązki lasrowj użytj w sawaniu. Enrgia m składa się z ciła otrzbngo do odnisinia tmratury matriału (matriałów) oraz ciła zmiany stanu skuinia. Różnica a m jst nrgią otrzbną do okrycia strat wynikających z dyuzji ciła do otocznia jziorka sawalniczgo drogą rzwodnictwa, rominiowania i konwkcji. Wdług takigo odjścia odnisini m do ciła zaabsorbowango a srawia, ż aramtr ktywności m ni charaktryzuj w łni srawności nrgtycznj rocsu, oniważ ni ujmuj zjawisk absorcji rominiowania rzz sawan matriały i srawności nrgtycznj samgo urządznia ralizującgo rocs. W rocsach sawania objętość lub ol rzkroju orzczngo soiny są aramtrami stosunkowo łatwymi do mirznia i jdnoczśni stanowią miarodajn wskaźniki ciła zaabsorbowango oraz srawności toinia matriału (matriałów) [5]. Stąd, dla orównywania zużycia nrgii w sawaniu, al takż rzy innych rocsach obróbki matriałów, można zdiniować aramtr całkowitj nrgii właściwj C [J/mm 3 ], który mówi o całkowitj nrgii otrzbnj do rzmiany azowj jdnostki objętości matriału. E C C (2) gdzi: E jst całkowitą zużytą nrgią, C jst objętością matriału, w którym zaszła rzmiana azowa. Dla orównawczj ocny wływu sosobu ralizacji obróbki na jj wydajność można ominąć zagadnini srawności nrgtycznj samgo źródła ciła. W takim ujęciu aramtr nrgii właściwj [6] można zdiniować jako Mtodyka badań Procs hartowania lasrowgo owirzchni rzrowadzono na róbkach o wymiarach 50 x 20 x 5 mm, wykonanych z stali węglowj 45. Wykorzystano wiązkę lasra tyu Nd:YAG, modl RSY 150 Q, o długości ali rominiowania 1064 nm, racującgo w trybi ciągłym. W zastosowanj koniguracji lasra wiązka miała wilomodowy rozkład owirzchniowj gęstości mocy na rzkroju orzcznym (TEM), zbliżony do rozkładu jdnorodngo. Dla orównania któw stratgii obróbki stosowano trzy warianty ruchu wiązki lasrowj względm matriału: W1 - ojdynczy rzjazd rostoliniowy, który w lasrowj obróbc matriałów jst stosowany najczęścij, Wosc - osuw liniowy z dodanymi oscylacjami na kirunku rostoadłym do kirunku osuwu (rys. 1a), Wskan - rzskanowani owirzchni róbki orzz mandrow ołączni cztrch równolgłych rostoliniowych ściżk wiązki lasrowj wdług wariantu W1, z nakładanim się ściżk w zakrsi około 20% i bz rzrywania działania wiązki rzy rzjściach omiędzy ściżkami (rys. 1b). W rzyadku wariantu Wosc ruch oscylacyjny był ralizowany rzz dodatkow urządzni umiszczon na numryczni strowanym stol XY. Urządzni to rzmiszczało róbkę ruchm osuwisto-zwrotnym z wykorzystanim silnika lktryczngo i układu korbowgo. Amlituda oscylacji ( a ) wynosiła 3 mm, a ich częstotliwość 30 z. Dodani ruchu oscylacyjngo owoduj zwiększni szrokości ściżki oddziaływania lasrowgo o wartość amlitudy oscylacji. Wartość aramtru nałożnia ściżk w warianci Wskan została dobrana tak, aby uzyskać taki samo ol owirzchni oddziaływania wiązki jak w warianci Wosc. E (3) gdzi E jst nrgią wiązki skirowanj na owirzchnię matriału. Jśli objętość matriału wyrazimy rzz ol owirzchni orzczngo rzkroju obszaru rztworzongo A i rędkość osuwową źródła ciła, to wzór na aramtr nrgii właściwj rzyjmi ostać P (4) A gdzi P jst mocą źródła (na rzykład wiązki lasrowj). W ninijszj racy uwaga jst skoncntrowana na wływi oscylacyjngo ruchu źródła ciła na objętość stry wływu ciła (SWC) w askci ktywności wykorzystywania nrgii. Analiza jst rowadzona dla rocsu hartowania stali 45 rzy użyciu wiązki lasra tyu Nd:YAG. Rys. 1. Wybran ołożnia lamki lasrowj i jj trajktoria dla wariantów ruchu: Wosc, Wskan.
