Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Laserové technologie v praxi I.Přednáška č.8
Laserové zpracování materiálu
Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR
Olomouc, 2011
1. Kovy a slitiny
a) kovová vazba:
kovové ionty + elektronový plyn (volně sdílené valenční elektrony)
b) Uspořádání atomů: trojrozměrná mřížka (kubická plošně, prostorověcentrovaná, hexagonální,…)
Zdroj: http://chemie3d.wz.cz/models.php?type=mrizky
Vlastnosti materiálů – atomovástruktura
Interakce s ELMG zářením
1. Kovy a slitiny
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):
a – absorbance (cm-1)zph – charakteristická hloubka penetracepokles intenzity na 37 %k – extinkční koeficient
(obsažen v definici komplexního
indexu lomu iknnk
zIe
I
kaeII
phzph
az
+=
==
== −
´4
,1
4,
0
0
πλ
λπ
Interakce s ELMG zářením1. Kovy a slitinyc) Interakce laserový svazek – kovy:
A - absorptivitaR – reflexivitaT – transmisivita
σλc
R
kn
nA
Tkn
knR
ATR
ir −=
++=
=+++−=
=++
1
)1(
4
0,)1(
)1(
1
22
22
22
Interakce s ELMG zářenímSrovnání optických vlastností stříbra, mědi a niklu
21,989836,216,7598,247,514,8298,353,710000
15,8871,65,0110,6097,27,5111,3898,26,991000
13,4164,13,5615,8687,13,0112,9096,63,7600
10,3437,21,5410,9834,41,4512,8426,51,24200
zph(nm)R(%)kzph (nm)R(%)k
zph(nm)R (%)kλ (nm)
niklměďstříbro
2. Keramika, skloa) iontová vazba:
kovové + nekovové ionty (Al2O3, Zr2,O2,NaCl), elektrostatické síly
energie vazby 1,85 eV
b) Kovalentní vazba: atomy sdílejí jeden nebo více párů elektronů z nejvyšší slupky (Si, SiO2)
Energie vazby 4,8 eV
Vlastnosti materiálů – atomovástruktura
http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/index.htm
2. Keramika, skloc) Interakce s laserovým zářením:
rezonanční přenos energie mezi fotony a vázanými elektrony, zvýšeníamplitudy kmitů mřížky, šíření fononů (kvanta kmitů v krystalovémřížce, které interagují s elmag. zářením ve světelné oblasti)
Příklad: Křemík (charakteristická hloubka penetrace, R)
Vlastnosti materiálů – atomovástruktura
3. Polymerya) Řetězce monomerů (etylén) (-C2H4-)n …. polyetylén
b) Náhrada H jiným prvkem: (-C2H3 Cl-)n ….. polyvinylchlorid
(-C2H3-CH3 - )n – polypropylén
c) Interakce s laserovým zářením: vibrace molekulárních vazeb,
Vysoká absorptivita pro vlnovou délku 10,6 µm CO2 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
Vlastnosti materiálů – atomovástruktura
4. Kompositya) 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:
http://www.volny.cz/zkorinek/
c) Interakce s laserovým zářením:
Závisí na složení kompozitu
Vlastnosti materiálů – atomovástruktura
Základní parametry procesu
2
4
D
PQP π
=
1) P ….výkon laseru (podle elektrického příkonu a účinnosti) 2) D …průměr laserového svazku na povrchu materiálu
(podle kvality svazku v rezonátoru a geometrie fokusačníčočky)
určují plošnou hustotu výkonu:
3) t…interakční čas (délka pulsu nebo doby, za kterou svazek přejede svůj průměr), v…pracovní rychlost
v
Dt =
Odhad optimálních parametrůprocesu
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.(T2 – T1) (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.[cp(Tt – To) + lt +ck(Tv-Tt).a +lv.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 – latentníteplo tavení, R – odrazivost povrchu, P – výkon, τ – čas, a – míra vypařeného materiálu.
Odhad optimálních parametrů procesu
Dosazení hodnot fyzikálních veličin ρ, c, T, l pro daný materiál (ocel 11 373 - Uhlíková konstrukční ocel obvyklých vlastností se zaručeným určitým obsahem fosforu a síry):
a = 0.1 (tavné procesy převažují); lv = 6260180 J/kg; lt = 247110 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.13541630000
označíme konst. = 13541630000 J/m3), vyjádříme v (rovnice 3)
konsthD
PRv
..
).1( −=
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)
Laserové aplikacedělení dle fázové přeměny
Program Izotemper ( @SLO)
Modelování rozloženíteplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D – zjištění rozměrůnatavené a vypařené oblasti
a) Gaussovskýsvazek pro simulaci hloubkového svařování
Program Izotemper ( @SLO)
Modelovánírozloženíteplotního pole v materiálu v závislosti na výkonu P, rychlosti v a průměru svazku D – zjištěnírozměrů natavenéa vypařené oblasti
b) Prstencový mód pro simulaci kalení