CZ286028B6

CZ286028B6 - Způsob zušlechtění obrobku při použití laserového záření

Info

Publication number: CZ286028B6
Application number: CZ942478A
Authority: CZ
Inventors: Karl Niederberger; Barbara Schiffer; Jürgen SCHOLZ
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1999-12-15
Also published as: EP0647497A3; EP0647497A2; DE4334409A1; ATE154535T1; EP0647497B1; DE59403173D1; CZ247894A3

Abstract

Podle způsobu zušlechťování obrobku při použití laserového záření, kde se jako zušlechťovací prvek použije v podstatě uhlík, se spaluje organický hořlavý plyn nebo směs plynů, ukládáním částeček uhlíku vyvíjených při spalování se na povrchu obrobku vytváří zušlechťovací vrstva a uhlík se alespoň částečně vnáší do taveniny vytvářené laserovým paprskem a tím je obrobek zušlechťován na místech opatřených vrstvou a ozářených laserem. Spalovací plamen hořlavého plynu nebo směsi hořlavých plynů se na povrch určený k povlečení směruje hořákem. Jako organický hořlavý plyn se s výhodou použije acetylén. Směs hořlavých plynů kromě organického hořlavého plynu s výhodou obsahuje plyn obsahující kyslík, jako vzduch, vzduch obohacený kyslíkem nebo čistý kyslík. ŕ

Description

Způsob zušlechťování obrobku při použití laserového záření

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zušlechťování obrobku při použití laserového záření, přičemž se jako zušlechťovací prvek použije v podstatě uhlík.

Dosavadní stav techniky

Při zušlechťování laserovým zářením s uhlíkem jako zušlechťovacím prvkem jsou dosud známé dvě možnosti, jak může být uhlík vnesen do taveniny vytvářené laserovým paprskem. Obrobek se před obrobením laserovým paprskem povleče grafitem nebo se uhlík přivádí do taveniny ve formě plynu.

Grafitový povlak se nanáší ponejvíce ručně grafitovými rozprašovači nebo nanesením kapalin obsahujících grafit na povrch obrobku. Známé povlaky však mají nevýhody. Při nastříkaných nebo natíraných grafitových povlacích lze docílit rovnoměrné tloušťky vrstev pouze s velmi vysokými náklady. Nanášení grafitových povlaků lze jen velmi obtížně automatizovat. Kromě toho obsahují postřik i kapalina kromě grafitu také metalurgicky nežádoucí doprovodné látky, například přísady zvyšující přilnavost, které nevýhodně ovlivňují výsledek obrábění. Rozpouštědla, obsažená v postřiku i v kapalině, způsobují kromě toho znečistění životního prostředí. Dále je nevýhodná velká vzdálenost neozářených povlaků při nástřiku, což je ve svém důsledku velmi nákladné. V průmyslovém využití se tudíž povlékání grafitem pro zušlechťování laserovým paprskem nemohlo prosadit.

Zušlechťování laserovým paprskem z plynové fáze vyžaduje nákladné vedení plynu. Množství uhlíku, které je možné tímto způsobem nanášet, je poměrně nepatrné. Při zušlechťování laserovým paprskem vznikají problémy vlivem znečistění plynu vzduchem vnikajícím do paprsku plynu. Další nevýhoda přivádění uhlíku z plynové fáze spočívá v tom, že uhlík musí být použit nikoliv v čisté formě, nýbrž jako CO₂, C₂H4 nebo podobné organické plyny. Vodík a kyslík v takových množstvích však mohou negativně ovlivnit jakost zušlechtění.

Výše uvedené způsoby jsou například známé z publikací - Laser Treatment of Materials, D. Můller, H. W. Bergmann, T. Endres a T. Heider, str. 293-298, vydal B. L. Mordike, DGM Informationsgesellschaft. Verlag a - Strahlwerkzeug Laser, Helmut Hůgel, str. 320-326, vydal B. G. Teubner Stuttgart 1992.

