CZ215398A3 - Zlepšování povrchů pomocí laseru - Google Patents

Zlepšování povrchů pomocí laseru Download PDF

Info

Publication number
CZ215398A3
CZ215398A3 CZ982153A CZ215398A CZ215398A3 CZ 215398 A3 CZ215398 A3 CZ 215398A3 CZ 982153 A CZ982153 A CZ 982153A CZ 215398 A CZ215398 A CZ 215398A CZ 215398 A3 CZ215398 A3 CZ 215398A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
laser
metal
laser beam
precursor
alloy
Prior art date
Application number
CZ982153A
Other languages
English (en)
Inventor
Thurman Dwayne Mccay
Mary Helen Mccay
Narendra B. Dahotre
Original Assignee
The University Of Tennessee Research Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The University Of Tennessee Research Corporation filed Critical The University Of Tennessee Research Corporation
Publication of CZ215398A3 publication Critical patent/CZ215398A3/cs

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/52—Ceramics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550°C
    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent
    • B23K35/308—Fe as the principal constituent with Cr as next major constituent

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Chemical Treatment Of Metals (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Description

Vynález se týká oboru úpravy kovových povrchů vystavených oxidaci, korozi a rezivění, a oboru výroby součásti s hladkým povrchem, zbavených odchylek od hladkosti jak jen je to možné, a kovových výrobků s hladkými a/nebo rovinnými povrchy.
Dosavadní stav techniky
Nechráněné kovové povrchy, jako například oceli a hliníku, jsou vystaveny korozi, rezivění, vodíkovému křehnutí a erozi opotřebením. Tyto povrchy se zpravidla chrání natíráním, plátováním, povlékáním nebo galvanickým pokovením povrchu. Tyto metody nicméně vyžadují častou obnovu a podléháj í loupání a oddělování ochranné vrstvy od povrchu substrátu ve spojení ochranné vrstvy a substrátu.
Kovové povrchy s hladkými povrchy zbavenými topografických nepravidelností jsou důležitou složkou zařízení používaného v různých oblastech, jako například ve stěnách (vnitřních a/nebo vnějších) nádrží a sudů používaných pro výrobu potravinářských produktů jako je víno, pivo, mléko a štávy, nebo čistých chemikálií. Chyby nebo odchylky hladkosti stěn zařízení mohou umožňovat akumulaci prachu, rzi, nečistot, bakterií nebo částic potravin nebo jiných nežádoucích látek.
V současné době je zařízení zpravidla vyrobeno
z nerez oceli, která je vyleštěna na hladký povrch. Nerez ocel je drahá a nikdy nemůže být dosaženo absolutní hladkosti povrchu. Existuje tedy potřeba kovového substrátu pro použití jako konstrukčního materiálu, který je méně drahý než nerez ocel, a který může být vyroben alespoň tak hladký nebo hladší, než je dosažitelné u nerezové oceli.
Podstata vynálezu
Cílem předloženého vynálezu tedy je poskytnout kovové povrchy vystavených oxidaci, korozi a rezivění s povrchovou slitinovou vrstvou pro ochranu takovýchto kovových povrchů bez loupání a oddělování, a bez potřeby časté obnovy předchozí úpravy povrchu.
Tohoto a dalších cílů je dosaženo podle předloženého vynálezu způsobem, při kterém se povrch kovového substrátu upravuje nebo jinak chrání proti korozi vytvářením slitiny v povrchu a v podpovrchové vrstvě substrátu. Slitina tvoří integrální část substrátu, v kontrastu s jinými způsoby ochrany kovových povrchů, jako je povlékání, plátování, natírání a galvanické povlékání.
Způsobem podle předloženého vynálezu, který je nazýván zlepšování povrchu pomocí laseru (nebo LISÍ způsob - Laser Induced Improvement of Surfaces), se na upravovaný kovový povrch aplikuje požadovaný legující kov a ozařuje se pomocí laserového paprsku. Výsledkem způsobu je vytvoření slitiny v povrchu kovu. Hlavními složkami systému pro provádění způsobu podle předloženého vynálezu jsou laser, odpovídající přiváděči systém, pohybový systém, řídící systém (včetně řízení kvality), a prekurzor legovacího materiálu, jako • · · · • · • ·
například prášek v pojivu.
V této přihlášce termín hladký nebo hladkost znamená ne drsný, není přítomna drsnost. Hladký je synonymum pro prostý odchylek od hladkého povrchu, jako jsou defekty, hrboly, prohlubně, zvlnění, nebo jiné nepravidelnosti. Například dokonale hladký plochý povrch je takový, který je perfektně rovinný, a dokonale hladký zakřivený povrch je takový, který je dokonale zakřivený bez odchylek povrchu od křivosti. V této přihlášce se termín rovinný používá pro označení plochého povrchu. Termín hladký také zahrnuje povrchy, které jsou ploché a rovinné.
Kovové součásti podle vynálezu mohou mít jakoukoliv fyzikální konfiguraci, například deskovou, pravoúhelníkovou, kruhovou, čtvercovou, mnohoúhelníkovou, konkávní, konvexní atd., včetně jakýchkoliv kombinací.
Slovo vyhladit znamená opracovat slitinový povrch tak, aby se stal hladší než před opracováním. V této přihlášce se termín vyhladit také používá pro vyjádřeni odstranění topografických nepravidelností, odstranění nebo zmenšení odchylek od rovinnosti, a vyrovnání.
Odborníkovi v oboru je zřejmé, že stupeň hladkosti nebo rovinnosti se může lišit od dokonalého k méně dokonalému v závislosti na potřebě konkrétní aplikace, pro kterou je kovová součást určena.
Neočekávaným ztělesněním vynálezu je laserem legovaný kovový substrát mající povrch hladší, než kovový substrát, který nebyl legován laserem.
• · ---Další vytvoření vynálezu představuje způsob vyhlazování povrchu kovových předmětů nebo součástí, který byl legován pomocí laseru. Podle způsobu podle vynálezu se kovový substrát legovaný laserem vyhlazuje pro dosažení hladšího povrchu součásti, než je povrch odpovídající součásti legované laserem, který nebyl vyhlazen, nebo než je povrch kovu, který nebyl legován laserem.
Další podrobnosti týkající se LISÍ způsobu, zařízení pro realizaci tohoto způsobu, a vyrobených opracovaných kovových povrchů, jsou vysvětleny v následujícím popisu za pomoci výkresů.
Přehled obrázků na výkresech
Obr. ΙΑ, 1B a ÍC schematicky v řezu přestavují zlepšení povrchu pomocí laseru podle vynálezu.
Obr. ID a IE jsou grafická znázornění řezů zobrazených na obr. ΙΑ, 1B a ÍC.
Obr. 2 je blokový diagram systému pro provádění způsobu podle předloženého vynálezu.
Obr. 3 představuje pohled na typický přiváděči systém laseru.
Obr. 4 představuje ocelový předmět legovaný chrómem pomocí laseru ve dvou skupinách překrývajících se stop. Stopy tvoří zvlněný povrch, kde jsou v místech styku mezi přilehlými pásy vytvořeny paralelní brázdy.
• ·
Obr. 5 představuje ocelový předmět legovaný chrómem pomocí laseru, kde odstupy stop laseru jsou menši, než ve vzorku podle obr. 4. V místech styku přilehlých stop jsou přítomny brázdy.
Obr. 6 představuje ocelový předmět podle obr.5, který byl obráběním zarovnán. Část ocelového předmětu byla legována laserem (označena A) a část ocelového předmětu nebyla legována laserem (označena B). Obě části A a B byly obrobeny shodným způsobem. Laserem legovaná část je zřetelně hladší po následujícím obrábění než povrch nelegovaný laserem. Zvýšená hladkost části A je zjistitelná vizuálně dotekem a/nebo profilometrií.
Příklady provedení vynálezu
Výsledný výrobek podle předloženého vynálezu představuje povrch, který je značně zlepšený. Například v případě ocelového substrátu poskytuje opracování chrómem pomocí LISÍ způsobu výrobek, který v podstatě představuje ekvivalent nerez oceli. V tomto vytvoření je do tenké (méně než 500 m) oblasti přidáno dostatečné množství chrómu a popřípadě niklu pro vytvoření ekvivalentu nerez oceli, který je velmi tvrdý v důsledku vytvoření různých karbidů chrómu.
Výsledný ekvivalent nerez oceli je nekorozívní a vysoce odolný erozi a opotřebení. Můře tedy ocelový konstrukční materiál zůstat v provozu bez nutnosti periodické výměny, kterou by vyžadovalo použití součástí vytvořených z nerez oceli (která je drahá a má vysokou úroveň obsahu chrómu).
• · · · • · · ·
····
Dále, před aplikací způsobu není třeba předchozího čištění ocelového substrátu. Ve skutečnosti může mírná vrstva oxidů dokonce napomáhat absorpci laserového paprsku, což urychluje celý proces.
Opracovávaným kovem může být jakýkoliv konstrukční kov, včetně železných a neželezných materiálů, jako hliník, nikl, železo nebo ocel, například ocel 1010 nebo A36. Ve výhodném provedení může uhlíková ocel, označovaná kovem je kov, tvořící být kovem substrátu obyčejná také jako měkká ocel. Legovacím slitinu s konstrukčním kovem (substrátem), a zahrnuje chróm, hliník, zinek, měď, nikl, molybden, mangan, kobalt, křemík, wolfram, titan a jejich slitiny. Další prekurzory legovacích materiálů, které jsou vhodné pro způsob podle předloženého vynálezu, zahrnují ušlechtilé kovy jako zlato, stříbro, platinu, paládium a jejich slitiny. Ve výhodném provedení je prekurzorem legovacího materiálu chróm nebo slitina chrómu.
