4.1.1. Nagy energiasűrűségű felületi megmunkálások A lézer szó az angol LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján) betűszóból származik. A lézer szó egy eszközcsalád működési elvét jelenti, de használják magára a konkrét berendezés megnevezésre is. A nagy energiasűrűségű (többnyire koncentrált sugárnyaláb alkalmazásán alapuló) felületi megmunkáló eljárások családja igen tágas. Ebbe nemcsak a lézeres kezelések tartoznak, hanem sok egyéb technológia is, köztük a láng-, elektromos ív-, plazma-, elektronsugár alkalmazásán alapuló eljárások különféle változatai is. Ezeket leginkább a jellemző technológiai paraméterek alapján lehet összehasonlítani, minősíteni. Nagy energiasűrűségről (nagy teljesítménysűrűségről) akkor beszélünk, ha a fajlagos teljesítmény- (energia-) bevitel meghaladja a 10 2 W/mm 2 = 10 4 W/cm 2 = 10 8 W/m 2 -es értéket. Az 1. táblázat összehasonlítja néhány gyakorlatban alkalmazott hevítési eljárás jellegzetes adatait. Az említett határérték azonban nem különíti el egyértelműen és megbízhatóan a hagyományos, illetve az általában nagy energiasűrűségűként emlegetett hevítési eljárásokat. Talán ez indokolhatta, hogy bevezették az ultra (vagy extrém) nagy energiasűrűség fogalmát is, mely már ténylegesen csak a plazmás, de főképp az elektronsugaras és a lézeres eljárásokra vonatkoztatható. Ez utóbbiakra jellemző 10 4 W/mm 2 =10 6 W/cm 2 = 10 10 W/m 2 teljesítménysűrűség csak speciális sugárfókuszolással valósítható meg. hevítési módok jellemzők teljesítmé nysűrűség [W/mm 2 ] hatásidőtart am [s] jellemző felületkezelé si rétegmélysé g [mm] hőforrás hőmérséklet [ C] hőfejlődés ellenáll. imp. 10 1 10 3 0,01 0,2 1,0 - hev. 0,2 a indukciós 10 0 2 10 2 0,1 5,0 0,5 2,5 - hevítés munkadarabban ind. impulzus 10 1 3 10 2 0,001 0,05 0,5 - hev. 0,5 hőfejlődés lánghevítés* 10 1 5 10 2 0,1 2,0 0,5 3,0 3 000 3 200 a elektr. 5 10 0 0,1 1,0 0,1 2,0 4 000 5 000 ívhevítés** 2 10 2 hőforrásban plazmahevítés *** 5 10 0 10 3 (5 10 0 0,01 0,1 0,01 1,0 + 10 000 000 20 10 6 ) hőfejlődés elektronsug. 10 1 10 7 0,001 0,01 0,5 + - hev. 0,1 hőforrás mdb. lézeres 10 1 10 7 0,001 0,01 0,5 + - hevítés 0,1 kölcsönhatáskor léz. impulzus 10 2 10 8 0,001 0,01 0,5 + - hev. 0,1 * C 2 H 2 +O 2 láng; **AWI ív; ***Ar-plazma, + olvasztáskor ennél több is lehet 1. táblázat. Hőforrások technológiai jellemzői különös tekintettel 2
a felületkezelő eljárások különféle változataira 4.1.2. Felületmódosítás céljára használatos ipari lézerek Sokfajta lézer létezik, ezek egymástól a fizikai méret, a teljesítmény, a sugárzás hullámhossza, az előállítási költségek tekintetétében lényegesen különböznek egymástól. Az ipari gyakorlatban használatos lézerek legfontosabb paraméterei: a lézernek mint sugárforrásnak a teljesítménye és a kibocsájtott fény hullámhossza. Az utóbbi azért is fontos jellemző, mert a különböző anyagok (például fémek, fémötvözetek) energiaabszorpciós képessége jelentős mértékben függ a hullámhossztól. Felületkezelés céljára a hazai ipari alkalmazások gyakoriságát tekintve leginkább CO 2 -lézereket illetve Nd:YAG-lézereket használnak. Az alábbi táblázat a legismertebb lézertípusok alapvető paramétereiről ad tájékoztatást. 2. táblázat. Különféle típusú lézerek és jellemző műszaki paramétereik A lézer sugárforrás rezonátorában keletkezett koherens sugarat optikai átviteli eszközök (tükrök, száloptika) segítségével irányítják a kezelendő felületre. Egy átlagos kimenő sugárteljesítményből kiindulva a szükséges teljesítménysűrűség és intenzitáseloszlás a 3
