PL229435B1 - Generacja plazmy wiązką impulsową lasera CO2 - Google Patents

Abstract

Generacja plazmy laserowej wiązką impulsową lasera CO2 charakteryzuje się tym, że plazmę uzyskuje się poprzez zastosowanie pojedynczych lub serii impulsów w ilości od 1 do dowolnej liczby naturalnej o długości impulsu od 2 [ms] do dowolnej liczby parzystej z zerową przerwą pomiędzy impulsami, przy średniej mocy lasera rosnącej od zera do mocy ustawionej, lub przy generacji impulsów od czasu osiągnięcia mocy średniej ustawionej, przy ogniskowaniu kołowym wiązki laserowej soczewką krótkoogniskową na powierzchni metalu lub dowolnego stopu w osłonie gazu przy czym w wyniku oddziaływania długich impulsów laserowych na materiał z zerową przerwą pomiędzy poszczególnymi impulsami powstaje obłok plazmy na początku każdego impulsu i trwa ok. 1/3 czasu trwania impulsu, a wielkość wygenerowanego obłoku plazmy jest ściśle związana z czasem trwania impulsu laserowego i wartością energii w impulsie laserowym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generacja plazmy laserowej wiązką impulsową lasera CO₂. Wygenerowana plazma może mieć zastosowanie - zarówno w aspekcie badawczym jak i przemysłowym. Dodatkowa energia w postaci obłoku plazmowego generowana równocześnie z początkiem cyklu generacji impulsu laserowego jest dodatkowym źródłem ciepła, które może być wykorzystane w przypadku kształtowania warstwy wierzchniej materiałów; może być również źródłem generacji fali udarowej, wprowadzającej naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej materiału, zwiększającej mikrotwardość jak i właściwości wytrzymałościowe.

Generacja plazmy laserowej przy pomocy krótko-impulsowych laserów (o długości impulsu rzędu [ps] i długości fali co najmniej dziesięciokrotnie mniejszej od fali generowanej przez laser molekularny CO2, jest powszechnie stosowana zarówno w technice jak i medycynie.

Powszechnie stosowany obłok wygenerowanej plazmy laserowej jest zależny w dużym stopniu od długości fali generowanej przez laser, i jest co najmniej dziesięciokrotnie mniejszy od obszaru plazmy generowanej impulsem lasera CO2.

Technologie laserowe pozwalają uzyskać właściwości trudne lub niemożliwe do otrzymania klasycznymi metodami metalurgii czy obróbki cieplnej. Efektem obróbki laserowej jest drobnokrystaliczna przesycona mikrostruktura z ewentualnymi metastabilnymi wydzieleniami charakterystycznymi dla szybkiej krystalizacji. W przypadku metali nieżelaznych może prowadzić do pojawienia się nawet niekonwencjonalnych mikrostruktur, a w przypadku stali hartujących się tworzy się drobna struktura martenzytyczna. Coraz szersze zastosowanie znajdują techniki oparte na nadtapianiu z równoczesnym wprowadzeniem dodatków stopowych, tzw. stopowanie. Technika laserowego platerowania znalazła zastosowanie przemysłowe, tak w przypadku stali, stopów aluminium, jak czystej miedzi. W ostatnich latach prowadzone są szerokie badania nad laserowym wprowadzeniem węglików i borków do stali.

Znana jest laserowa modyfikacja warstwy wierzchniej stopów żarowytrzymałych: np. na żarowytrzymałym stopie ŻS6-K (Ni-osnowa, Cr-10, Al- 5,5, Co-5, Ti-2,3, Mo-3,8, W-5,5, C-0,13) natryskiwano plazmowo stop NiAI50, i przetapiano laserem wraz z podłożem, uzyskując powłoki o grubości około 0,1 mm. Stopowanie warstwy wierzchniej zwiększa zawartość aluminium w strefie przetopu do poziomu 5-12%, co powoduje wzrost żarowytrzymałości, oraz kumulację naprężeń ściskających.