Prekurzor legovacího materiálu může být aplikován ve formě prášku nebo jako složka suspenze. Ve výhodném provedení je prekurzor legovacího materiálu prášek smísený s pojivém, který může být aplikován na kovový povrch nebo natřením. Pojivém může být organická nebo lak nebo vodorozpustné pojivo. Jak je pojivo se v průběhu procesu spálí není tedy stříkáním pryskyřice popsáno níže v nijak významné míře přítomno v konečném výrobku.
Kov substrátu, na který byl aplikován prekurzor legovacího materiálu, se zahřívá na teplotu dostatečnou pro tavení kovu substrátu. Následkem toho se prekurzor legovacího materiálu mísí a vytváří slitinu s roztaveným • · a a « *
substrátem.
V jednom vytvořeni je prekurzor legovacího materiálu ve formě ve vodě rozpustného prášku (CrO3). Prášek při smísení s vodou změní barvu na růžovou, a je tak při aplikaci viditelný. Po aplikaci prášek tvrdne na tenký film. Když se film zahřívá, jak je popsáno níže, CrO3 disociuje a chróm se mísí s roztaveným kovovým substrátem. V jiném vytvoření je prekurzorem legovacího materiálu Cr, který při aplikaci na substrát mění barvu na hnědou, a také je při aplikaci viditelný.
Výhodným zdrojem tepla pro tavení substrátu (například oceli) je laser, protože lasery jsou schopné vytvářet teploty dostatečné pro tavení požadovaných materiálů substrátu, jako je ocel, železo, nikl a hliník, a jsou schopné pečlivé kontroly pro omezení hloubky tavení substrátu a celkového vstupu tepla do celého materiálu. Lasery použitelné pro způsob podle předloženého vynálezu mohou být kterékoliv z četných laserů, schopných poskytovat fokusovaný nebo defokusovaný paprsek, který může tavit prekurzor legovacího materiálu a část povrchu a podpovrchovou vrstvu materiálu substrátu. Vhodné laserové zdroje zahrnují C03 lasery a Nd:YAG lasery. YAG laser je preferován před C03 laserem, protože výstup YAG laseru může být přiváděn prostřednictvím vláknové optiky, což dovoluje přesnější přivádění, a protože YAG vlnová délka je snadněji a účinněji absorbována kovy.
Různé parametry procesu, včetně množství prekurzoru prekurzoru legovacího materiálu a parametry procesu, mohou být měněny podle požadavků na vytvoření slitiny s určitou hloubkou a strukturou. Také je třeba brát v úvahu, že • ······ · · · · • · · ·· · ···· • · · · · · ···· • ···· · · · · · ···· · • · · · ··· •«· · « · ·· ·· některé substráty mohou odolávat bez tvorby trhlin a pórů vyšším teplotám než jiné substráty. Ačkoliv tedy je zde uveden obecný popis LISÍ způsobu, jakož i několik konkrétních příkladů, je odborníkovi v oboru zřejmé, že použité parametry mohou být libovolně měněny v závislosti na materiálu substrátu a požadovaném výsledku.
Způsob podle předloženého vynálezu je založen na fyzikální a chemické modifikaci povrchu a podpovrchové vrstvy kovového materiálu přidáním prekurzoru legovacího kovu a aplikací vysokoenergetického zdroje, jako je laser. Prekurzor legovacího materiálu se ukládá na povrch opracovávaného substrátu. Alternativně, jak je popsáno níže, se může prekurzor legovacího materiálu dodávat v průběhu a současně s interakcí laser/substrát. Povrch substrátu a prekurzor legovacího materiálu se taví při opracování laserem za vytváření slitiny v povrchu a podpovrchové vrstvě substrátu. S výhodou se v blízkosti oblasti interakce laser/substrát dodává ochranný plyn, jako je inertní plyn (tj. plynný prvek ze skupiny nula periodického systému), který může obsahovat redukční plyn jako je vodík. Následně po tomto laserovém opracování povrchu se legovaná oblast ponechá zchladnout a ztuhnout, s výhodou rychlým zchlazením účinkem okolní (větší) části materiálu substrátu, která zůstává v průběhu procesu opracování chladná.
LISÍ způsob má proti konvenčním metodám opracování kovových povrchů několik výhod. Způsob podle předloženého vynálezu je nekontaktní způsob, takže zcela chybí opotřebení nástrojů a mechanická namáhání. Způsob je rychlý. Například plochy 30 až 60 palec /min mohou být opracovány jediným laserem. Způsob se může provádět ve vybraných a lokalizovaných oblastech, což odstraňuje nepotřebné • · • · • · · 9 9·· • · · · · · · opracovávání materiálu a vede k úsporám nákladů a času. Způsob se dobře hodí pro dálkové řízení a automatizaci, což minimalizuje vystavení obsluhy riziku a zvyšuje přesnost procesu.
Kromě toho způsob vede k modifikaci pouze oblastí povrchu a podpovrchové vrstvy substrátu do hloubky od jednoho až pěti mikrometrů do až asi 2 milimetrů. Typické hloubky modifikace jsou od asi 50 až asi 500 do až asi 600 mikrometrů. Zbývající substrát (do hloubky modifikované oblasti) zůstává nemodifikovaný, stejně jako části kovového substrátu sousedící s plochami opracovávanými laserem.
Výsledkem způsobu jsou legovaný povrch a podpovrchové vrstva, které jsou nikoliv povlakem, ale inherentní částí materiálu substrátu bez zřetelného rozhraní. Tak jsou odstraněny problémy delaminace nebo separace legované oblasti od zbývající části substrátu.
Pro způsob podle vynálezu je třeba velmi malých, až nevýznamných, množství prekurzorů legovacích materiálů. Množství prekurzorů legovacích materiálů potřebná pro ochranu substrátu jsou mnohem menší, než množství potřebná pro povlékání nebo galvanické povlékání substrátu (často snížená faktorem 2 až 500). Způsob podle vynálezu je navíc jednorázový, není třeba substrát prohlížet a znovu povlékat, jak je požadováno u tradičních povlaků.
Dále, úpravami složení prekurzorů prekurzorů legovacího materiálu a parametrů laserového paprsku je možné syntetizovat v povrchu a podpovrchové vrstvě substrátu nekonvenční a netradiční slitiny. Podle předloženého vynálezu mohou být syntetizovány například slitiny Al-W, • · • · · · ·
Al-Cr, Ni-Au, Al-Si-C, Al-Ti-C, nebo Al-W-C.
LISÍ dostupnou laserového podložního v povrchu, způsob pracuje s vysokou hustotou výkonu použitím fokusovaného nebo defokusovaného zdroje pro tavení legovacího materiálu a části materiálu. Jelikož tavení nastává rychle a jen zůstává hlavní část materiálu chladná, což vytváří rychlé samoochlazení a tuhnutí. Rychlým zchlazením kapalné fáze se zachovává rozmanitost chemických a mikrostrukturálních stavů. Ty zahrnují chemické profily, kde je legovací prvek vysoce koncentrován v blízkosti atomárního povrchu, a jeho koncentrace klesá v mělké vrstvě, a rovnoměrné profily, kde je koncentrace stejná přes celou roztavenou oblast. Typy pozorované mikrostruktury sahají od pevných roztoků se zřetelnou krystalickou fází po kovová skla.
Laserové opracování povrchu bylo použito pro vytvoření slitiny Fe-Cr-C na substrátu z oceli AISI 1018. Toto opracování obyčejné uhlíkové oceli chrómem poskytlo lafovitého <M23C6>.
jemnozrnnou mikrostrukturu feritu, a sraženiny komplexního karbidu martenzitu byla dislokována a martenzitu byla bcc. Nárůst rozpustnosti pevné látky a vysoká rychlost chlazení vytvářel nejprve martenzit spolu s vysokoteplotním feritem, načež se vytvářel precipitát karbidu M23c6 (fcc). Tyto precipitáty karbidu byly rovnoměrně rozloženy v matrici, která měla vysoký obsah chrómu. Nově vytvořená slitina v povrchu a v podpovrchové oblasti nevykazovala žádnou zachovanou austenitickou fázi. Tyto změny v obyčejné uhlíkaté oceli poskytly povrch pro zlepšenou odolnost proti korozi a opotřebení.
martenzitu Struktura krystalické struktura
LISÍ způsobu může být použito pro nezkorodované nebo nové kovové povrchy pro vytvoření legovaných oblastí povrchů a podpovrchových vrstev, které zabraňují korozi, oxidaci, vodíkovému křehnutí a rychlé erozi opotřebením substrátu. Ve výhodném provedení j e opracovávaným kovovým povrchem obyčejná uhlíková ocel.
vodíkovému odstraňuje
LISÍ způsobu může být také použito ke zlepšení existujících kovových povrchů, jako například oceli, které již zkorodovaly. Způsob podle vynálezu odstraňuje korozi, která je přítomna, a inhibuje další korozi. Způsob podle předloženého vynálezu tak omlazuje nebo obnovuje oxidované povrchy a inhibuje nebo zabraňuje další korozi, oxidaci křehnutí a rychlé erozi opotřebením. Způsob rez a činí povrch rezuvzdorným. Navíc, LISÍ způsob dále zlepšuje kvalitu korodovaných povrchů, což vede ke zvýšení hladkosti a odolnosti proti opotřebení rezavého povrchu. Při opracování oxidovaných (korodovaných nebo rezavých) povrchů způsobem podle předloženého vynálezu je nezbytné odstranit oxidovaný povrch, stejně jako je požadováno při tradičních technikách povlékání. Rez pevně spojený s povrchem může být na povrchu ponechán. Uvolněný nebo loupající se rez však by měl být před opracováním odstraněn měkkým kartáčem nebo jinými vhodnými prostředky.
LISÍ způsob také je možné použít pro legování kovových substrátů jako je nikl nebo jeho slitiny ušlechtilými kovy, jako je zlato, stříbro, platina nebo paládium, pro vytvoření superslitiny s modifikovaným povrchem, který má sníženou náchylnost k vodíkovému křehnutí. Letecký průmysl v současné době používá zlaté povlaky o několika stovkách mikrometrů na niklových substrátech. LISÍ způsob může takové povrchy chránit s velkými úsporami nákladů, neboř požadované ·· ··· · ·· ·· • · · · • · ·· • · · · · • · · množství zlata je jen takové, jakého je třeba pro legování několikaatomových vrstev povrchu. Hloubka substrátu, legovaná zlatém, je jen několik mikrometrů, například 1 nebo 2 až 5 mikrometrů. Protože je třeba jen velmi tenkého zlatého povlaku, způsob podle předloženého vynálezu dovoluje snížit množství zlata, potřebného pro ochranu povrchů, faktorem 2 až 500. LISÍ způsob navíc dovoluje další úspory času a peněz, neboť, proces se nemusí opakovat, na rozdíl od tradičních povlaků, které se musí periodicky znovu aplikovat.