besugárzott területen belül úgy érhető el, hogy fókuszáló és/vagy sugáralak-formáló eszközöket lencséket, tükröket, pásztázó egységeket vagy sugárintegrátorokat alkalmazunk. Az élesen (pontszerűen) fókuszált sugár alkalmazása általában nem célszerű, részben azért, mert túl keskeny lesz a kezelt nyomvonal, részben pedig azért, mert a felület túlhevítését (pl. edzésnél megolvadást) el kell kerülni. A besugárzott terület növelése céljából ezért gyakran defókuszált (foltszerű) sugarat alkalmaznak. Lézerrel többféle megmunkálás végezhető, így a felületkezelésen kívül különösképpen a lézeres vágás és hegesztés iparilag széles körűen alkalmazott technológia. A különböző megmunkálási eljárások a lézeres kezelés más-más paraméter kombinációit feltételezik. Erről informál az 1. ábrán látható diagram, amely az egyes technológiai változatok tartományát két alapvető paraméter, a lézeres kezelés hatásidőtartama (interaction time, s) és a lézersugár teljesítménysűrűsége (W/cm 2 ) függvényében tünteti fel. 1. ábra A teljesítménysűrűség (W/cm 2 ) és a hőhatási időtartama (s) közötti összefüggés különféle típusú lézeres felületi megmunkálás esetén 4
2. ábra A teljesítménysűrűség (W/cm 2 ) és a hőhatás időtartama (s) közötti összefüggés különféle típusú elektronsugaras megmunkálás estén Az 1. ábra diagramjából kitűnik, valamennyi lézeres technológiára általánosan jellemző, hogy bár nagy teljesítmény sűrűség igen kis értékű kölcsönhatási idővel párosul, e két jellemző értéke (ezek logaritmusát tekintve) lényegében fordított arányban áll egymással. A 2. ábra összehasonlításképpen hasonló típusú diagramban ábrázolja az elektronsugaras megmunkálás egyes technológiai változataira vonatkozóan a teljesítménysűrűség (W/cm 2 ) és a hőhatás időtartam (s) közötti összefüggést. Mint megállapítható, elektronsugárral végzett megmunkálás esetében egy nagyságrenddel nagyobb hatásidőtartam adódik, azaz kisebb az energiaközlés hatékonysága. A felületmódosítás céljára használatos lézeres felületkezelő rendszerek vázlatos felépítése a 3. ábrán látható [Bergmann, 1994] 5
3. ábra Lézeres felületkezelő rendszerek vázlatos felépítése [Bergmann, 1994] A lézeres felületkezelések optimális megvalósítása bonyolult szabályozási feladatok megoldását feltételezi. A sugárnyaláb és a munkadarab relatív mozgását többnyire CNCvezérlésű asztal vagy robot segítségével valósítják meg. A munkadarab mozgatására szolgáló rendszer megtervezésénél, kiválasztásánál figyelembe kell venni a munkadarab geometriáját, a kezelendő felület bonyolultságát, a megkívánt pontosságot, az eljárás sebességét, a mozgatandó darab tömegét. A gazdaságossági szempontok mérlegelésekor természetesen a gyártás volumene (a sorozatnagyság) is jelentős tényező. 6
4. ábra A Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézetben üzemelő, max. 5kW teljesítményű CO 2 lézer működés közben A 4. ábrán a budapesti Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézet 5kW teljesítményű CO 2 lézere látható, működés közben. Ezzel a nagy teljesítményű ipari lézerrel különféle megmunkálások (vágás, hegesztés, felületkezelés) is végezhetők [7,8]. 