W procesach laserowej modyfikacji powierzchni uzyskuje się wysokie temperatury roztopionej warstwy, co umożliwia rozpuszczenie nawet faz stabilnych, jakimi są związki międzymetaliczne. Wynikiem szybkiej krystalizacji jest powstanie tworzywa o wysokiej zawartości składników. Stopuje się laserem stal SW7M węglikami VC i Mo2C. VC jest termodynamicznie stabilną fazą międzymetaliczną. Powszechnie w stalach szybkotnących zawartość wanadu limitowana jest do około 3% mas. Wyższe zawartości wanadu prowadzą do tworzenia się węglików w kąpieli połączonego z ich segregacją grawitacyjną. Technika laserowa pozwoliła uzyskać w ścieżce laserowej nawet do około 50% mas. V. Wzrastająca ilość fazy węglikowej VC w tworzywie znajduje odbicie we właściwościach mechanicznych. Przeprowadzone badania twardości wykazały jej monofoniczny wzrost wraz z ilością wprowadzonego dodatku.

Plazma jest wykorzystywana do otrzymywania warstw diamentowych i warstw z azotku boru na ostrzach narzędzi skrawających: pod obniżonym ciśnieniem w procesach krystalizacji z fazy gazowej aktywowanej plazmą (metoda LCVD - Laser-lnduced Chemical Vapour Deposition). Przy pomocy metody impulsowo-plazmowej, PPD (Pulse Plasma Deposition) uzyskuje się zwiększenie trwałości ostrzy narzędzi skrawających o około 600%.

W ostatnich latach ukazało się wiele prac, których autorzy donoszą o wydatnym zwiększeniu odporności kawitacyjnej po obróbce laserowej. Autorzy badali stal 45 w stanie normalizowanym i po hartowaniu przetopieniowym wiązką lasera. Obróbka laserowa spowodowała podczas działania obciążeń kawitacyjnych na powierzchni próbki powstawanie znacznie mniejszej ilości odkształceń plastycznych niż na powierzchni nie obrobionej wiązką lasera CO2. Stosując metodę badania ilości odkształceń plastycznych na erodowanej powierzchni za pomocą pomiarów refleksyjności powierzchni autorzy dochodzą do wniosku, że obróbka laserowa zwiększa odporność kawitacyjną w granicach od 30 do 40% poprzez wydłużenie okresu inkubacji.

Podobne zastosowanie miałaby generowana przy użyciu lasera CO2 plazma tylko w zakresie większych obłoków plazmy i większych energii.

PL 229 435 Β1

Jak można wnioskować ze wstępu do problematyki, prace różnych autorów określają warunki i skutki oddziaływania wiązki laserowej na materiał, jak również warunki występowania ubocznych zjawisk fizycznych w procesie naświetlania laserowego, a w szczególności warunki generacji plazmy laserowej i jej rolę w aspekcie zmian własności materiału oraz kształtowania powierzchni (ablacja laserowa).

Według wynalazku generacja plazmy laserowej wiązką impulsową lasera CO₂ charakteryzuje się tym, że plazmę uzyskuje się w wyniku oddziaływania impulsowej wiązki laserowej o średniej mocy na powierzchnię próbki wykonanej ze stali do ulepszania cieplnego, o długości impulsów od 2[ms] do 90[ms], przy zastosowaniu przerwy pomiędzy impulsami wynoszącej 0[ms], przy ogniskowaniu wiązki laserowej soczewką krótkoogniskową, na powierzchni próbki, w osłonie gazu.

W wyniku oddziaływania długich impulsów laserowych na stal do ulepszania cieplnego z zerową przerwą pomiędzy poszczególnymi impulsami, powstaje obłok plazmy (jak na rys. 1, nr zdjęcie 454) na początku każdego impulsu i trwa ok. 1/3 czasu trwania impulsu (poszczególne zdjęcia na rys 1. pokazują przebieg procesu powstawania plazmy i zanikania). Wielkość wygenerowanego obłoku plazmy jest ściśle związana z czasem trwania pojedynczego impulsu laserowego i wartością energii w impulsie laserowym.

Wygenerowanie obłoku plazmy, równoczesne z impulsem laserowym lasera CO2, w początkowej fazie impulsu, ściśle związane z długością czasu generacji impulsu i wartością energii w impulsie, daje szerokie perspektywy zastosowania tego efektu, zarówno w aspekcie kształtowania powierzchni i mikrostruktury warstwy wierzchniej stali do ulepszania cieplnego na którą oddziaływuje wiązka laserowa, jak i wykorzystania powstałej plazmy do innych aplikacji, np. do nakładania cienkich warstw materiału z postaci gazowej.

Dodatkowa energia w postaci obłoku plazmowego generowana równorzędnie z impulsem laserowym jest dodatkowym źródłem ciepła co powoduje podwyższenie gradientu temperatury pomiędzy obszarem powierzchni a rdzeniem materiału laserowanego, co zmienia kinetykę przemian fazowych, i w efekcie powoduje korzystne zmiany mikrostruktury.