Úkolem vynálezu je vytvořit způsob výše popsaného typu, přičemž při nanášení uhlíkového povlaku by byla zajištěna rovnoměrná vrstva povlaku a tím i rovnoměrné zušlechtění při současném odstranění popsaných nevýhod způsobů podle dosavadního stavu techniky. Zejména při tom mají být nežádoucí složky drženy vzdálené od povrchu obrobku.

Podstata vynálezu

Vynález řeší tento úkol vytvořením způsobu zušlechťování obrobku při použití laserového záření, přičemž se jako zušlechťovací prvek použije v podstatě uhlík, jehož podstata spočívá vtom, že se spaluje organický hořlavý plyn nebo směs plynů, ukládáním částeček uhlíku vyvíjených při spalování se na povrchu obrobku vytváří zušlechťovací vrstva a uhlík se alespoň částečně vnáší do taveniny vytvářené laserovým paprskem a tím je obrobek zušlechtěn na místech opatřených vrstvou a ozářených laserem.

- 1 CZ 286028 B6

Způsob povlékání obrobků uhlíkem podle vynálezu pro jiný účel je znám z jednoho nepříbuzného technického oboru, totiž ze sklářského průmyslu. Tak například pojednání „Gaseanwendung in der Glasindustrie“, LINDE-Berichte aus Technik und Wissenschaft, č. 65, 1990, str. 25-34, popisuje způsob povlékání forem pro výrobu dutého skla pro dosažení oddělení formy a skla bez zbytků. Nanesení uhlíkového povlaku označeného CARBOFLAM^r založené na spalování směsi acetylén/vzduch nebo acetylén/kyslík s překvapením ukázalo, že takové uhlíkové povlaky způsobují výhody zušlechťování obrobků při použití laserového záření.

Provádění způsobu podle vynálezu vede k nanesení rovnoměrné uhlíkové vrstvy na povrch obrobku určený k povlečení. Uhlíková vrstva se při tom vyrábí reprodukovatelně. Přídavné výhody vznikají tím, že po obrobení povrchu obrobku laserem uhlíková vrstva, která nebyla laserem obrobena, může být opět snadno odstraněna. Uhlíková vrstva nanesená způsobem podle vynálezu obsahuje ve srovnání s dosavadními způsoby jen velmi nepatrné nečistoty, takže na obrobku nevznikají žádné nežádoucí látkové změny povlečením pro zušlechtění laserovým paprskem. Při způsobu podle vynálezu se zušlechťovací vrstvou nanášenou plamenem je možné zejména vynechat použití rozpouštědel a přísad zlepšujících ulpívání.

Podle výhodného provedení vynálezu se spalovací plamen hořlavého plynu nebo směsi hořlavých plynů směruje na povrch určený k povlečení hořákem. Tím je možné vytvořit stálou tloušťku ukládané vrstvy uhlíku, přičemž povlékání je nezávislé na poloze a geometrii obráběného obrobku. Jako vzdálenost mezi hořákem a povrchem určeným k povlečení se osvědčila hodnota mezi 50 a 500 mm, přednostně 50 až 200 mm.

Podle dalšího výhodného provedení předloženého vynálezu se jako organický hořlavý plyn použije acetylén, případně smíchaný sjinými organickými hořlavými plyny. Částečky uhlíku vznikající při spalování organického hořlavého plynu obsahují kromě uhlíku 1 až 3 % hmotnostních vodíku. Vrstvy uhlíku získané spalováním acetylénu se vyznačují velmi vysokou čistotou. Sestávají zvíce než 99 % hmotnostních čistého uhlíku. Střední velikost částeček je asi 40 až 50 nm, přičemž rozsah velikosti částeček je od 5 do 250 nm. Částečky uhlíku, vyvíjené při spalování organického hořlavého plynu, sestávají z velkého počtu malých krystalů velikosti 2 až 3 nm. Tyto malé krystaly sestávají z řady grafitových vrstev, zpravidla 3 až 5 vrstev, které potom tvoří přibližně kulový tvar částečky.