LISÍ způsobu může být použito také pro vytvoření netradičních slitin v povrchu kovového substrátu. Ve výhodném vytvoření je kovový substrát hliník nebo hliníková slitina a legovací kov je wolfram, chróm, kobalt, mangan, hořčík nebo nikl. Obměňováním parametrů LISÍ způsobu (tj. složení substrátu a prekurzoru prekurzoru legovacího materiálu a parametrů spojených s laserem) mohou být vytvořeny různé slitiny.
LISÍ způsob je možné také použít, jak s CO2 lasery, a s Nd:YAG lasery, pro zlepšení povrchu hliníkové slitiny (např. 7075) za použití prášků chrómu a karbidu wolframu. LISÍ způsob je možné také použít pro zlepšení povrchu niklové slitiny (dostupné na trhu pod obchodním názvem Hastelloy, Haynes International, lne., Kokomo, Indiana), za použití zlata.
Laserem legované kovové substráty mohou být hladké pomocí dodatečného opracování. Stupeň hladkosti se může měnit v závislosti na použití, pro jaké je kovový substrát určen. Laserem legovaný kovový povrch například může být vyhlazen na hladkost poněkud větší než je hladkost • · · • · · odpovídajícího nevyhlazeného laserem legovaného kovu. Alternativně může být povrch laserem legovaného kovového substrátu vyhlazen na zrcadlovou kvalitu, potenciálně bez topografických nedokonalostí nebo odchylek od dokonalé topografické rovinnosti. Obměňováním parametrů dodatečného opracování může být dosaženo jakéhokoliv stupně hladkosti mezi těmito dvěma stupni hladkosti, odpovídajícího způsobu, jakým je hladkost získána, a době a síle použité při vyhlazování.
Stupeň hladkosti může být stanoven jakoukoliv vhodnou metodou. V závislosti na požadované přesnosti stanovení může být hladkost určena hmatem, pohledem, například v odraženém světle z povrchu kovového substrátu, nebo instrumentálně, například profilometrem nebo optickým profilometrem, kterým může být stupeň hladkosti nebo rovinnosti měřen naprosto přesně.
Hladký nebo rovinný laserem legovaný kovový povrch může být částí sudu nebo nádrže pro skladování kapalin nebo chemikálií, například nádrží používaných v potravinářství, chemii, dopravě nebo v jiném průmyslu. Alternativně může hladký laserem legovaný kovový povrch tvořit vnitřní povrch větrného tunelu, který má poskytnout přesnější měření turbulence vzduchu nebo odporu vzduchu. Každá aplikace, pro kterou se požaduje hladký kovový legovaný povrch substrátu, může být vytvořena z hladkého laserem legovaného kovového substrátu podle vynálezu. Povrchem je myšlen také vnitřní povrch tělesa, kterého může být dosaženo opracováním povrchu slitiny a pak provedením uzavření kovového předmětu tak, že je uvnitř kovového předmětu, například trubicového tvaru.
Vyhlazení se může provádět jakýmkoliv vhodným způsobem • ·
pro výrobu kovových předmětů, které jsou hladké nebo rovinné nebo prosté topografických nepravidelností, včetně mechanických prostředků, jako například obrábění, chemických prostředků, a změn fyzikálního stavu, jako například tavení a zpětného tuhnutí, nebo plavením roztaveného kovu, jako je popsáno v US patentu 3 083 551, který se zde začleňuje jako reference. V současné době se redukce drsnosti nebo nepravidelností legovaného povrchu provádí zcela konvenčně fyzikálními prostředky jako je obrábění. Obrábění se může provádět jakýmkoliv vhodným prostředkem používaným pro obrábění kovových substrátů, včetně broušení, honování, leštění, vrtání, frézování, pískování, hlazení atd.
Způsobem podle vynálezu se laserem legovaný kovový substrát vyhlazuje na celém povrchu nebo jeho části. Podle vynálezu není třeba, aby celý legovaný povrch byl hladký nebo planární. Povrch může být vymezen prohlubněmi (stlačeními), konkávními oblastmi a/nebo naopak konvexními oblastmi vytvořenými pro určitý účel. Strany těchto konvexních a/nebo konkávních oblastí však jsou hladké. Například plochý laserem legovaný kovový substrát může být vyhlazen na části jeho povrchu rotačním vyhlazovacím zařízením, ve kterém je osa rotace paralelní k povrchu kovového substrátu, jako bočně aplikovaným brousícím nástrojem. Tím způsobem se získají hladké zaoblené prohlubně ohraničené na obou stranách vyhlazeným nebo nevyhlazeným substrátem.
Podle vynálezu se vyrovnávání nebo vyhlazování povrchu laserem legovaného kovového substrátu provádí na jakékoliv laserem legované povrchové vrstvě dostatečné tloušťky, aby vyhlazování nemělo vliv na celistvost legované vrstvy nebo nezpůsobilo odstranění celé tloušťky legované vrstvy do • · • · · · · · · • · · · · ·· « · · · · · · · · • · · · · · ·· · ·· *· místa, odhalujícího laserem nelegovaný kovový substrát vespod. Laserem legované substráty mohou mít tloušťku legované vrstvy mezi několika mikrometry, například 10, až asi 2000 mikrometry nebo více, obvykle od asi 50 do 600 nebo 2000 mikrometrů nebo více.
Doba trvání operace vyhlazování nebo vyrovnávání se mění od několika sekund do hodiny nebo více, v závislosti na povrchu, použitých prostředcích, a požadovaném stupni vyhlazení nebo lesku.
Způsob vyhlazování podle vynálezu se může provádět na laserem legované kovové součásti předtím, než se legovaný kov použije pro výrobu konečného výrobku jako například nádrže, nebo in sítu, to znamená jako části konečného výrobku. Způsob se může provádět na jedné nebo na více než jedné straně výrobku.
Vyhlazovací opracování ilustrováno následujícími substráty legovanými pomocí opracování je aplikovatelné laseru kovy jinými než chróm těmi uvedenými výše.
způsobem podle vynálezu je neomezujícími příklady se laseru chrómem. Vyhlazovací na substráty legované pomocí nebo navíc k chrómu, například
Navíc k výše diskutovanému použití pro způsob podle předloženého vynálezu vyplývají pro odborníka v oboru z předloženého popisu další možná použití.
LISÍ způsob je schematicky znázorněn na obr. ΙΑ, 1B a 1C. Před laserovým opracováním povrchu je, jak je znázorněno na obr. 1A, prekurzor legovacího materiálu 1 na povrchu substrátu 2, se zřetelným rozhraním mezi prekurzorem ·· 9 98 8
• · · · « · 89
9 8 · • · · » · ·· legovacího materiálu a substrátem (viz obr. ID). V průběhu laserového opracování povrchu, jak je znázorněno na obr. 1B, vysokoenergetický laserový zdroj 3. (např. více než 1 kW pro většinu aplikací) je směřován na vrstvu prekurzoru legovacího materiálu 1 a substrát 2, a vzniká tak legovaná oblast 4, která byla opracována, a nelegovaná oblast 5, která nebyla opracována. Po laserovém opracování povrchu se výsledná slitina nalézá, jak je znázorněno na obr. 1C, v legované oblasti 4 několika mikrometrů (např. 1 až 5 mikrometrů) na povrchu substrátu 2. V legované oblasti 4 je přítomno snížené množství složek materiálu substrátu ve srovnání s tím, které se nalézá v oblasti materiálu substrátu pod legovanou oblastí (viz obr. IE).
Jako příklad výše uvedeného byl LISÍ způsob použit pro zlepšení povrchu substrátu z obyčejné uhlíkové oceli. Jak již bylo naznačeno, tento povrch může být čistý nebo může mít vrstvu oxidu. V předloženém příkladu byl povrch substrátu poměrně čistý, nebyl však čištěn před opracováním. Chróm v organickém pojivu obsahujícím metyletylketon, tetrahydrofuran, toluen a propylen (dostupný na trhu pod obchodním názvem Microshield, Michigan Chromé & Chemical Co., Hope, Arkansas), byl aplikován v tloušťce 0,5 mm (500 m) na ocelový substrát. Laserový paprsek CO2 laseru pracujícího s gaussovskou stacionární konfigurací s výkonem 1,5 až 2,0 kW a hustotou výkonu 50 až 66 x 105 watt/cm3 byl aplikován na povrch substrátu rychlostí zpracování 25 mm/s pro ohřátí povrchu ocelového substrátu na teplotu dostatečnou pro tavení oceli. Do opracovávané oblasti byl přiváděn argonový ochranný plyn. Pojivo bylo odpařeno a odstraněno během zpracování. Byla vytvořena legovaná oblast chromové oceli o hloubce 0,5 mm až 2 mm s obsahem slitiny 10 až 45 % hmot.
·· ·«·· • · ····
»· ·· • · · · · • · « · · • · ·· · · · • · · · • ·9 ··
Výsledný povrch byl vytvořen jako povrchová slitina, která je ekvivalentem nerez oceli, a která je jak nekorozívní, tak vysoce odolná erozi a opotřebení. Slitina tvořila část základní struktury oceli. Proto se na rozdíl od vyhlazování nebo povlékání povrchová slitinová vrstva nedrobí a neodlupuje.
Toto a jiná opracování povrchu LISÍ způsobem, při kterých byl povrch obyčejné uhlíkové oceli zlepšen chromém a jinými prvky, jsou znázorněny v příklad je uveden jako kombinace tab. 1).
tab. 1. Výše popsaný 5 (na pravé straně ·· ····
Tabulka 1
Provozní podmínky oceli s chrómem pro • · ···· ·· ·· ·· • · · · · • · · ·· • · ···· · • · · · • ·· ··
LSA obyčejné uhlíkové
Parametr Kombinace 1 Kombinace 2 Kombinace 3 Kombinace 4 Kombinace 5
legovací prvek Cr,Cr+C, Cr+C+Mn, Cr+C+Mn +A1 Cr,Cr+Ni Mo+Cr+Ni + Si Ni Cr