MECANIK NR 1/2015 25 W clu okrślnia zakrsu wystęowania zjawiska hartowania z dodanym oscylacyjnym ruchm wiązki lasrowj względm matriału, rzrowadzono badania dla trzch rzyadków śrdnicy lamki lasrowj ( d ) na owirzchni matriału: 1,1 mm, 1,8 mm oraz 2.2 mm. Przy stałj mocy wiązki 175 W, wyminionym śrdnicom lamki odowiadają wartości śrdni gęstości mocy rominiowania ( ): 184, 69 oraz 46 W/mm 2. Zastosowano dwa rzyadki rędkości osuwu: 300 i 150 mm/min. Badania owtórzono rzy idntycznych aramtrach stosując okryci z graitu koloidalngo, któr często jst stosowan dla zwiększnia absorcyjności owirzchni. Grubość okrycia wynosiła od 5 do 7 mikromtrów. Wilkość stry zmian strukturalnych zmirzono na zgładach mtalograicznych wykorzystując lasrowy konokalny mikrosko omiarowy Kync, modl K-X100 i jgo orogramowani. Wyznaczono maksymalną głębokość max i szrokość B stry wływu ciła (SWC) oraz jj ol rzkroju orzczngo A. Przd i o obróbc róbki były ważon w clu kontroli wływu arowania matriału. Wyniki badań Ekty owirzchniowgo hartowania lasrowgo stali dla badanych stratgii rowadznia rocsu rzdstawiono na rysunkach 2, 3 oraz 4. Rys. 4. Ekty oddziaływania lasrowgo dla wariantu Wskan: widok owirzchni, zgład mtalograiczny. Zawirają on otograi stanu owirzchni róbk oraz mikrostruktury na rzkroju warstwy wirzchnij o oddziaływaniu wiązką lasrową o rędkości osuwu 300 mm/min, gęstości mocy 184 W/mm 2 i bz dodatkowj warstwy absorcyjnj. W wszystkich rzyadkach stwirdzono nadtoini owirzchni. Dla wariantów obróbki W1 oraz Wosc ilość dostarczonj nrgii oraz czas oddziaływania wiązki były jdnakow, natomiast dla wariantu Wskan całkowity czas obróbki owirzchni był cztrokrotni dłuższy, niż w irwszym i drugim warianci. W tabli 1 zamiszczono wyniki omiarów ola owirzchni rzkroju SWC. Tab. 1. Porównani któw obróbki lasrowj. Rys. 2. Ekty oddziaływania lasrowgo dla wariantu W1: widok owirzchni, zgład mtalograiczny. Rys. 3. Ekty oddziaływania lasrowgo dla wariantu Wosc: widok owirzchni, zgład mtalograiczny. Wariant obróbki max [mm] B [mm] A [mm 2 ] [J/mm 3 ] W1 0,41 1,231 0,377 92,8 Wosc 0,258 3,718 0,733 47,7 Wskan 0,481 3,832 1,446 96.8 W rzyadku zastosowania ruchu oscylacyjngo (Wosc) ol owirzchni rzkroju SWC ( A ) jst onad dwukrotni większ niż dla wariantu W1, rzy zastosowaniu idntyczngo czasu i nrgii liniowj rocsu. Dla rzyadku skanowania owirzchni (Wskan) ol owirzchni rzkroju SWC jst blisko 4-krotni większ, niż dla ojdynczj ściżki (W1), rzy onad cztrokrotni większj nrgii dostarczonj. Stwirdzono większą maksymalną głębokości SWC ( max ), niż dla ojdynczgo rzjazdu rostoliniowgo (W1). Ekt tn można wytłumaczyć stałym wzrostm tmratury róbki rzy ciągłym nagrzwaniu koljnych sgmntów trajktorii. Obróbka z zastosowanim ruchu oscylacyjngo ozwoliła uzyskać dwukrotn zmnijszni nrgochłonności rocsu hartowania lasrowgo w stosunku do ozostałych stratgii obróbki. Obróbka cilna tj samj wilkości ola owirzchni matriału w rzyadku nagrzwania oscylacyjngo (Wosc) wymagała cztrokrotni mnij nrgii, niż stosując skanowani (Wskan). Aby okrślić zakrs aramtrów obróbki lasrowj, w którym oisany kt wzrostu nrgtycznj ktywności obróbki wystęuj, rzrowadzono badania wływu najbardzij istotnych aramtrów obróbki, tj. gęstości mocy
