PL226573B1 - Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza elementów maszyn i urządzeń, z zastosowaniem wycinania laserowego.

Cięcie laserem to rodzaj obróbki materiałów mający obecnie coraz większe zastosowanie w przemyśle. Jest to metoda termicznego dzielenia materiału, która może następować poprzez: sublimację, topienie albo wypalanie, względnie kombinację tych czynników.

W przypadku cięcia laserowego czynnikiem tnącym jest gorący promień lasera oraz gaz techniczny pod ciśnieniem. Źródła laserów stosowanych w przecinarkach można podzielić na główne grupy:

- lasery gazowe, głównie laser CO₂, który jest szeroko stosowany w przecinarkach laserowych. Długość fali wynosi ok. 10 μm. Charakteryzuje się on dużymi gabarytami oraz stosunkowo niską sprawnością energetyczną,

- lasery półprzewodnikowe - diodowe, w tym najnowsza technologia Fiber, która polega na wykorzystaniu laserów półprzewodnikowych do tworzenia wiązki lasera bezpośrednio w światłowodzie prowadzącym. Technologia ta charakteryzuje się wysoką sprawnością oraz doskonałą jakością wiązki. Długość uzyskanej fali lasera półprzewodnikowego wynosi 0,1 μm, czyli jest dziesięciokrotnie mniejsza niż lasera CO2, co daje możliwość uzyskania wyższego skupienia energii.

Do cięcia stali wysokostopowych i metali nieżelaznych stosuje się głownie cięcie laserowe za pomocą stapiania, podczas którego materiał cięty zostaje stopiony na całej grubości promieniem laserowym o dużej intensywności, a następnie wydmuchany ze szczeliny cięcia za pomocą gazu tnącego, który wypływa z dyszy z dużą energią kinetyczną.

Jako gaz tnący najczęściej stosuje się azot lub argon. Szczególną zaletą cięcia laserowego za pomocą stapiania są powierzchnie cięcia wolne od tlenków. Aby móc dobrze wydmuchać lepką ciecz, np. w przypadku cięcia stali chromowo - niklowych i uzyskać gładkie powierzchnie cięcia, stosuje się ciśnienia gazu tnącego 15-20 bar.

Laserowe cięcie metali to najnowocześniejszy i najszybszy w pełni zautomatyzowany proces obróbki różnych rodzajów stali konstrukcyjnych, stali kwasoodpornych, aluminium, brązu, mosiądzu i innych stopów. Technologia cięcia laserem umożliwia wycinanie dowolnych kształtów, otworów technologicznych, grawerowanie linii itp.

Podstawową zaletą cięcia laserowego jest produkt, który bez dodatkowych procesów technologicznych nadaje się do dalszej przeróbki, lub stanowi produkt gotowy.

Tak uzyskane elementy wymagają w wielu przypadkach poprawy trwałości ich powierzchni.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 218509 znany jest sposób wytwarzania stalowych elementów konstrukcyjnych, w którym wyjściowy materiał hartuje się ogrzewając jego powierzchnię do temperatury 700 + 850°C wiązką lasera o mocy 100 + 500 W, z prędkością 5 * 25 mm/sek, w osłonie gazu obojętnego, korzystnie argonu, po czym zwiększa się moc wiązki laserowej do 3 + 5 kW i wycina kształt elementu konstrukcyjnego.

Z kolei z polskiego opisu patentowego PL 207496 znany jest sposób napawania laserowego warstwy gradientowej, polegający na stopowaniu laserowym warstw cermetalowych na powierzchniach roboczych części z metali poprzez wstępne przygotowanie powierzchni przeznaczonej do stopowania, polegające na wykonaniu rowków, które następnie napełnia się proszkiem ceramicznym i przetapia wraz z materiałem podłoża wiązką laserową.