Uhlíková vrstva je nanášena plamenem, ve kterém se uhlíkové částečky vytvářejí, přímo na povrch obrobku určený k povlečení. Plamen má při tom hořet ztuha, avšak nikoliv turbulentně, protože při turbulentních plamenech je vtahován okolní vzduch, což negativně ovlivňuje vytváření uhlíkových částeček. Vrstvy jsou navzájem rovnoběžné. Každá může obsahovat 30 vrstev uspořádaných v grafitové struktuře. Na rozdíl od grafitu jsou tyto vrstvy navzájem nepravidelně posunuty. Také mřížkové konstanty uhlíkových krystalů vznikajících při způsobu podle vynálezu se liší od mřížkových konstant čistého grafitu.

Uhlíkové částečky vytvářené v čistém plameni acetylénu jsou černohnědé. Tím vzniká vysoká pohltivost pro laserové záření. Použitím směsi hořlavých plynů místo čistého organického hořlavého plynu může být ovlivněna schopnost ulpívání a také barva uhlíkové vrstvy. Při tom může být použita směs hořlavých plynů, která kromě organického hořlavého plynu ještě obsahuje některý plyn obsahující kyslík, jako je vzduch, vzduch obohacený kyslíkem nebo čistý kyslík. Směs hořlavých plynů, sestávající z acetylénu a kyslíku, vytváří hluboce černou a dobře ulpívající uhlíkovou vrstvu. Podle výhodného provedení vynálezu má směs hořlavých plynů podíl kyslíku 1 až 5 % molámích. Při použití směsi hořlavých plynů z acetylénu a vzduchu vzniká tmavošedá a dobře ulpívající uhlíková vrstva. Při pokusech se osvědčila směs hořlavých plynů obsahujících od 5 do 10 % objemových vzduchu. Při tom je výhodně použit hořák s obalovým proudem, u kterého je acetylénový plamen obklopen pláštěm proudu vzduchu a tímto proudem vzduchu podporován.

-2CZ 286028 B6

Povlékání povrchu obrobku určeného k obrobení způsobem podle vynálezu může být prostorově i časově odděleno od zušlechťování laserovým paprskem v odděleném pracovním kroku nebo bezprostředně před obráběním laserem ve sloučeném pracovním kroku. V posledním případě je možné využít skutečnosti, že zařízení s laserovým paprskem pro obrábění laserem je řízeno číslicovým počítačem. Podle výhodného provedení vynálezu je tudíž možné svázat řízení hořáku s ovládáním zařízení s laserovým paprskem, přičemž číslicový počítač také převezme řízení hořáku pro povlékání uhlíkem.

Podle výhodného rozvedení vynálezu se použije hořák přizpůsobený obrysu obrobku. Při tom se zejména mění tvar otvoru hořáku, například kruhový, eliptický nebo drážkový tvar. Tím se zajistí rovnoměrné a úplné povlečení povrchů obrobků určených pro obrobení laserem.

Použitím krytů a masek může být dosaženo povlečení libovolného geometrického tvaru na povrchu obrobku. Tím je možné dosáhnout, že budou uhlíkem povlečeny pouze ty plochy, které se následně budou obrábět laserem. Protože není na plochy, které nebudou následně obrobeny laserem, nanesen žádný uhlík, může odpadnout dodatečné obrábění obrobku, při kterém by se povrch obrobku po obrábění laserem očisťoval od uhlíkového povlaku.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je znázorněn na výkresech, kde obr. 1 je zjednodušené schéma příkladu provedení s povlékáním povrchu obrobku podle vynálezu s bezprostředně následujícím zušlechťováním laserovým paprskem a obr. 2 je zjednodušené schéma pro sloučení příkladu provedení povlékání z obr. 1 v zařízení pro obrábění laserem. Shodné konstrukční prvky jsou v obr. 1 a obr. 2 označeny stejnými vztahovými značkami.