způsob aplikace stříkání suspenze v organ, poj ivu naprašo- vání stříkání suspenze v organ. poj ivu galvan. povlékání nanášení suspenze v organ. poj ivu
tloušťka povlaku (mm) 0,025 až 0,75 0,002 až 0,018 nezj išť. 0,001 0,5
výkon laseru (kW) 3,4 5,0 12,5 7,5 8,0 až 12,0 4,0 až 6,0 1,5 až 2,0
hustota výkonu (W/cm^) 2800 až 4500 107 12,500 až 18,750 46 až 80 x 104 50 až 66 x 105
rychlost zprac. (mm/s) 1,69 až 21,17 100 až 3750 5 až 15 25 až 50 25
konfig. paprsku čtvercový stacion./ osciluj ící fokusovaný/ gausovský stacion. čtvercový osciluj ící nezj išú. gausovský stacion.
ochranný plyn žádný He He+Ar He CO2,Ar, He,N2 He N2
obsah (%hmot.) 0,9 až 43 Cr, 0,5 AI, 1,4 až 4,4 C, 0,5 až 1,3 Mn 1 až 80 Cr nezj išú 0,5 až 3,0 10 až 45
• · • · · · · · · · · · • · · ·· · ···· • ···· · · · · · ··· · ·
Legované oblasti podle předloženého vynálezu jsou zpravidla vytvořeny do hloubky 500 m (0,5 mm) nebo méně. Typické rychlosti úpravy (tj. pohybu paprsku) jsou řádu jednoho palce za sekundu. LISÍ způsobem tedy může být za hodinu zpracována oblast 6 čtverečních stop nebo více. Pro získání větší rychlosti opracování, je-li požadována, je možno použít dalších laserů nebo více paprsků odvedených z jednoho laserového zdroje.
Odborníkovi v oboru je zřejmé, že hodnoty hustoty energie a rychlosti zpracování, které zajišťují vhbdnou rychlost chlazení pro vytváření požadované fáze (fází) jsou funkcí více souvisejících parametrů procesu materiálu, jako například materiálu substrátu (obsah uhlíku a/nebo jiných legovacích prvků), způsobu aplikace, množství povrchového legovacího materiálu v zóně působení laseru na substrát, konfigurace paprsku (čtvercový/pravoúhelníkový, fokusovaný/gausovký, stacionární/ oscilující), a ochranného plynu, a dalších.
Obr. 2 představuje schematicky systém 10 pro provádění zlepšování povrchu pomocí laseru podle předloženého vynálezu. Systém 10 zahrnuje laser 11, kterým může být CO2 laser, Ni:YAG laser, nebo ekvivalentní laser (nebo jiný ekvivalentní tepelný zdroj) pro vytváření a soustřeďování paprsku 12 známým způsobem. Přiváděči systém 13 je upraven pro přijímání paprsku 12 a pro vhodné přivádění k povrchu 14 zpracovávané součásti 15. V případě CO2 laseru sestává přiváděči 13 systém primárně ze série zrcadel pro vhodné směrování paprsku 12 z laseru 11, skrze přiváděči systém 13 a na povrch 14 zpracovávané součásti 15. V případě Nd:YAG laseru sestává přiváděči systém 13 primárně se systému optických vláken pro přijímání paprsku 12 z laseru 11, a pro • · · · vhodné směrování paprsku 12 na povrch 14 zpracovávané součásti 15 . V tomto druhém případě poskytuje použití přiváděcího systému z optických vláken, zahrnutého do systému 10 podle předloženého vynálezu, značnou mnohostrannost a flexibilitu.
Pro provádění vzájemného pohybu mezi přiváděcím systémem 13 a zpracovávanou součástí 15 je uspořádáno vhodné zařízení. V příkladu diskutovaném výše bylo realizováno jako pohybový systém 16 pro uchycení zpracovávané součásti 15 a pro provádění pohybů zpracovávané součásti 15 vzhledem k přiváděcímu systému 13 . Pro aplikace na větší rozměry však je výhodné uspořádání pohybového systému 16, který je spojen s přiváděcím systémem 13., pro uvádění přiváděcího systému 13 do pohybu vzhledem k zpracovávané součásti 15. Tato druhá konfigurace je zvláště výhodná pro aplikace, kde je pohyb zpracovávané součásti nepraktický, a je v současné době pokládán za výhodný prostředek pro realizaci vzájemného pohybu mezi přiváděcím systémem 13 a zpracovávanou součástí 15 v průmyslových aplikacích ve velkém měřítku.
Řídící orgán 17 komunikuje s laserem 11, přiváděcím systémem 13, a pohybovým systémem 16 (nebo 16) za účelem řízení těchto součástí, jakož i jejich vzájemné interakce. Řídící orgán 17 například komunikuje s laserem 11 za účelem řízení různých provozních parametrů laseru, jako například výstupního výkonu, tvaru vlny, vlnové délky a pulsace paprsku 12 . Obdobně řídící orgán 17 komunikuje s přiváděcím systémem 13 pro účely řízení přiváděného paprsku, zejména jeho fokusace vzhledem k povrchu 14 zpracovávané součásti 15. Řídící orgán 17 také komunikuje s pohybovým systémem 16 (nebo 16) pro účely řízení relativního pohybu mezi přiváděcím systémem 13 a zpracovávanou součástí 15, jako ··· ·· · · · · · ··· · · · ···· • ···· · · · · · ··· · · • · ··· · · · ··· 9 · · · ·· · · například rychlosti a směru.
Jak bylo ukázáno výše, legovací materiál může být přiváděn na zpracovávanou součást 15 řadou různých způsobů. V případě, že se legovací materiál stříká nebo jinak přivádí na povrch 14 zpracovávané součásti 15 současně s laserovým opracováním povrchu, je uspořádána aplikovací jednotka 18, s výhodou tvořící část přiváděcího systému 13 nebo k němu připojená. V tomto případě řídící orgán 17 komunikuje s aplikovací jednotkou 18 pro řízení rychlosti aplikace (např. přivádění prášku) legovacího materiálu na povrch 14 zpracovávané součásti 15.
Jako praktická ilustrace zlepšování povrchu pomocí laseru podle předloženého vynálezu bylo realizováno legování povrchu pomocí laseru Model RS3000 (Rofin-Sinar), C02 laserem (vlnová délka 10,6 m) excitovaným radiofrekvencí (27,12 MHz), s velkým axiálním tokem, schopným pracovat na průměrných úrovních výkonu 0,2 až 3,7 kW (laser 11). Laser RS3000 byl spojen se svařovací hlavou Model RS3000 (Rofin-Sinar), zahrnující 150 mm optiku f/6 s kruhovou polarizací. Výsledný paprsek byl provozován v TEM10 modu za použití standardní konfigurace pulsu (SPC). V této standardní konfiguraci pulsu paprsek pulsoval při 5 kHz a průměrný výkon paprsku byl nastavován úpravou výkonu cyklu pulsu (tj. kvazikontinuální vlnový mod provozu). Ve směru koaxiálním s laserovým paprskem byl do blízkosti zpracovávané součásti 15 zaváděn čistý dusík rychlostí přibližně 4 litry/min jako ochranný plyn.
V této konfiguraci bylo použito přiváděcího systému 13, vhodného pro C02 laser, který schematicky znázorněn na obr. 3 na výkresech. Znázorněný přiváděči systém 13 zahrnuje první sekci 20 opatřenou optikou pro vhodné směrování laserového paprsku. Ta zahrnuje konvenční pomůcky jako dielektricky povlečený měděný kruhový polarizátor 21, okénko 22 ze selenidu zinku, a ploché měděné zrcadlo 23., povlečené molybdenem, znázorněné na obrázku. Optická sekce 23 komunikuje s druhou, fokusovací sekcí 25., které provádí konečné řízení laserového paprsku na povrch 14 zpracovávané součásti 15. Fokusovací sekce 25 zahrnuje parabolické měděné zrcadlo 26., schopné v případě potřeby nastavovat ohnisko laserového paprsku.
Zpracovávaná součást 15 byla namontována na počítačem číslicově řízené (CNC) 5-osové pracovní stanici UNIDEX-16 (Aerotech) pro konstantní lineární pohyb (pohybový systém 16). Za tím účelem byla ocelová deska uspořádána pro přijímání laserového paprsku fokusovaného 25 mm nad povrchem zpracovávané součásti. Opracování laserem bylo vedeno s průměrným výkonem paprsku 2000 wattů, což poskytovalo energii (hustotu výkonu) asi 100 wattu/mm na povrchu zpracovávané součásti. Pro zpracování celé plochy byla zpracovávaná součást posunována pod laserovým paprskem rychlostí 1500 mm/min při překrytí 20 % (tj. 1 mm na 5 mm šířky stopy laseru). Tato rychlost byla udržována během opracování zpracovávané součásti.
V této konfiguraci byla deska z uhlíkové oceli AISI 1010 (o rozměrech 250 mm x 25 mm x 6 mm) opracována pro opatření laserovou povrchovou slitinovou vrstvou chrómu. Jako organického pojivového média pro chróm bylo použito komerčně dostupného laku (prodávaného pod obchodním názvem Microshield, TOBLER Division, Hope, Arkansas). Suspenze chromového prášku (průměrná velikost částic 5 m, čistota
99,6 %, od firmy CERAC, Milwaukee, Wisconsin) v roztoku 5 % • · · · obj. laku v acetonu byla ručně štětcem natřena jako tenká, plochá a rovnoměrná vrstva na ocelovou desku. Nanesená směs chrómu a organického poj ivového média byla před opracováním laserem důkladně vysušena vzduchem. Ocelová deska (substrát) byla před nanesením chrómové vrstvy očištěna metanolem a vysušena vzduchem. Výsledkem byla vrstva chrómu mající tloušťku asi 50 m.
Opracovaná ocel AISI 1010 vykazovala dobře stejnoměrné povrchově legované oblasti. První pozorování jak kolmo, tak v řezu, opticky i scanovacím elektronovým mikroskopem, ukázalo vytvoření velmi hutné vrstvy bez trhlin a pórů. Tloušťka legované oblasti byla asi 1,23 mm s průměrnou koncentrací chrómu asi 5 % hmot. Leptání legovaného vzorku v řezu roztokem 5 % obj. koncentrované kyseliny dusičné v metanolu vedlo k chemicky narušenému matnému povrchu materiálu substrátu. Nedošlo však k narušení legované oblasti, která zůstala zrcadlově lesklá. Tento výsledek naznačuje transformaci povrchu na korozivzdorný povrch.
Povrchově legovaná oblast byla také testována na fyzikální integritu se substrátem vystavením vzorku různým podmínkám mechanického zatížení. Vzorek legovaný laserem byl podroben testování na statický ohyb na jednom konci vetknutého vzorku. Vzorek byl ohnut o 110 normálovou silou 250 liber bez delaminace nebo lámání pod pnutím. Ani když byl vzorek podroben opakovanému dynamickému zatížení plochy (kruhové), linie a bodu dotyku, nebyly zjištěny žádné známky oddělení od substrátu nebo lámání. Na povrchu oceli AISI 1010 vyla vytvořena hutná, mechanicky pevná a chemicky odolná legovaná vrstva.