26 MECANIK NR 9/2014 rominiowania i rędkości osuwu. Badania rzrowadzono zarówno z zastosowanim, jak i bz okrycia absorcyjngo. W tablach 2-5 rzdstawiono wyniki badań. Tab. 2. Paramtry i wyniki obróbki W1 bz okrycia graitowgo. 184 300 0,44 1,01 0,33 106 69 300 0,64 1,45 0,70 50 69 150 0,47 1,77 0,62 113 46 150 0,48 2,50 0,90 78 Tab. 3. Paramtry i wyniki obróbki Wosc bz okrycia graitowgo. 184 300 0,30 3.25 0,73 48 69 300 0,41 3,37 1,04 34 69 150 0,26 3,60 0,84 83 46 150 0,43 3,80 1,23 57 Tab. 4. Paramtry i wyniki obróbki W1 z okrycim graitowym. 184 300 0,33 0,93 0,23 152 69 300 0,42 1,64 0,52 67 69 150 0,6 1,98 0,89 79 46 150 0,39 1,98 0,57 123 Tab. 5. Paramtry i wyniki obróbki Wosc z okrycim graitowym. 184 300 0,26 3,40 0,66 53 69 300 0,26 3,36 0,66 53 69 150 0,43 3,57 1,15 61 46 150 0,20 2,35 0,42 167 Przy najwyższj gęstości mocy 184 W/mm 2 stwirdzono nadtoini owirzchni zarówno dla obróbki z okrycim absorcyjnym, jak i bz. Dla gęstości mocy 69 i 46 W/mm 2 nadtoinia owirzchni ni wystęowało. Pol owirzchni matriału, która oddana jst oddziaływaniu wiązki lasrowj ( A ) w czasi t, jst oisan wyrażniami: h 2 A d t d / 4 dla wariantu W1 (5) h A d h 2 t d / 4 a t d dla wariantu Wosc (6) Dla rostoliniowgo ruchu wiązki zastosowani okrycia absorcyjngo zwiększyło wymiary SWC w zakrsi od 10% w warunkach nadtoinia owirzchni do onad 30% rzy najniższj gęstości mocy 46 W/mm 2. W rzyadku obróbki z oscylacjami ni stwirdzono wływu okrycia ab- Na rys. 5 rzdstawiona jst zalżność nrgii właściwj od ola owirzchni matriału, która jst oddana oddziaływaniu wiązki w czasi 1 skundy. Rys. 5. Zalżność nrgii właściwj od owirzchni oddanj oddziaływaniu wiązki w czasi 1 s. Oisy unktów zawirają rędkość osuwową [mm/min] i śrdnicę lamki [mm]. Dyskusja i wnioski Analizując rzdstawion wyniki badań można stwirdzić, ż lasrow hartowani jst najkorzystnijsz w warianci z zastosowanim ruchu oscylacyjngo. Uzyskiwana wilkość SWC jst znacząco większa w stosunku do rztaiania mtodą skanowania i rztaiania na wrost rzy idntycznych warunkach rocsu. Wływ ruchu oscylacyjngo można scharaktryzować za omocą wsółczynnika ktywności nagrzwania oscylacyjngo ( n %) odnoszącgo ol owirzchni orzczngo rzkroju SWC ( A ) otrzyman o hartowaniu z ruchm oscylacyjnym do wilkości tgo ola dla ruchu rostoliniowgo, rzy ustalonych wartościach innych aramtrów obróbki. Badania wykazały wzrost ktywności obróbki z oscylacjami n wraz z wzrostm gęstości mocy rominiowania (rys. 6). W rzyadku wystęowania nadtoinia owirzchni (gęstość mocy 184 W/mm 2 ) wsółczynnik ktywności n wynosił 290 i 220%. Zastosowani oscylacji sowodowało zatm względny rocntowy wzrost wilkości rzkroju SWC o 120% rzy braku absorbra, a rzy użyciu absorbra graitowgo o 190%. Dla hartowania bz nadtoinia (gęstość mocy 46 i 69 W/mm 2 ) stwirdzono mnijszy wzrost ktywności obróbki w zakrsi od 30 do 50%. W jdnym rzyadku hartowania z zastosowanim okrycia graitowgo i małj gęstości mocy 46 W/mm 2 zaobsrwowano sadk wilkości rzkroju SWC. Na owirzchni róbki o rocsi hartowania stwirdzono wówczas obcność niuszkodzonj warstwy graitu.