Příklad provedení vynálezu

V obr. 1 je znázorněn obrobek 1, jehož povrch má být podroben zušlechťování uhlíkem. Hořákem 3 se přivádí acetylén 2 jako hořlavý plyn. Současně se do hořáku 3 jako plyn 4 obsahující kyslík přivádí kyslík nebo vzduch. Takto vytvářená směs hořlavých plynů se spaluje v plameni 5, přičemž se vyvíjejí částečky uhlíku. Tyto částečky uhlíku se přenášejí plamenem 5 na povrch obrobku 1 a vytvářejí na něm zušlechťovací povlak 6. Zaostřený nebo rozostřený laserový paprsek 7 dopadá na zušlechťovací povlak 6, kde je největší část jeho energie pohlcena. Tím je obrobek 1 v ozářené oblasti roztaven. Toto obrobení dává po ochlazení a zpevnění zušlechtěný kovový obrobek. Protože se obrobek pohybuje při nastavené rychlosti posuvu ve směru šipky, vzniká prostřednictvím povlečení a následného ozáření laserem obrobená a zušlechtěná plocha 8.

Obr. 2 znázorňuje sloučení povlékání podle vynálezu s přímo navazujícím obráběním laserovým paprskem z obr. 1 se společně ovládaným řízením celého zařízení. Z laseru 9 je laserové záření 7 vrháno přes zjednodušeně znázorněné vedení 10 paprsku na povlečený povrch 6 obrobku. Laser 9 je při tom účinně spřažen s řízením 11, které, jak je znázorněno vztažnými šipkami, spolupůsobí s obráběcím zařízením 12 a s řízením 13 hořáku. Řízení 13 je přímo spojeno s hořákem 3.

Pokud by bylo žádoucí či nutné, aby ve příkladném sloučení hořáku s obráběcím zařízením podle obr. 2 plamen 5 nevyvíjel a neukládal uhlíkové částečky na povrch obrobku plynule, je možné ovládat hořák 3 v přetržitém sledu. V jednotlivých pauzách přetržitého sledu, čili tehdy, kdy je vytváření uhlíkových částeček potlačeno, může být ve směsi hořlavých plynů snížen podíl hořlavého plynu 2 nebo zvýšeno množství plynu 4 obsahujícího kyslík.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zušlechťování obrobku při použití laserového záření, přičemž se jako zušlechťovací prvek použije v podstatě uhlík, vyznačující se tím, že se spaluje organický hořlavý plyn nebo směs plynů, ukládáním částeček uhlíku vyvíjených při spalování se na povrchu obrobku vytváří zušlechťovací vrstva a uhlík se alespoň částečně vnáší do taveniny vytvářené laserovým paprskem, přičemž je obrobek na místech opatřených vrstvou a ozářeným laserem zušlechtěn.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací plamen hořlavého plynu nebo směsi hořlavých plynů se na povrch určený k povlečení směruje hořákem.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že vzdálenost mezi hořákem a povrchem obrobku určeným k povlečení se nastaví na 50 až 500 mm, přednostně na 50 až 200 mm.
4. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačující se tím, že jako organický hořlavý plyn se použije acetylén a/nebo jiný organický hořlavý plyn.
5. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že směs hořlavých plynů kromě organického hořlavého plynu obsahuje plyn obsahující kyslík, jako je vzduch, vzduch obohacený kyslíkem nebo čistý kyslík.
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že směs hořlavých plynů obsahuje 1 až 5 % molámích kyslíku.
7. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že směs hořlavých plynů obsahuje 5 až 10 % objemových vzduchu.
8. Způsob podle kteréhokoli z nároků 2 až 7, vyznačující se tím, že řízení hořáku je svázáno se řízením laserového obráběcího zařízení.
9. Způsob podle kteréhokoli z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že se použije hořák přizpůsobený obrysu obrobku.
10. Způsob podle kteréhokoli z nároků 2až9, vyznačující se tím, že pomocí krytů a masek se na povrchu obrobku vytvoří povlak mající určený geometrický tvar.