Inny, znany z polskiego opisu patentowego PL 405550 sposób stopowania laserowego podłoża z aluminium i stopów aluminium cząstkami ceramicznymi, polega na strumieniowym wprowadzaniu ich do jeziorka ciekłego metalu oraz zastosowaniu substancji powierzchniowo aktywnych (topika) na powierzchni stopowanego podłoża.

Z monografii naukowej p.t.: „Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich” [Leszek A. Dobrzański, Anna D. Dobrzańska-Danikiewicz, Gliwice 2011] znana jest technologia stopowania laserowego, polegająca na jednoczesnym topieniu materiału stopującego i podłoża przez wiązkę laserową, przy intensywnym mieszaniu ich w ciekłym jeziorku. W tym celu materiał stopujący nanosi się na podłoże, a następnie przetapia się go wraz z warstwą wierzchnią materiału podłoża. Po zakończeniu oddziaływania wiązki laserowej, materiał w warstwie stopowanej krzepnie. Struktura tej warstwy, jej skład chemiczny i właściwości fizykochemiczne różnią się od podłoża i od materiału stopującego. Grubość warstw uzyskanych w tym procesie stopowania wynosi 0,3-1,0 mm.

PL 226 573 B1

Dotychczas znane metody nie zaspokajają jednak potrzeby zabezpieczenia krawędzi wycinanych elementów, które są szczególnie narażone na uszkodzenia mechaniczne.

Problem ten rozwiązano w sposobie wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według wynalazku, w którym jednocześnie z procesem cięcia metalowego elementu wiązką laserową prowadzi się proces stopowania krawędzi cięcia przez wprowadzenie do szczeliny cięcia, w obszar zogniskowania wiązki laserowej, materiału stopującego w postaci proszku o wielkości ziaren od 0,5 μm do 200 μm, zawierającego pierwiastki szlachetne, stopy, węgliki lub cząstki ceramiczne.

Wprowadzan ie proszku stopującego odbywa się w strumieniu gazu procesowego, korzystnie gazów obojętnych tj. argonu, azotu lub helu, pod ciśnieniem 0,05 MPa do 0,2 MPa.

Grubość obrabianego materiału metalowego wynosi od 2 mm do 20 mm.

Sposób według wynalazku zapewnia poprawę właściwości obrabianego materiału, w szczególności zwiększa odporność na ścieranie w obrębie krawędzi cięcia, uzyskiwaną w jednej operacji technologicznej, podczas równoczesnego procesu cięcia materiału. Dzięki temu możliwe jest znaczne zmniejszenie liczby czynności oraz czasu obróbki materiałów metalowych, a tym samym kosztu wyrobu końcowego.

Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według wynalazku jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1:

Arkusz blachy mosiężnej gatunku M63 Z4 o grubości 2 mm umieszczono w wycinarce laserowej sterowanej numerycznie, wyposażonej w głowicę laserową CO2 sprzężoną z urządzeniem podającym proszek materiału stopowego.

W panelu sterowania maszyny ustawiono proces wycinania elementów o skomplikowanych kształtach, z jednoczesnym wprowadzaniem materiału stopowego do szczeliny przecięcia.

Po uruchomieniu maszyny, układ sterujący kierował jej pracą zgodnie z programem w ten sposób, że wiązka laserowa o mocy 1600 W przesuwała się nad powierzchnią blachy z prędkością 4000 mm/min. Padająca na powierzchnię blachy wiązka promieniowania laserowego nagrzewała ją powyżej temperatury topnienia. Po całkowitym przeniknięciu promienia przez obrabianą blachę nastąpił proces jej cięcia - wiązka lasera przesuwała się wzdłuż konturu wycinanego elementu i na bieżąco topiła materiał, a doprowadzany współosiowo z wiązką strumień powietrza pod ciśnieniem 0,2 MPa usuwał materiał z powstającej szczeliny przecięcia, której szerokość była rzędu średnicy plamki (ogniska) wiązki laserowej. Równocześnie do szczeliny cięcia dostarczano materiał stopowy w postaci amorficznego boru, który wpadając w obszar zogniskowania wiązki laserowej roztapiał się i mieszał z przetopionym materiałem obrabianej blachy, po czym nastąpiło zakrzepnięcie powstałego stopu.