MECANIK NR 1/2015 27 sorcyjngo na wilkość SWC. Zastosowan rominiowani o długości ali 1064 nm jst stosunkowo dobrz absorbowan rzz stal węglow, szczgólni w obcności warstwy tlnkowj, która zwykl wystęuj na owirzchni tych matriałów. Stąd wływ dodatkowj warstwy absorcyjnj moż być mnij zauważalny. strat nrgii związanych z dyuzja ciła w głąb matriału. Dostarczona nrgia jst w większym stoniu wykorzystana na odnisini tmratury warstwy wirzchnij. Ekt tn można stwirdzić dla róbk nagrzwanych w ruchu rostoliniowym i rzy gęstości mocy 69 i 46 W/mm 2. Mnijsza gęstość mocy rominiowania lasrowgo uzyskana została orzz wzrost śrdnicy wiązki z 1,8 do 2,2 mm. Obróbkę rowadzono rzy rędkości 150 mm/min. W tym rzyadku stwirdzono większą SWC dla większj śrdnicy wiązki, niż dla wiązki bardzij skuionj (Tabla 2). Tortyczna analiza rocsu rztaiania owirzchni stali 304 z zastosowanim i bz ruchu oscylacyjngo została szczgółowo oisana w racy [3]. Oblicznia rozkładu ola tmratur mtodą lmntów skończonych, rzy założniu stałj wartości wsółczynnika absorcyjności owirzchni wykazały dla ruchu oscylacyjngo rozbiżności od wyników doświadczalnych, co sugruj działani dodatkowych czynników, niuwzględnionych w symulacjach. Rys. 6. Zalżność wsółczynnika ktywności nagrzwania oscylacyjngo rzy hartowaniu od gęstości mocy wiązki lasrowj. Zwiększni ktywności obróbki moż owodować odwyższona absorcja rominiowania lasrowgo. Procsy chmiczn, n. utlniania, mogą zarówno być rzyczyną zmian absorcyjności owirzchni matriału, jak i źródłm dodatkowj nrgii [9, 10]. Płn wyjaśnini mchanizmu zwiększania ktywności rzy stosowaniu nagrzwania oscylacyjngo i okrślni zalżności tgo ktu od oszczgólnych aramtrów tchnologicznych wymagają dalszych rac badawczych. Wnioski Najmnij nrgochłonn (najmnijsza nrgia właściwa 34 J/mm 3 ) było lasrow hartowani w warianci z zastosowanim oscylacyjngo ruchu wiązki względm matriału, rzy zastosowaniu rędkości osuwowj 300 mm/min, śrdnicy wiązki 1.8 mm i bz okrycia graitowgo. W takich warunkach obróbki owirzchnia oddana oddziaływaniu wiązki lasrowj w jdnostc czasu była największa sośród zbadanych rzyadków i ni wystęowało rztaiani matriału. Można stąd wnioskować, iż kt sadku nrgochłonności obróbki związany jst z angażowanim stosunkowo dużj owirzchni matriału w rocsi nagrzwania, co było rzultatm kombinacji ruchu oscylacyjngo, większj rędkości osuwowj (300 mm/min) i śrdnij wilkości lamki lasrowj (1.8 mm). Przy braku rztaiania matriału, taki warunki obróbki srzyjały lszmu wykorzystaniu ciła na rzmianę azową. Zastosowani ruchu oscylacyjngo na kirunku rostoadłym do kirunku ruchu osuwowgo zwiększa ktywność lasrowgo hartowania. Dla obróbki z nadtoinim owirzchni stwirdzono wzrost wilkości SWC o onad 100% o zastosowaniu ruchu oscylacyjngo w stosunku do obróbki