Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8 Laserové zpracování materiálu Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011
Lasery pro průmyslové zpracování materiálu
E (eV)
0,12
1,17
1,17
1,2 – 1,5
4,17 – 6,25
Vlastnosti materiálů – atomová struktura 1.
Kovy a slitiny
a) kovová vazba: kovové ionty + elektronový plyn (volně sdílené valenční elektrony) b) Uspořádání atomů: trojrozměrná mřížka (kubická plošně, prostorově centrovaná, hexagonální,…) Zdroj: http://chemie3d.wz.cz/models.php?type=mrizky
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):
I = I 0e
− az
,a =
4πk
λ
1 λ I zph = I 0 , z ph = e 4πk n´= n + ik
a – absorbance (cm-1) zph – charakteristická hloubka penetrace pokles intenzity na 37 % k – extinkční koeficient (obsažen v definici komplexního indexu lomu
Interakce s ELMG zářením 1.
Kovy a slitiny
c) Interakce laserový svazek – kovy: A - absorptivita R – reflexivita T – transmisivita
R +T + A =1 (1 − n) 2 + k 2 R= ,T = 0 2 2 (1 + n) + k 4n A= (1 + n) 2 + k 2 Rir = 1 −
c
σλ
Interakce s ELMG zářením Srovnání optických vlastností stříbra, mědi a niklu stříbro
λ (nm)
k
měď
R (%)
zph (nm)
k
nikl
R(%)
zph (nm) k
R(%)
zph (nm)
200
1,24
26,5
12,84
1,45
34,4
10,98
1,54
37,2
10,34
600
3,7
96,6
12,90
3,01
87,1
15,86
3,56
64,1
13,41
1000
6,99
98,2
11,38
7,51
97,2
10,60
5,01
71,6
15,88
10000
53,7
98,3
14,82
47,5
98,2
16,75
36,2
98
21,98
Vlastnosti materiálů – atomová struktura 2. Keramika, sklo a) 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 http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/index.htm
Vlastnosti materiálů – atomová struktura 2. Keramika, sklo c) Interakce s laserovým zářením: 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)
Vlastnosti materiálů – atomová struktura 3. Polymery a)
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 – atomová struktura 4. Komposity a) b)
Přírodní: dřevo – matrice ligninu + silná vlákna celulózy Umělé:
zuby – matrice kolagenu + hydroxy-apatit 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
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:
4P QP = 2 πD
3) t…interakční čas (délka pulsu nebo doby, za kterou svazek přejede svůj průměr), v…pracovní rychlost
D t= v
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.(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 – latentní teplo 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)
(1 − R).P v= D.h.konst
Klasifikace laserových aplikací
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)
Program Izotemper ( @SLO) 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
Program Izotemper ( @SLO) 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
Komerční matematické modely FEM SYSWELD, agros2D (free)