Výše popsané součásti jsou schopné podle předloženého • · · ·
9 9 ·· · 9 9 9 9 • · · ·· 9 · · · · • ······ · · 9 9 9 9 9 · • · ··· 9 9 9 ··· 9 99 9 9 · 99 vynálezu obměňování, pro účely dosažení užitečných výsledků ve spojení s různými aplikacemi. Například, jak bylo výše zmíněno, pro realizaci laseru 11 podle obr. 2 může být použito různých laserů. Jedním z takových příkladů je Nd:YAG laser, který je zajímavý pro větší flexibilitu, kterou poskytuje příslušnému přiváděcímu systému.
Pro praktickou ilustraci bylo provedeno legování povrchu pomocí laseru JK-701 (Lumonics), což je pulsní Nd:YAG laser (vlnová délka 1,06 m) s pracovním médiem sestávajícím z jednotlivého krystalu ytrito-hlinitého granátu dopovaného neodymem. Výstupní paprsek byl napojen na 15 stop dlouhý kabel z optického vlákna (které homogenizuje profil intenzity), a výsledkem byl laserový paprsek přibližně cylindrického profilu intenzity (TEM10 mod). Paprsek emitovaný z kabelu z optického vlákna byl fokusován čočkou (75 mm ohnisková dálka) do skvrny o průměru 400 m. Laser JK-701 byl provozován pro dodávání pulsů s maximálním průměrným výkonem 400 wattů a energií pulsu 55 Joulů. Doba trvání pulsu se měnila od 0,5 do 20 milisekund, s frekvencí pulsů až 500 Hz. Přesný tvar, velikost a energie každého pulsu byly získány nastavením doby trvání (šířky), amplitudy (výšky) a frekvence pomocí řídícího panelu.
Chrómem povlečená ocelová deska byla namontována na dvouosovou pracovní stanici číslicově řízenou počítačem (CNC) (TECHNO, DSG Company, New Hyde Park, NY), mající vodícím šroubem ovládané stupně X a Y (2 mm/ot), motor (200 plných kroků na otáčku) a ovladač (10 mikrokroků na krok), poskytující maximální posun 30 mm v obou kolmých směrech, s maximální rychlostí posunu 50 cm/s. Deska byla ustavena pro dopadání fokusovaného paprsku 2,6 mm pod povrchem. Opracování laserem bylo vedeno při 9,5 Joulu (výkon pulsu) • · ··· ·· · ···· • ···· · · · · · ··· · · • · ··· · · · • · · · ·· · ·· ·· za 18 milisekund (doba trvání pulsu) při frekvenci opakování pulsů 20 Hz. Tyto parametry poskytovaly energii na povrchu desky asi 20 wattů/mm . Pro pokrytí celé plochy byl vzorek posunován pod laserovým paprskem rychlostí posunu 360 mm/min a překrytí 40 % (tj. asi 0,4 mm na 1 mm průměru skvrny paprsku) mezi následujícími skvrnami a překrytí asi 20 % (tj. asi 0,2 mm na 1 mm šířky stopy laseru) mezi následujícími stopami. Tyto podmínky byly udržovány během opracováni. Do blízkosti zpracovávané součásti byl zaváděn ve směru koaxiálním s laserovým paprskem čistý dusík rychlostí asi 4 litry/min, sloužící jako ochranný plyn.
Deska z uhlíkové oceli AISI 1010 (rozměry 250 mm x 250 mm x 6 mm) byla opracována pro opatření laserovou povrchovou slitinovou vrstvou chrómu. Jako organického pojivového média pro chróm bylo použito komerčně dostupného laku (prodávaného pod obchodním názvem Microshield, TOBLER Division, Hope, Arkansas). Suspenze chromového prášku (průměrná velikost částic 5 m, čistota 99,6 %, od firmy CERAC, Milwaukee, Wisconsin) v roztoku 5 % obj. laku v acetonu byla ručně štětcem natřena jako tenká, plochá a rovnoměrná vrstva na ocelovou desku. Nanesená směs chrómu a organického pojivového média byla před opracováním laserem důkladně vysušena vzduchem. Ocelová deska (substrát) byla před nanesením chrómové vrstvy očištěna metanolem a vysušena vzduchem. Výsledkem byla vrstva chrómu mající tloušťku asi 50 m.
Použití laserů Nd:YAG poskytuje četná zlepšení celého LISÍ způsobu. To je zejména výsledkem schopnosti Nd:YAG laserů komunikovat s přiváděcím systémem z optických vláken (a protože produkované vlnové délky jsou lépe absorbovány zpracovávanou součástí). Velikost laseru nezbytná pro • · · ·
4 4 ·· · 4 4 4 4 ··· 4 4 · ···· • ···· * · 4 4 φ ··· · · • · ··· ··· ··· 4 44 4 · · · · efektivní opracování povrchu podle předloženého vynálezu, která může být řádu 2000 liber, činí obtížným pohybování laserem vzhledem k opracovávanému povrchu. S přiváděcím systémem z optických vláken však může laser zůstat vně opracovávané oblasti a laserový paprsek může být na povrch přiváděn pomocí vláknové optiky. Vláknová optika a připojený manipulátor paprsku (tj. přiváděči systém 13 pro fokusování a tvarování paprsku do požadované konfigurace) jsou poměrně malé a tím snadno manipulovatelné (např. za použití vhodných robotů a připojených řídících orgánů). Standardní délka vláken je 100 až 250 metrů, a jednotlivá vlákna mohou být pro dosažení delších rozměrů vzájemně spojována. Pohybový systém 16oo, kterého je možno použít s vláknovou optikou, je v důsledku lehčí vláknové optiky a manipulátoru paprsku, značně jednodušší. V důsledku toho, vše čeho je třeba pro dosažení použitelného výsledku je pohyb konce vláknové optiky (manipulátoru paprsku) podél opracovávaného povrchu při zachování vhodné vzdálenosti manipulátoru paprsku od povrchu.
Tento pohyb může být realizován úpravou konfigurace laserového paprsku z fokusovaného, v podstatě paralelního laserového paprsku, na nefokusovanou konfiguraci (která je také možná pro C02 lasery). Z toho důvodu není vzdálenost od manipulátoru paprsku k povrchu zpracovávané součásti kritická, a může se měnit o několik centimetrů, což dále zjednodušuje řízení pohybového systému a připojeného laserového paprsku. Ačkoliv, jak bylo výše ukázáno, CO2 lasery mohou poskytnout užitečné zlepšení povrchu pomocí laseru, jejich použití je v současné době pokládáno za méně žádoucí, neboť přiváděči systémy paprsku, které vyžadují (zrcadla a podobně), jsou sice možné, avšak poněkud obtížněji prakticky proveditelné. Nicméně je možné těchto • ·
systémů použít pro dosažení stejně použitelných výsledků.
Jsou možné odpovídající modifikace přiváděcího systému 13. pohybového systému 16 (nebo 16) a řídícího orgánu 17. Například přiváděči systém s vláknovou optikou se s výhodou použije ve spojení s Nd.-YAG laserem popsaným výše. V podstatě se přiváděči systém 13 vybere pro vytvoření rozhraní s jakýmkoliv typem laseru 11 (nebo ekvivalentního zdroje tepla), vybraným pro konkrétní aplikaci.
Pohybový systém 16 (nebo 16) je obdobně schopen úpravy pro vhodnou konkrétní aplikaci. Ta může zahrnovat jakýkoliv z různých dostupných pohybových systémů, jako například 2-osové lineární pohybové systémy, jednoosové lieární a jednoosové rotační systémy, kombinované laž 3 lineární a 1 až 3 rotační stupně, plně kloubové (s mnoha stupni volnosti) robotové podávači systémy a vícepřístupový lezoucí mechanismus. Jak bylo ukázáno výše, tyto pohybové systémy jsou připojeny buď ke zpracovávané součásti 15 (pohybový systém 16.) nebo k přiváděcímu systému 13 (pohybový systém 16').
Aplikační systémy schopné modifikovat povrch velkých součástí mohou mít různé formy pro účely přístupu ke vzdáleným oblastem a pro překonání velkých vzdáleností a nepravidelných povrchů. Pro velké oblasti bez omezení přístupu může být použito kloubových robotových ramen namontovaných na pohyblivé základně pro snadné dosažení povrchů podlah, stěn a stropů. Takový systém může být naprogramován pro sledování geometrie povrchu a přítomných nepravidelností (s výhodou ve spojení se senzory výšky začleněnými do systému řízení pohybu) pro zajištění stálých podmínek zpracování po celé součásti. Pracovní hlava na • · · · · · • · konci ramene může v případě potřeby obsahovat také další diagnostické prvky pro řízení procesu.
Pro malé oblasti a pro oblasti s omezeným přístupem mohou být menší robotová ramena umístěna uvnitř součásti, povrchu umístěna miniaturní Naváděcí systémy pro taková se jich v současné době ke nebo může být pro překonání přiváděči hlava (obdobná myši). zařízení jsou známa, a používá svařování potrubí (používají buď magnetický nebo naváděcí systém pro zpracování ploch stěn a stropů). Potřebný naváděcí systém může být fyzicky namontován za použití lešení nebo magnetů. Miniaturní diagnostické prvky mohou být zabudovány do přiváděči hlavy, jako u větších robotových ramen.
Relativní necitlivost LISÍ způsobu na provozní podmínky umožňuje jejich realizaci ručně řízeným manuálním způsobem pro vhodné aplikace (např. ventily vzduchového vedení, usměrňovače toku, kanály a přístupové otvory). Toho se používá v případech extrémní nepřístupnosti, a pro nepravidelné součásti a povrchy. Podobně jako u svařování, lidský operátor opracovává povrch se smyslovou zpětnou vazbou a odborným vedením procesu.
Nezávisle na realizaci, důležitým aspektem týkajícím se rychlosti opracování je tvar paprsku a způsob využití paprsku ke zpracování povrchu. Výše popsané příklady využívaly fixních, kruhových paprsků s hladkým přechodem na nulovou intenzitu na okrajích. Jiné systémy však mohou využívat paprsky s pravoúhlým nebo čárovým tvarem paprsku nebo s velmi ostrým profilem intenzity (obdobně jako široký natěračský štětec nebo váleček). Tyto profily umožňují jemnější řízení procesu a rychlejší opracování.