tradycyjnj z osuwm liniowym, natomiast o 30 do 50% gdy nadtaiani ni wystęowało. Ni stwirdzono istotngo wływu okrycia absorcyjngo na rzbig obsrwowango zjawiska Zastosowani ruchu oscylacyjngo ozwala na znaczn zmnijszni nrgochłonności rocsu lasrowgo hartowania. Za wzrost ktywności hartowania lasrowgo z nagrzwanim oscylacyjnym w orównaniu do nagrzwania rostoliniowgo mogą być odowidzialn nastęując czynniki: 1) inny rozkład tmratury w matrial obrabianym, 2) zmiana udziału strat ciła związanych z rzwodnictwm w głąb matriału, 3) zmiany absorcyjności owirzchni, 4) ojawini się dodatkowgo źródła ciła od rakcji chmicznych. Nagrzwani oscylacyjn inaczj kształtuj ol tmratury, co moż owodować lsz wykorzystani ciła do hartowania matriału. Ruch oscylacyjny można orównać do ktu rozogniskowania wiązki lasrowj. Zastosowani większgo ola obróbki w wnym zakrsi gęstości mocy odnosi jj ktywność. Dzij się to na skutk mnijszych Podziękowani Autorzy składają odziękowani dr inż. Tomaszowi Mościckimu z Instytutu Podstawowych Problmów Tchniki Polskij Akadmii Nauk za insirując dyskusj i omoc w ralizacji racy. LITERATURA [1] Choi K.-D., Ahn Y.-N., Kim Ch., Wld strngth imromnt or Al alloy by using lasr waing mthod. ICALEO 2009, Par 403. [2] Radzijwska J., Lasrowa modyikacja właściwości warstwy wirzchnij wsomagana nagniatanim. Prac IPPT 3/2011, ISBN 978-83-89687-70-8. [3] Mościcki T., Radzijwska J., Numrical simulation and xrimntal analysis o simultanous mlting and burnishing o 304 stainlss stl with oscillatory lasr hat sourc, Koo Matr. 51, 1-8, 2013. [4] Rady J. F. LIA handbook o lasr matrial rocssing. Magnolia Publishing, 2001.
28 MECANIK NR 9/2014 [5] Walsh C. A., Lasr wlding litratur riw, Matrials Scinc and Mtallurgy Dartmnt, Unirsity o Cambridg, England, 2002. htt://www.msm.cam.ac.uk/has-trans/2011/lasr_walsh_ riw.d (dostę 2014-11-22). [6] Quintino L., Costa A., Miranda R., Ya D., Kumar., Kong C.J., Wlding with high owr ibr lasrs A rliminary study. Matrials and Dsign 28 1231 1237, 2007. [7] Tadamall A. P., Rddy Y. P., Ramj E., Rddy. K., Inlunc o wlding sd on th mlting icincy o Nd:YAG lasr wlding. Adancs in Production Enginring & Managmnt, olum 9, Numbr 3, Stmbr 2014,. 128 138. ISSN 1854-6250, htt://dx.doi.org/10.14743/am2014.3.182 [8] Mijr J., Lasr bam machining (LBM), stat o th art and nw oortunitis, Journal o Matrial Procssing Tchnology, 149, 2-17, 2004. [9] Antono., Iordanoa I., Gurkosky S., Instigation o surac oxidation o low carbon sht stl during its tratmnt with Nd:Glass ulsd lasr, Surac and Coatings Tchnology 160, 44 53, 2002, [10] Nayak S., Wang., Knik E.A., Andrson I.M., Dahotr N. B., Obsration o xothrmic raction during lasr-assistd iron oxid coating on aluminum alloy, Matrials Scinc and Enginring A 390, 404 413, 2005.