P r z y k ł a d 2:

Arkusz blachy stalowej gatunku 40HM o grubości 5 mm umieszczono w wycinarce laserowej sterowanej numerycznie, wyposażonej w głowicę laserową półprzewodnikową typu Fiber sprzężoną z urządzeniem podającym proszek materiału stopowego.

W panelu sterowania maszyny ustawiono proces wycinania elementów o skomplikowanych kształtach, z jednoczesnym wprowadzaniem materiału stopowego do szczeliny przecięcia.

Po rozpoczęciu procesu obróbki, wiązka laserowa o mocy 3200 W przesuwała się z prędkością 3500 mm/min wzdłuż konturu wycinanego elementu. Współosiowo z wiązką doprowadzany był strumień argonu pod ciśnieniem 0,05 MPa. Jednocześnie do szczeliny przecięcia dostarczano materiał stopowy w postaci proszku węglika wolframu na osnowie kobaltu (WC-Co 88/12) o granulacji 0,5 μm do 30 μm. Uzyskano elementy konstrukcyjne których krawędzie miały podwyższoną wytrzymałość na ścieranie i twardość 1200 HV.

P r z y k ł a d 3:

Arkusz blachy stalowej gatunku PN 45 o grubości 20 mm umieszczono w wycinarce laserowej sterowanej numerycznie, wyposażonej w głowicę laserową półprzewodnikową typu Fiber sprzężoną z urządzeniem podającym proszek materiału stopowego.

W panelu sterowania maszyny ustawiono proces cięcia wzdłużnego blachy, z jednoczesnym wprowadzaniem materiału stopowego do szczeliny przecięcia.

Po rozpoczęciu procesu obróbki, wiązka laserowa o mocy 4500 W przesuwała się z prędkością 2500 mm/min wzdłuż konturu wycinanego elementu. Współosiowo z wiązką doprowadzany był strumień azotu pod ciśnieniem 0,05 MPa. Jednocześnie do szczeliny przecięcia dostarczano materiał stopowy w postaci proszku węglika wolframu (W₂C) o granulacji 100 μm do 200 μm. Uzyskano ele4

PL 226 573 B1 menty konstrukcyjne których krawędzie miały podwyższoną wytrzymałość na ścieranie i twardość 1200 HV.

Realizacja wynalazku nie jest ograniczona do wyżej opisanych przykładów wykonania. Zarówno parametry prowadzenia procesu cięcia wiązką laserową z jednoczesnym stopowaniem krawędzi cięcia, jak i rodzaj materiałów stopujących można dobierać, w zależności od użytego rodzaju i gatunku metalu i wymogów konstrukcyjnych wytwarzanych elementów.

Claims (1)

1. Zastrzeżenia patentowe

   Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, z zastosowaniem cięcia laserowego, znamienny tym, że jednocześnie z procesem cięcia metalowego elementu wiązką laserową prowadzi się proces stopowania krawędzi cięcia przez wprowadzenie do szczeliny cięcia, w obszar zogniskowania wiązki laserowej, materiału stopującego w postaci proszku o wielkości ziaren od 0,5 μm do 200 μm w strumieniu gazu procesowego pod ciśnieniem

   0,05 MPa do 0,2 MPa.

   Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wprowadzanie proszku stopującego do szczeliny cięcia odbywa się w osłonie gazów obojętnych, korzystnie argonu i/lub azotu i/lub helu. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał stopujący zawierający pierwiastki szlachetne.

   Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał stopujący zawierający stopy.

   Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał stopujący zawierający węgliki.

   Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał stopujący zawierający cząstki ceramiczne.