Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8. Laserové zpracování materiálu. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Transkript

1 Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8 Laserové zpracování materiálu Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

2 Lasery pro průmyslové zpracování materiálu E (ev) 0,12 1,17 1,17 1,2 1,5 4,17 6,25

3 1. Kovy a slitiny Vlastnosti materiálů atomová struktura a) kovová vazba: kovové ionty + elektronový plyn (volně sdílené valenční elektrony) b) Uspořádání atomů: trojrozměrná mřížka (kubická plošně, prostorově centrovaná, hexagonální, ) Zdroj:

4 1. Kovy a slitiny Interakce s ELMG zářením c) Interakce laserový svazek kovy: Vazebná energie 3,125 ev ( číselně odpovídá energií fotonů UV blízké IČ) volné elektrony absorbují fotony zvyšování teploty materiálu úměrně s energií laserového svazku transformace struktury, tavení, vypařování Zeslabení intenzity elmag. záření v materiálu (Bier-Lambertův zákon): I I = zph n = I 0 e az 1 = I e n + ik, a 0, z = ph 4πk λ λ = 4πk a absorbance (cm -1 ) z ph charakteristická hloubka penetrace pokles intenzity na 37 % k extinkční koeficient (obsažen v definici komplexního indexu lomu

5 1. Kovy a slitiny c) Interakce laserový svazek kovy: A - absorptivita R reflexivita T transmisivita R + T + R A R ir = = A (1 n) (1 + n) 4n 2 (1 + n) + k = 1 = c σλ + k + k Interakce s ELMG zářením, T = 0

6 Interakce s ELMG zářením Srovnání optických vlastností stříbra, mědi a niklu stříbro měď nikl λ (nm) k R (%) z ph (nm) k R(%) z ph (nm) k R(%) z ph (nm) 200 1,24 26,5 12,84 1,45 34,4 10,98 1,54 37,2 10, ,7 96,6 12,90 3,01 87,1 15,86 3,56 64,1 13, ,99 98,2 11,38 7,51 97,2 10,60 5,01 71,6 15, ,7 98,3 14,82 47,5 98,2 16,75 36, ,98

7 2. Keramika, sklo a) iontová vazba: kovové + nekovové ionty (Al 2 O 3, Zr 2,O 2,NaCl), elektrostatické síly energie vazby 1,85 ev Vlastnosti materiálů atomová struktura b) Kovalentní vazba: atomy sdílejí jeden nebo více párů elektronů z nejvyšší slupky (Si, SiO 2 ) Energie vazby 4,8 ev

8 2. Keramika, sklo c) Interakce s laserovým zářením: Vlastnosti materiálů atomová struktura rezonanční přenos energie mezi fotony a vázanými elektrony, zvýšení amplitudy kmitů mřížky, šíření fononů (kvanta kmitů v krystalové mřížce, které interagují s elmag. zářením ve světelné oblasti) Příklad: Křemík (charakteristická hloubka penetrace, R)

9 3. Polymery Vlastnosti materiálů atomová struktura a) Řetězce monomerů (etylén) (-C 2 H4-)n. polyetylén b) Náhrada H jiným prvkem: (-C 2 H 3 Cl-)n.. polyvinylchlorid (-C 2 H 3 -CH 3 - )n polypropylén c) Interakce s laserovým zářením: vibrace molekulárních vazeb, Vysoká absorptivita pro vlnovou délku 10,6 µm CO 2 laseru Pro Nd:YAG a diodové lasery propustné (800 nm až 1064 nm) UV oblast energie fotonů je větší nebo rovna energií kovalentních vazeb organických materiálů rušení chemických vazem bez generace tepla - mikroaplikace

10 4. Komposity a) Přírodní: dřevo matrice ligninu + silná vlákna celulózy zuby matrice kolagenu + hydroxy-apatit b) Umělé: měkká matrice z kovu, polymeru nebo keramiky zesílená vlákny, částicemi, dráty Železobeton, sklolaminát (skelná vlákna a pryskyřice), asfalt Uhlíkové kompozity Více na: Vlastnosti materiálů atomová struktura c) Interakce s laserovým zářením: Závisí na složení kompozitu

11 Základní parametry procesu 1) P.výkon laseru (podle elektrického příkonu a účinnosti) 2) D průměr laserového svazku na povrchu materiálu (podle kvality svazku v rezonátoru a geometrie fokusační čočky) určují plošnou hustotu výkonu: Q P 4P 3) t interakčníčas (délka pulsu nebo doby, za kterou svazek přejede svůj průměr), v pracovní rychlost = π D 2 t = D v

12 Odhad optimálních parametrů procesu Pro odstranění materiálu (natavením a vypařením) o hmotnosti m ze spáry řezu o délce x, šířce D a hloubce h je potřeba dodat energii: E = (1-R).P.τ = (1-R).P. x/v (1) E = m.c.(t 2 T 1 ) (2) Objem V lze vyjádřit jako součin průměru řezné spáry D, hloubky h a délky stopy ve směru pohybu svazku x. ρ.x.d.h.[c p (T t T o ) + l t +c k (T v -T t ).a +l v.a] (rovnice 2 po úpravě) kde ρ hustota materiálu, V = x.d.h objem zpracovávané oblasti materiálu, cp, ck měrná tepla pevné a kapalné fáze, Tv teplota vypařování, Tt teplota tavení, To počáteční teplota, Lv latentní teplo vypařování, Lt latentní teplo tavení, R odrazivost povrchu, P výkon, τ čas, a míra vypařeného materiálu.

13 Odhad optimálních parametrů procesu Dosazení hodnot fyzikálních veličin ρ, c, T, l pro daný materiál (ocel Uhlíková konstrukční ocel obvyklých vlastností se zaručeným určitým obsahem fosforu a síry): a = 0.1 (tavné procesy převažují); lv = J/kg; lt = J/kg, Tv = 3000 K,Tt = 1775 K, To = 300 K, cp = 440 J/kg.K, ck = 754 J/kg.K, ρ = 7847 kg/m3 zjednodušení na tvar: E = (1-R).P.x/v = x.d.h označíme konst. = J/m 3 ), vyjádříme v (rovnice 3) v = ( 1 R). P D. h. konst

14 Klasifikace laserových aplikací

15 Laserové aplikace dělení dle fázové přeměny Bez změny skupenství pouze změna krystalické struktury (zpevňování, kalení) Kapalná fáze (cladding - plátování, alloying - povlakování, surface melting - přetavování povrchu, konduktivní svařování, tavné řezání) Plynná fáze (řezání, vrtání, keyhole welding, ablace, UV - technologie)

16 Program Izotemper Modelování rozložení teplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D zjištění rozměrů natavené a vypařené oblasti a) Gaussovský svazek pro simulaci hloubkového svařování

17 Modelování rozložení teplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D zjištění rozměrů natavené a vypařené oblasti b) Prstencový mód pro simulaci kalení Program Izotemper

18 Komerční matematické modely FEM SYSWELD, agros2d (free)