• · • · · ·
Takovéto profily paprsku mohou být použity ve spojení se scanovacím zrcadlovým uspořádáním, jakého se používá v některých aplikacích laseru v kosmetické chirurgii. Takové systémy používají rotujících nebo vibrujících zrcadel pro velmi rychlé postupné přejetí plochy požadovaného tvaru (která je obecně mnohem větší než velikost paprsku) když paprsek traverzuje po opracovávané ploše. To poskytuje efekt tvaru plochy paprsku, který činí paprsek efektivně větším. Vhodné řízení frekvence scanování poskytuje správnou dobu interakce.
Řídící orgán 17 může podle potřeby zahrnovat četné systémy a subsystémy pro řízení laseru 11, přiváděcího systému 13 a pohybového systému 16, 16. Například výše popsaný pohybový systém 16 (CNC: AEROTEC UNIDEX-16) využívá
6-osového CNC řídícího systému pohybu spojeného s vhodnou laserovou vypalovací kartou. S tímto řídícím systémem pohybu je spojen víceosový řídící systém (buď s řídící laserovou vypalovací kartou, nebo podřízený řídícímu systému laseru). Alternativně může být použit nezávislý procesor (víceosový řídící systém), který buď ovládá vnější řídící systém laseru, nebo je řízen vnějším řídícím systémem laseru.
Je zřejmé, že řízení předcházejících aparátů a procesu, který realizují, je důležitou částí zlepšování povrchů pomocí laseru podle předloženého vynálezu. Jak bylo ukázáno výše, vhodného řízení aparátů a tomu odpovídajícího způsobu bylo dosaženo pomocí řídícího systému se zpětnou vazbou, založeného na PC, pracujícího jako nadřazený pro systém řízení laseru 11 a pohybového systému 16 (nebo 16). Použití programovatelného logického řídícího (PLC) systému se zpětnou vazbou je preferováno, v kombinaci s nezávislým • ·
řídícím systémem se zpětnou vazbou se samotnou kartou.
Celková funkce řídícího orgánu 17 je zajistit, aby systém pracoval vhodně pro roztavení povrchu substrátu do vhodné hloubky, čímž je zajištěno, že se na povrchu vytvoří správná slitina. To řídící orgán 17 realizuje primárně regulací výkonu laseru 11, fokusování laserového paprsku pomocí fokusovacích částí 25 přiváděcího systému 13, a rychlosti pohybového systému 16, 16oo. Další parametry spojené s procesem, jako například parametry aplikační jednotky 18 (je-li použita), a parametry spojené s rychlostí průtoku (např. ochranného plynu), mohou být v případě potřeby také řízeny v odpověď na signály získané řídícím orgánem 17.
Dále, jak je znázorněno na obr. 2, v blízkosti laserového přiváděcího systému 13 a zpracovávané součásti 15 mohou být umístěny různé převodníky 19 jako další rozhraní řídícího orgánu 17 a pro lepší řízení zařízení a příslušného procesu. Vhodné převodníky 19 pro realizaci těchto výsledků zahrnují následující.
Pro určení celkové z laserového paprsku na použitelná měření teploty, pro získání zpětné vazby parametrů laseru, primárně účinnosti přenosu energie zpracovávanou součást jsou Tato měření teploty lze použít pro účely úpravy provozních výkonu laserového paprsku (rychlosti vzorku), a/nebo rychlosti posunu pohybového systému. Příklady převodníků pro realizaci těchto měření teploty mohou zahrnovat kontaktní měření teploty zpracovávaných součástí a prostředí (okolí oblasti interakce laser/povrch) v blízkosti zpracovávané součásti, stejně jako pyrometrické měření teploty povrchu zpracovávané součásti (v blízkosti oblasti interakce laser/povrch.
Pro vhodné polohování laserového paprsku vzhledem k povrchu zpracovávané součásti je použitelné také video zobrazení oblasti interakce laser/povrch. Zobrazení získané při vysoké rychlosti závěrky (za použití technik o sobě známých) jsou použitelná pro zajištění jasné indikace polohy oblasti interakce laser/povrch, a těchto dat může být použito pro zajištění zpětné vazby řízení pohybu laserového paprsku.
Emisní spektra vyzařovaná plazmou, která se obvykle vytváří v zóně interakce laser/povrch, jsou použitelná pro zajištění dat týkajících se teploty par a koncentrace látek, které mají vztah ke kvalitě celého procesu. Například zjištění nízké teploty může naznačovat, že hloubka legovaného povrchu je nadměrná. Emitovaná spektra vztahující se k měření teploty mohou být monitorována a použita k nastavení pracovních parametrů laserového paprsku (rychlost vzorku) a/nebo dopravní rychlosti pohybového systému.
Akustické signály jsou vytvářeny v povrchu zpracovávané součásti, a jsou spojeny s geometrií a fyzikální dynamikou celého procesu. Jak se vlastnosti povrchu ( roztavené kapaliny) mění s hloubkou, v závislosti na změně složení, mění se pohyb výsledné taveniny a produkované akustické signály. Tyto změny opět mohou být použity pro zajištění zpětné vazby pro řízení hloubky opracovaného povrchu řízením provozních parametrů laserového paprsku (rychlost vzorku) a/nebo dopravní rychlosti pohybového systému.
• · · · • · · · · • · · · · « *····· · • · · · ·· · · ·· • · · · • · · 1 • · · · • · · · <
• · «
Další parametry mohou být monitorovány pro zajištění indikace celkového zlepšení výsledného procesu. Například může být monitorován výkon laseru pomocí infračerveného detektoru pro měření fluktuací výkonu laseru, které poskytuje informaci vztahující se k očekávanému výsledku. Protože hloubka vytvořeného povrchu může být příliš malá při nízké úrovni výkonu laseru, mohou být jako vhodná kriteria pro dynamické monitorování celého procesu použity meze výkonu laseru. Měření vlhkosti prováděná v blízkosti oblasti interakce laser/povrch obdobně mohou být použita pro monitorování okolí pro akceptovatelné provozní podmínky,.
PŘIKLAD 1
Substrát z obyčejné uhlíkové oceli 1010 byl legován opracováním pomocí YAG laseru pomocí suspenze chromového prášku v organickém pojivu pro vytvoření legované povrchové vrstvy přibližně 600 mikrometrů silné v substrátu z uhlíkové oceli. V důsledku povahy stop aplikace laserového aparátu se tloušťka povrchové vrstvy měnila mezi 450 a 600 mikrometrů. Vizuální a dotekovou kontrolou povrchu bylo zjištěno, že povrch laserem legovaného kovu nebyl hladký. Vlny mezi stopami laseru byly viditelné a hmatem citelné.
Povrch chromové oceli legované laserem byl obráběn rotační frézovací hlavou pro odstranění asi 250 mikrometrů z povrchu. Následně po rotačním frézování byly zaznamenány stopy obrábění 5 až 10 mikrometrů hluboké v povrchu. Tyto značky byly zaznamenány vizuálně a byly určeny profilometrem.
Frézovaný substrát pak byl umístěn na povrch brusky a z čelního povrchu bylo odstraněno asi 50 mikrometrů, při ···· • · · • · · · ··«··· · • · · • ·· ponechání hladkého povrchu s minimálním leskem.
Hladký povrch pak byl leštěn pomocí látkového leštícího kola, kterým byl povrch vyleštěn, lesk zvýšen a povrch finišován na zrcadlovou kvalitu. Finální povrch měl tloušťku mezi 150 a 300 mikrometry.
V závislosti na konečném použití pro které je vyhlazený kovový substrát určen, může odborník v oboru vyhladit kovový substrát na zrcadlovou kvalitu nebo může ukončit vyhlazování v některém bodě před získáním zrcadlové kvality.
PŘÍKLAD 2
Hliníkový substrát se pulsačního YAG laseru pomocí v organickém poj ivu pro hliníkem/chrómem silné leguje opracováním pomocí suspenze chrómového prášku vytvoření povrchové vrstvy legované přibližně 500 mikrometrů. Vrstva legovaná hliníkem/chrómem je dodatečně opracovaná stejným způsobem jako ocelová chrómová slitina podle příkladu 1 pro získání hladkého povrchu různého stupně hladkosti až do zrcadlově třpytivého odrazivého povrchu o tloušťce mezi 100 a 150 mikrometry.
PŘÍKLAD 3
Niklový substrát je legován opracováním pomocí CO2 laseru pomocí suspenze chromového prášku v organickém pojivu pro vytvoření povrchové vrstvy legované niklem/chrómem silné přibližně 500 mikrometrů. Vrstva slitiny nikl/chróm je následně zpracována stejným způsobem jako ocelová chrómová slitina podle příkladu 1 a hliníková chrómová slitina podle ·« ····
---- ·· ·· ··· · · ····· • · · · · · ···· • ·»·· · · · · · »·· · · • · · · · · · · ··· · ·· · ·· příkladu 2 pro získání zrcadlově lesklého povrchu majícího tloušťku mezi 150 a 250 mikrometry.
PŘÍKLAD 4
Vzorek substrátu z nerez oceli, který nebyl legován laserem, je obroben stejným způsobem jako laserem legovaná vzorek oceli podle příkladu 1. Pomocí optické profilometrie je zjištěno, že vzorek laserem legované oceli je hladší než vzorek oceli nelegované laserem.
Vzorek slitiny hliníku a chrómu který nebyl legován laserem, je obroben stejným způsobem jako vzorek hliníku legovaný laserem podle příkladu 2. Pomocí optické profilometrie je zjištěno, že vzorek laserem legovaného hliníku je hladší než vzorek hliníku nelegovaného laserem.
Vzorek slitiny niklu a chrómu který nebyl legován laserem, je obroben stejným způsobem jako vzorek hliníku legovaný laserem podle příkladu 3. Pomocí optické profilometrie je zjištěno, že vzorek laserem legovaného niklu je hladší než vzorek hliníku nelegovaného laserem.
Jak je odborníkovi v oboru zřejmé ve světle předcházejícícho popisu, při provádění tohoto vynálezu jsou možné četné modifikace, změny a záměny bez opuštění jeho myšlenky nebo rozsahu.