4.1.3. Lézeres felületmódosító eljárások csoportosítása A lézeres felületkezelések osztályozására számos kísérlet történt, így a szakirodalomból számos osztályozási elv, rendszerezési koncepció ismert. A csoportosítás alapelve általában az, hogy a nagy energiasűrűségű lézernyaláb hatására a felület maximális hőmérséklete meghaladja-e az olvadáspontot, vagy az alatt marad. Az 5. ábra az egyik lehetséges, leginkább megalapozottnak tekinthető csoportosítási rendszert szemlélteti. Mint megállapítható, valamennyi eljárásváltozat két főcsoportba sorolható: az egyikbe tartoznak a szilárd állapotú felületkezelések, a másikba pedig azok, amelyeket olvadási jelenségek kísérnek. Amint az ábrából kitűnik, azon technológiai változatoknál, ahol az alapanyag megolvadásával is számolni kell, lényeges paraméterek közé tartozik az A alapanyag (szubsztrátum) T L (A) olvadáspontja, valamint a B ötvözőanyag T L (B) olvadáspontja. Amennyiben a kémiai összetétel változtatására nem kerül sor, az olvadáspont alatti hőkezelések esetében lézeres felületi edzésről (transformation hardening), az 7
olvadáspontot meghaladó kezelések esetén pedig lézeres felületi átolvasztásról (laser remelting) szokás beszélni. A lézeres felületi edzést elterjedten alkalmazzák vasötvözetek (acélok és öntöttvasak) lokális kopásállóságának növelésére, amely a felületen létrejött nagy keménységű és fínom szerkezetű martenzit kialakulásának köszönhető. Olyan ötvözeteknél, amelyeknél a hevítés során allotróp átalakulás nem következik be, a lézeres hevítés, majd az ezt követő lehülés csupán a kristályhibák számának és elrendeződésének megváltozását eredményezi. Ilyenkor lézeres felületszilárdításról (shock hardening) beszélünk. Ebben az esetben - a lézerimpulzusokkal keltett nagy energiájú lökéshullámok mechanikai hatására bekövetkező - egy a hidegalakítási keményedéshez hasonló jelenségnek lehetünk tanúi. Ami a lézeres felületi átolvasztást illeti (ezt használják például szürkeöntvények felületkezelésére is), a felületi réteg átolvasztásának célja a mikroszerkezet (grafiteloszlás) finomítása (microstructure refinement) illetve a felületi réteg ötvözőeloszlásának homogenizálása (homogenisation). A megolvadt felületi réteg igen vékony, az olvadék rendkívül gyors lehűlése következtében többnyire nem egyensúlyi fázisok jönnek létre, olykor amorf szerkezet kialakulásával is számolni lehet. A kémiai összetételt is megváltoztató lézeres felületi kezelések sajátossága, hogy a maximális hőmérséklet az alapanyag olvadáspontját meghaladja. A külső forrásból történő ötvözőanyag-bevitel kétféle célt szolgálhat. Az egyik lehetséges cél a felület ötvözése (laser surface alloying) ilyenkor a kívánt tulajdonságú (például kopásálló) réteget az alapanyag és a bevitt anyag keveredésével, a felület ötvözésével állítjuk elő. A másik lehetséges cél a felület geometriájának szándékos megváltoztatása. Ez utóbbi esetben egy vagy több új réteget hoznak létre a felületen, ezeket mintegy ráolvasztják az eredeti felületre (szubsztrátumra). Ezen eljárás, amelyet többnyire felületi rétegráolvasztás (cladding) néven emlegetnek, sok szempontból emlékeztet a hagyományos felrakó hegesztésre. Ezért a cladding eljárást sokan bevonatoló eljárásnak tekintik. A cladding alkalmazása széles körben terjed, különösképp hatékony eljárásnak bizonyult a felületi hibák javítására, de a gyors prototípus gyártásban is jelentős szerephez jut. 8
5. ábra A lézeres felületkezelések osztályozása. Jelölések: T hőmérséklet, T L (A) az A alapanyag (szubsztrátum) olvadáspontja, T L (B) a B ötvözőanyag olvadáspontja A zománcozás (glazing) során a rendkívül nagy hűtési sebesség hatására a felületen amorf réteg, azaz üvegfém keletkezik. További lehetőség a porózus felületi réteg tömörítése, sűrűségének növelése, azaz sűrűségnövelő átolvasztás (densification). 9