A lézeres l anyagegunk egunkálás 2009. noveber 18. A lézeres l anyagegunkálás fajtái Szerkezeti változás (structural change) Felületkeényítés (hardening) Deforáció és törés (deforation and fracture) Felszíni olvasztás (surface elting) Bevonatolás (cladding) Keveréses kötés (conduction joining) Vágás (cutting) Jelölés (arking) Hegesztés (keyhole welding) Terikus egunkálás (theral achinig) Aterális egunkálás (atheral processing)
Felszíni olvasztás NM: native aterial; HAZ: heat-affected zone; RZ: reelted zone Jellezők: nagyságrendjébe eső olvasztási élység esetén nyaláb kölcsönhatási idő (10-4 -1s) teljesíténysűrűség néhányszor 10-10 4 W -2 cw kw CO 2, Nd:YAG és dióda lézerek (10 5 K s -1 ) szub-µ-es élységek és kis kezelt felületek esetén ipulzusüzeű rubin, Nd:YAG és excier lézerek (10 9 K s -1 ) Kevéssé elterjedt (kevéssé isert; sok hagyoányos vetélytárs) Módozatok Felszíni olvasztás, újraolvasztás (elting, reelting) Felszíni ötvözés (surface alloying) Részecskebelövés (particle injection) A folyaat főbb lépései: fűtés kis energia input nagy fűtési sebesség: 10 5 Ks -1 () 10 9 Ks -1 (µ) olvadék zóna (elt pool) 100-10 4 K/ gradiens Marangoni-effektus ez a doináns konvekciós echanizus az olvadék ált. a szélek felé áralik hoogén ötvözet részecskeerősített kopozit Mindig a inta felszíni rétegének JELENTŐS egolvadásával jár! dα <0 dt + Prandtl-, Reynolds-, Péclet-, Marangoni- és Froude-száok hülés és egszilárdulás nagy hülési sebesség: 10 3 Ks -1 () 10 11 Ks -1 (µ) hőérséklet gradiens: 10 4-10 6 K -1 a deredési front nagy, 0,01-0,1s -1 sebességgel ozog neegyensúlyi folyaatok: aorf üvegesedés, elsődleges kristályosodás, poliorf kristályosodás, eutektikus kristályosodás
Dienzióentes entes száok Segítségükkel egbecsülhető, hogy a lézeres olvasztás során bizonyos folyaatok jelentősek-e, vagy elhanyagolhatóak. hővezetés hőáralás tehetetlenség viszkozitás konvekció hővezetés Prandtl-szá: Reynolds-szá: Péclet-szá: Marangoni-szá: vl Pe= a η Pr= a nagy Pr (pl. keráiák, polierek) ablációnál csekély terikus hat. kis Pr (pl. féek, 0.01-0.1) olvadékaradványok lvρ Re= nagy v turbulens gázfelvétel felszín feldurvulhat η ( = Pr Re) konvekcio Ma= kondukcio nagy Pe kis olvadék élység nagy Ma hoogénebb olvadék szélesebb tartoányon, de sekélyebb élységben tehetetlenség gravitáció Froude-szá: 2 v Fr= gl nagy Fr doinánsabb olvadék áralás hulláosabb felszín Előnyök: a felület integritása nagy (töör, kis porozitású, összefüggő) jól tapad a hordozóhoz kis energiaigény kevesebb torzulás, csökkent igény utókezelésre hoogenizált felszíni réteg ai egyszersind (ált.) keényebb is neegyensúlyi folyaatok fino ikroszerkezet, új fázisok a geoetria és az összetétel pontosan szabályozható (pl. korrozióvédele esetén kritikus) flexibilis könnyebb autoatizáció Hátrány: kb. egy nagyságrenddel nagyobb beruházást igényel liitált fedettség (többszörös pásztázás)
Alkalas anyagok köre: féek és ötvözetek (aorfizálás, ötvözés, részecskebelövés) keráiák (pórusok lezárása) Megunkálási paraéterek: inert gáz (oxidáció, szennyeződés elkerülésére) növeli a hülési sebességet, de repedések kialakulásához vezethet előfűtés (csökkenti a repedések kialakulását, növeli az abszorbciót) Felszíni olvasztási si grafikon 1. ( Aq) = Aq 2rl net B vl L : térfogatra vonatkoztatott olvadáshő l : olvadék élység dienzióentés változókkal q net = q 2lvL ahol l l = r B L = ρc L ( T T ) 0 utassák eg, hogy féekre és ötvözetekre L 0. 4
Felszíni olvasztási si grafikon 2. λ= 25.5W a= 7.2 10 T = 3300K T v = 1773K T = 298K 0 1 6 K 1 2 s 1 Kalibrációs pont: 1,5 élység 100/perc 10kW lézerteljesítény ( A=0,45) Felszíni ötvözési grafikon 1.
Ipari alkalazás vezérűtengelyek vezérűtengely bütykeinek lézeres kezelése Lézerrel újraolvasztott terület (kb. 1) A lézeres l anyagegunkálás fajtái Szerkezeti változás (structural change) Felületkeényítés (hardening) Deforáció és törés (deforation and fracture) Felszíni olvasztás (surface elting) Bevonatolás (cladding) Keveréses kötés (conduction joining) Vágás (cutting) Jelölés (arking) Hegesztés (keyhole welding) Terikus egunkálás (theral achinig) Aterális egunkálás (atheral processing)
Bevonatolás A cél egy felszíni bevonat előállítása ely során a inta felszínét csak csekély értékben (kis élységben) olvasztjuk eg! clad = védőbevonat Egy lézerbevonatolt inta keresztetszeti képe. http://eweb.ecn.purdue.edu/~cl/ Főbb ódozatok
Bevonatoló eszközök http://www.wa.ctw.utwente.nl/research/laser/hofan.doc/index.htl http://www.industrial-lasers.co/display_article/254873/39/archi/none/feat/repairing-aero-engine-parts Bevonatolási grafikon 1. [ c( T T ) L ] Aq 2 ρ + = rblv 0 L : térfogatra vonatkoztatott olvadáshő l: olvadék élység dienzióentés változókkal ( 1 L ) q = 2lv + q = Aq r λ B ( T T ) ρc( T T ) 0 ahol l = l r B L = L 0 0.4 L
Bevonatolási grafikon 2. Bevonatolás Laser Cladding of blades Lézer bevonatolt aluíniu http://www.le-photonag.co/coating_cladding.296.0.htl?&backuid=277&l=1 3D lézer bevonatolás http://www.alutranscanada.co/techno_e.ht http://www.laser-zentruhannover.de/de/kopetenzen/prozesstechnologie/rapid_prototyping.php
Ipari alkalazások anuálisan javított lézerrel javított Nagy nyoású turbinalapát, elynek élét lézeres bevonatolással készítették. www.oldakingtechnology.co/articles/040506.htl www.irishscientist.ie/p91.ht http://www.ccl.fraunhofer.org/working_areas/technologies/technology_03/cladding/e_cladding.php