Claims (32)

1. Způsob vytvářeni slitiny v povrchu kovového substrátu zahrnující kroky aplikace prekurzoru legovacího materiálu řízenou rychlostí na povrch a tavení povrchu a prekurzoru legovacího materiálu aplikací laserového paprsku, vytváření slitiny prekurzoru legovacího materiálu a substrátu, měření jednoho nebo více parametrů indikujících hloubku legování nebo chemismus, řízení rychlosti aplikace prekurzoru legovacího materiálu a aplikace laserového paprsku v odpověď na alespoň jedno z uvedených měření, a ponechání slitiny ztuhnout.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že prekurzorem legovacího materiálu je chróm.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že prekurzorem legovacího materiálu je CrO3.
4. Kovová součást mající laserem legovaný povrch, který je vyhlazen, přičemž vyhlazený povrch je v podstatě prostý nehladkých oblastí.
5. Kovová součást podle nároku 4, vyznačující se tím, že vyhlazený povrch je rovinný.
6. Kovová součást podle nároku 4, vyznačující se tím, že vyhlazený povrch je zrcadlový.
7. Kovová součást podle nároku 4 vyznačující se tím, že povrch kovové součásti má konvexní a/nebo konkávní • · · · · · · • · « · · · · plochu.
8. Kovová součást podle nároku 4, vyznačující se tím, že povrch je tak hladký nebo hladší než vyhlazený povrch srovnatelného legovaného materiálu legovaného jinak než opracováním pomocí laseru.
9. Kovová součást podle nároku 4, vyznačující se tím, že substrát je vybrán ze skupiny zahrnující železo, ocel, nikl a hliník a jejich slitiny.
10. Kovová součást podle nároku 7, vyznačující se tím, že kovový substrát je legován chrómem.
11. Kovová součást podle nároku 10, vyznačující se tím, že navíc kromě chrómu tvoří slitinu s kovovým substrátem j eden nebo více prvků vybraných ze skupiny zahrnuj ící uhlík, mangan, hliník, nikl, molybden a křemík. 12 . Kovová součást podle nároku 4, vyznačující se
tím, že povrch kovového substrátu je vyhlazen pomocí mechanických prostředků.
13. Kovová součást podle nároku 12, vyznačující se tím, že obrábění je vybráno ze skupiny zahrnující obrábění, broušení, pískování, honování, frézování, leštění, vrtání a hlazení.
14. Způsob získání součásti legované laserem, povrchu odstraněním části povrchu, který je hladší než hladkého povrchu na kovové zahrnující vyhlazení legovaného tloušťky slitiny pro získání před vyhlazováním.
15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že vyhlazování se provádí jedním nebo více mechanickými způsoby.
16. Způsob podle nároku 15 vyznačující se tím, že jeden nebo více mechanické způsoby jsou vybrány ze skupiny zahrnující obrábění, broušení, pískování, honování, frézování, leštění, vrtání, a hlazení.
17. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že kov je vybrán ze skupiny zahrnující železo, ocel, nikl a hliník nebo jejich slitiny.
18. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že kovová součást je legována chrómem.
19. VYPUŠTĚN
20. Způsob řízení vytváření slitiny v povrchové oblasti kovové zpracovávané součásti do předem stanovené hloubky, zahrnuj ící:
a) aplikování pojivá obsahujícího prekurzor legování na povrch kovové zpracovávané součásti,
b) ozařování povrchu zpracovávané součásti a prekurzoru legování pomocí laserového paprsku emitovaného z laserového přiváděcího systému v dostatečném výkonu a po dostatečnou dobu trvání pro roztavení povrchu zpracovávané součásti a prekurzoru během pohybu zpracovávané součásti a prekurzoru relativně vzhledem k laserovému paprsku pomocí pohybového systému,
c) měření teploty zpracovávané součásti během ozařování, a
d) řízení výkonu laserového paprsku v odezvě na měření teploty pro řízení hloubky legování zpracovávané součásti.
• · · · • · • · · · · · ···· • · · ·· · ···· • ······ · · · ···· · • · ··· ··· «·· · ·· · ·· ··
21. Způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že výkon laserového paprsku se řídí měněním cyklu pulsu laseru.
22. Způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že dále obsahuje krok aplikace reakčního plynu do ozařované oblasti zpracovávané součásti.
23. Způsob řízení vytváření slitiny v povrchové oblasti kovové zpracovávané součásti do předem stanovené hloubky, zahrnující:
a) aplikování pojivá obsahujícího prekurzor legování na povrch kovové zpracovávané součásti,
b) ozařování povrchu zpracovávané součásti a prekurzoru legování pomocí laserového paprsku z přiváděcího systému laseru během pohybu zpracovávané součásti a prekurzoru relativně vzhledem k laserovému paprsku pomocí pohybového systému, a
c) měření dat emisního spektra rozhraní laser/povrch,
d) přenášení dat emisního spektra do zpětnovazebního řídícího systému, a
e) použití zpětnovazebního řídícího systému pro řízení výkonu laserového paprsku v odezvě na měření teploty pro řízení hloubky legování zpracovávané součásti.
25. Způsob podle nároku 24, vyznačující se tím, že uvedené nastavování se provádí pomocí zpětnovazebního řídícího systému obsahujícího regulátor připojený pro vstupy z uvedeného pohybového systému a z uvedeného přiváděcího systému laseru.
26. Způsob podle nároku 24, vyznačující se tím, že uvedený pohybový systém přijímá obrazová data udávající polohu laserového paprsku vzhledem ke zpracovávané součásti.
• · • · · · • · • · · ♦
27. Způsob podle nároku 24, vyznačující se tím, že uvedený regulátor přijímá akustické signály udávající fyzikální dynamiku procesu legování.
28. Zařízení pro řízení hloubky laserového legování kovové zpracovávané součásti, která se pohybuje vzhledem k laserovému paprsku, zahrnující:
a) přiváděči systém laserového paprsku, schopný přivádění pulsů laserového paprsku o požadované frekvenci a hustotě výkonu v odezvě na signál řízení paprsku,
b) pohybový systém schopný zajišťovat vzájemný pohyb laserového paprsku emitovaného z uvedeného přiváděcího systému laserového paprsku a zpracovávané součásti uvedeným paprskem ozařované, přičemž uvedený pohyb se provádí požadovanou rychlostí a po požadovaných přírůstcích vzdálenosti v odezvě na signál řízení pohybu,
c) systém pro aplikaci prekurzoru schopný aplikovat prekurzor v požadovaném množství a tloušťce na povrch pohybující se zpracovávané součásti,
d) řídící systém schopný přijímat vstupní signály udávající jeden nebo více měřených parametrů procesu, zpracovávat uvedené signály, přenášet signál řízení paprsku do uvedeného přiváděcího systému paprsku, a přenášet signál řízení pohybu do uvedeného pohybového systému, pro řízení hloubky legování laserem zpracovávané součásti, která je pohybovým systémem pohybována vzhledem k laserovému paprsku přiváděnému přiváděcím systémem paprsku, a
e) alespoň jeden převodník teploty umístěný pro měření povrchové teploty zpracovávané součásti ozařované laserovým paprskem přiváděným uvedeným přiváděcím systémem paprsku, přičemž uvedený převodník je připojen k uvedenému řídícímu systému pro přenos vstupního signálu udávajícího teplotu • · · · · · ···· • · · ·· · · · · · • ······ · · · ···· · • · · · · ···
povrchu do řídícího systému. 29 . Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že převodník teploty je provádění pyrometrického měření teploty. 30 . Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, •v ze
dále obsahuje zobrazovací videozařízení umístěné pro provádění videozobrazení oblasti, kde je zpracovávaná součást ozařována laserovým paprskem, přičemž uvedené zobrazovací videozařízení je připojeno k uvedenému řídícímu systému tak, že data videozobrazení mohou být přenášena do řídícího systému.
31. Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že dále obsahuje zařízení pro měření emisního spektra, emitovaného plazmou vytvářenou v povrchu zpracovávané součásti ozařované laserovým paprskem, přičemž uvedené měřící zařízení je připojeno k uvedenému řídícímu systému tak, že emisní spektra mohou být přenášena k uvedenému řídícímu systému.
32. Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že uvedený přiváděči systém paprsku obsahuje infračervený detektor schopný měření fluktuací výkonu laseru a přenášení signálu udávajícího výkon laseru do uvedeného řídícího systému.
33. Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že uvedený systém pro aplikaci prekurzoru je schopen aplikovat prekurzor v požadovaném množství v odezvě na signál řízení aplikace, přičemž uvedený kontrolní systém je schopen přenášet signál řízení aplikace do uvedeného systému pro • · · · • · · · · · aplikaci .
34. Zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že dále obsahuje systém pro přivádění plynu umístěný pro přivádění plynu do oblasti ozařování zpracovávané součásti laserovým paprskem z uvedeného přiváděcího systému paprsku.
35. Zařízení podle nároku 34, vyznačující se tím, že uvedený systém pro přivádění plynu je schopen přivádět plyn v řízeném množství v odezvě na signál řízení plynu, přičemž uvedený řídící systém je schopen přenášet signál řízení plynu do systému pro přivádění plynu.
36. Zařízení podle nároku 34, vyznačující se tím, že plyn přiváděný systémem pro přivádění plynu je redukční plyn.
37. Zařízení podle nároku 34, vyznačující se tím, že plyn přiváděný systémem pro přivádění plynu je ochranný plyn.
CZ982153A 1996-01-15 1997-01-15 Zlepšování povrchů pomocí laseru CZ215398A3 (cs)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US58755396A 1996-01-15 1996-01-15
US67928296A 1996-07-12 1996-07-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ215398A3 true CZ215398A3 (cs) 1999-01-13

Family

ID=27080072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ982153A CZ215398A3 (cs) 1996-01-15 1997-01-15 Zlepšování povrchů pomocí laseru

Country Status (12)

Country Link
EP (1) EP0956378B1 (cs)
JP (1) JP2001527601A (cs)
KR (1) KR100319962B1 (cs)
CN (1) CN1087353C (cs)
AU (1) AU735712B2 (cs)
BR (1) BR9706988A (cs)
CA (1) CA2241316A1 (cs)
CZ (1) CZ215398A3 (cs)
DE (1) DE69720531T2 (cs)
EA (1) EA001503B1 (cs)
IL (1) IL124985A (cs)
WO (1) WO1997026388A2 (cs)

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59710348D1 (de) 1997-11-06 2003-07-31 Sulzer Markets & Technology Ag Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schicht auf einem metallischen Grundwerkstoff
WO2000023718A1 (de) * 1998-10-21 2000-04-27 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur beschichtung der lauffläche eines lagerbauteils und lagerbauteil
DE10124250C2 (de) * 2001-05-18 2003-03-27 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht
US7906746B2 (en) * 2005-11-30 2011-03-15 General Electric Company Laser shock peening system with time-of-flight monitoring
DE102005059544A1 (de) * 2005-12-13 2007-06-14 Ecka Granulate Gmbh & Co. Kg Sn-haltige hochbelastbare Materialzusammensetzung; Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Beschichtung und deren Verwendung
JP2007169754A (ja) * 2005-12-26 2007-07-05 Muneharu Kutsuna 表面処理方法、レーザ吸収粉体層シート及びレーザピーニング用粉体スプレー
JP4058448B2 (ja) * 2005-12-26 2008-03-12 宗春 沓名 レーザピーニング処理方法及びレーザ吸収粉体層シート
US7458358B2 (en) * 2006-05-10 2008-12-02 Federal Mogul World Wide, Inc. Thermal oxidation protective surface for steel pistons
JP5101838B2 (ja) * 2006-05-16 2012-12-19 ヤンマー株式会社 金属部材の表面硬化方法
KR20090112657A (ko) * 2007-01-26 2009-10-28 가부시키가이샤 엘티티 바이오파마 금속의 표면 처리 방법
DE102007012845A1 (de) * 2007-03-17 2008-09-18 Ks Kolbenschmidt Gmbh Erzeugung eines partiellen Faserverbundgefüges in einem Bauteil über eine Laserumschmelzbehandlung
DE102007026265B4 (de) * 2007-06-05 2014-04-10 Gerhard Präzisionspresstechnik GmbH Kohlebürste
FR2921284B1 (fr) * 2007-09-26 2009-12-11 Snecma Procede de recuperation d'elements de turbomachine
JP5230312B2 (ja) * 2008-09-09 2013-07-10 富士重工業株式会社 プラズマ衝撃波を用いたコーティング方法
JP5258611B2 (ja) * 2009-02-10 2013-08-07 三菱電機株式会社 鉄系材料
EP2239351B1 (en) * 2009-04-09 2013-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Introduction of at least one of the elements of hafnium, lanthanum and yttrium into a superalloy component
WO2011159676A2 (en) * 2010-06-14 2011-12-22 The Regents Of The University Of Michigan In-situ identification and control of microstructures produced by phase transformation of a material
DE102011000984A1 (de) * 2011-03-01 2012-09-06 Rasselstein Gmbh Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband
US20130140286A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-06 Herbert Chidsey Roberts, III Systems and methods for internal cavity formation using laser manipulation
CN103900999B (zh) * 2014-03-25 2016-06-22 钢研纳克检测技术有限公司 激光诱导光谱测量钢件渗碳层的分析方法
KR101694324B1 (ko) * 2015-12-18 2017-01-10 한국생산기술연구원 전자빔을 이용한 표면 열처리 방법
KR20170076847A (ko) * 2015-12-24 2017-07-05 주식회사 포스코 강판의 표면처리 장치 및 표면처리 방법
CN105665709B (zh) * 2016-01-22 2018-11-13 吉林大学 一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法
RU2619543C1 (ru) * 2016-05-13 2017-05-16 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий
GB201609086D0 (en) * 2016-05-20 2016-07-06 Spi Lasers Uk Ltd Method for creating a mark with a desired colour on an article
JP6965794B2 (ja) * 2018-03-07 2021-11-10 トヨタ紡織株式会社 局所強化部品の製造方法、及び局所強化部品
WO2019208270A1 (ja) 2018-04-27 2019-10-31 株式会社Ihi 補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置
RU2691154C1 (ru) * 2018-11-08 2019-06-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Способ формирования коррозионно-устойчивого слоя на поверхности магниевых деформируемых сплавов
RU2726233C1 (ru) * 2019-04-05 2020-07-10 Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Объединение "Упрочнение Твердых Сплавов" Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения
CN110029344B (zh) * 2019-04-24 2022-05-10 成都航空职业技术学院 一种激光熔注强化7075铝合金表面的方法
CN110396617B (zh) * 2019-08-23 2021-02-26 深圳市华乐珠宝首饰有限公司 一种白色金合金及其制备方法
CN112226816B (zh) * 2020-09-25 2022-04-19 北京科技大学 两步高通量法外延生长第二代镍基单晶高温合金的方法
KR102350326B1 (ko) 2020-11-24 2022-01-12 한국원자력연구원 금속 코팅 방법 및 이에 의해 형성된 코팅층을 포함하는 금속 부재
ES2922764B2 (es) * 2021-03-05 2023-02-22 Univ Vigo Metodo para el guiado controlado de la corrosion sobre un material o pieza a tratar mediante un haz laser
DE102021004220B4 (de) 2021-08-12 2023-12-14 Hochschule Mittweida (FH), Körperschaft des öffentlichen Rechts Verwendung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers und Verfahren zur oberflächlichen Ausbildung einer Legierung und/oder eines Gemenges und/oder einer Dotierung
KR20250016966A (ko) 2023-07-26 2025-02-04 (주)로파 Tpu 접착을 위한 금형 레이저 표면처리 장치
EP4578576A1 (en) * 2023-12-29 2025-07-02 Fundación Azterlan Method for preparing a stainless steel additive coating

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4015100A (en) * 1974-01-07 1977-03-29 Avco Everett Research Laboratory, Inc. Surface modification
US4157923A (en) * 1976-09-13 1979-06-12 Ford Motor Company Surface alloying and heat treating processes
US4212900A (en) * 1978-08-14 1980-07-15 Serlin Richard A Surface alloying method and apparatus using high energy beam
US4750947A (en) * 1985-02-01 1988-06-14 Nippon Steel Corporation Method for surface-alloying metal with a high-density energy beam and an alloy metal
JPS6233720A (ja) * 1985-08-08 1987-02-13 Toyota Motor Corp 再溶融チルカムシヤフトの製造方法
JPS6483676A (en) * 1987-09-28 1989-03-29 Toyota Motor Corp Wear resistant al alloy member
SU1557193A1 (ru) * 1988-07-13 1990-04-15 Московский Автомобильно-Дорожный Институт Способ лазерного легировани поверхности металла
US5130172A (en) * 1988-10-21 1992-07-14 The Regents Of The University Of California Low temperature organometallic deposition of metals
JPH03115587A (ja) * 1989-09-27 1991-05-16 Mazda Motor Corp 再溶融カムシャフトの製造方法
JP2907888B2 (ja) * 1989-09-27 1999-06-21 マツダ株式会社 再溶融カムシャフトの製造方法
GB2246733A (en) * 1990-08-09 1992-02-12 Cmb Foodcan Plc Apparatus and method for monitoring laser material processing
US5446258A (en) * 1991-04-12 1995-08-29 Mli Lasers Process for remelting metal surfaces using a laser

Also Published As

Publication number Publication date
EP0956378A4 (cs) 1999-11-17
WO1997026388A3 (en) 1998-10-01
JP2001527601A (ja) 2001-12-25
EA199800640A1 (ru) 1998-12-24
EP0956378B1 (en) 2003-04-02
EA001503B1 (ru) 2001-04-23
DE69720531T2 (de) 2004-01-08
CA2241316A1 (en) 1997-07-24
CN1218517A (zh) 1999-06-02
WO1997026388A2 (en) 1997-07-24
AU2243497A (en) 1997-08-11
IL124985A (en) 2001-10-31
HK1020586A1 (en) 2000-05-12
BR9706988A (pt) 2000-03-08
AU735712B2 (en) 2001-07-12
KR100319962B1 (ko) 2002-02-19
EP0956378A1 (en) 1999-11-17
DE69720531D1 (de) 2003-05-08
CN1087353C (zh) 2002-07-10
KR19990077250A (ko) 1999-10-25
IL124985A0 (en) 1999-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CZ215398A3 (cs) Zlepšování povrchů pomocí laseru
US5985056A (en) Method for laser induced improvement of surfaces
Davim Laser in manufacturing
CN109759711B (zh) 一种激光抛光方法
TW202216306A (zh) 用於表面處理之方法
JP2019076915A (ja) 表面処理方法
Rauch et al. A comparison of post-processing techniques for Additive Manufacturing components
Barton et al. Residual stress generation in laser-assisted cold spray deposition of oxide dispersion strengthened Fe91Ni8Zr1
KR20190124913A (ko) 레이저 블라스팅을 이용하는 수상 구조물의 제작 방법, 이에 의해 제작되는 수상 구조물 및 레이저 블라스팅 디바이스
Yilbas et al. Laser gas assisted nitriding and characterization of tungsten surface
JPH0192381A (ja) マイクロ溶着
JP7551247B2 (ja) 下地処理装置
Pinkerton et al. The behaviour of water-and gas-atomised tool steel powders in coaxial laser freeform fabrication
Thakur et al. Laser polishing of wire arc additive manufactured SS316L
Rebollo et al. Zero programming robotics in additive manufacturing repairs
Chkalov et al. Laser powder cladding complex: principles of advanced automated control
Ermilova et al. Formation of a Nickel Alloy Powder Coating on Thin-Walled Tubes by High-Speed Laser Cladding
John et al. A Systematic Review of Laser Surfacing, Resurfacing, and Cutting
RU2820294C1 (ru) Способ роботизированной лазерной наплавки для изделий из штамповой стали
Wang et al. Effects of Mass Energy and Line Mass on Clad Characteristics in the Laser Cladding Process.
JP7383776B1 (ja) 防食下地処理方法及び防食下地処理済鋼材
PRZESTACKI et al. Laser beam assisted machining of metal matrix composites reinforced by SiC particles
Maheshwari et al. Laser-based post-processing for additive technologies manufactured parts
Kishore et al. Laser-based manufacturing processes: A comprehensive review
Boruah et al. Understanding the Effect of Substrate Preheating Temperature and Track Spacing on Laser Assisted Cold Spraying of Ti6Al4V. Metals 2023, 13, 1640

Legal Events

Date Code Title Description
PD00 Pending as of 2000-06-30 in czech republic