Np. wykazano, że laserowe nadtapianie warstwy wierzchniej stali narzędziowej węglowej płytko hartującej się C80LJ o zawartości masowej węgla powyżej 0,80% z udziałem plazmy spowodowało uzyskanie w niektórych przetapianych obszarach twardości w przedziale 2500-3000 HV0,1 co jest wartością znacznie przekraczającą wartość twardości w przypadku konwencjonalnych metod obróbki cieplnej tego gatunku stali (ok. 1200HV0,1), oraz obróbki laserowej bez generacji plazmy (ok. 1400-1600 HV0,1).

Przykład wykonania został przedstawiony na fotografiach, na których, fig. 1 przedstawia etapy generacji plazmy w odniesieniu do jednostek czasowych - obrazy prędkości rozwoju obłoku plazmy generowanej wiązką lasera CO2 wraz z charakterystyką czasową na kolejnych zdjęciach, cyfry przy zdjęciach wskazują nr ujęcia, na fig. 2. przedstawiono powierzchnię materiału po laserowej obróbce wraz z generacją plazmy laserowej wg wynalazku, a na fig. 3. przedstawiono mikrostrukturę stali C80LJ po laserowej obróbce z efektem generacji plazmy.

Laserem molekularnym CO2 o mocy 1750W w trybie pracy impulsowej, generowano również impulsy laserowe w dużym zakresie zmienności ich długości i liczby repetycji, jak i wartości energii w impulsie. Badano zmiany makro i mikro w próbce po zakończeniu procesu. Stosowano program generacji impulsów laserowych podany poniżej:

Program

1. Wartość energii impulsu w [%] ustawionej mocy H% = 100

2. Przerwa między impulsami w [ms] AZ = 0

3. Długość impulsu w [ms] EZ = 180/2

4. Liczba impulsów 50

5. HALT

Do naświetlania próbki stosowano powyższy program. Generowano impuls na 100% ustawionej mocy, która wynosiła 700[W], o długości 180/2 ms, z przerwą pomiędzy impulsami wynoszącą 0[ms], w osłonie argonu przy bardzo małym ciśnieniu. Prędkość skanowania wiązką wynosiła 10 mm/s. Próbkę umieszczono na stoliku na podstawce metalowej o wymiarach 25x40x80 mm, pomiędzy dwoma stałymi magnesami. Przy długich impulsach, rzędu od kilkudziesięciu do stu mikrosekund, pojawiał się pulsujący świecący obłok i towarzyszące mu dudnienia. Wykonano badania spektroskopowe świecącego obłoku potwierdzające występowanie plazmy. Wykonano zdjęcia tego zjawiska szybką kamerą, i przykładowe efekty rejestracji przedstawiono na fig. 1, wraz z charakterystyką czasową (opisy chwil czasowych udokumentowane są na kolejnych zdjęciach).

PL 229 435 Β1

Zarejestrowane obrazy pokazują kolejne etapy powstawania, formowania się i rozpadu świecącego obłoku plazmy, w początkowym czasie trwania impulsu, którego długość wynosiła 90 ms, a ilość repetycji 50 razy. Zdjęcia wykonywano przy ustawieniu kamery 4500 ujęć/sek.

Materiałem naświetlanym była próbka ze stali C80U (stal do ulepszania cieplnego) w stanie po wyżarzaniu normalizującym. Obróbkę wykonano przy odległości płaszczyzny soczewki skupiającej od powierzchni naświetlanej wynoszącej 117 mm. Do skupienia wiązki o średnicy 18 mm stosowano soczewkę pokrytą selenkiem cynku o ogniskowej 3,8 cala. Promień plamki, po przeliczeniu, wynosił 1,9096 mm.. Obraz rejestrowano co 0,222 ms. Więc jak wskazuje pierwsze ujęcie na rys.1, oznaczone na zdjęciu ujęciem 453 i kolejne 454, pojawienie się uformowanej kulki zarejestrowano w 454 ujęciu kamery. Jak wynika z opisów na zamieszczonych rysunkach, czas generacji świecącego obłoczku był rzędu 2 ms, a czas rozprzestrzeniania się, aż do całkowitego wygaśnięcia, zarejestrowano w kolejnych ujęciach, i wynosił około 12 ms, co stanowi zaledwie 2,2% czasu generacji jednego impulsu. Obłok rozszerzał się, z prędkością rzędu 2,23x102 cm/s. Czas więc od momentu pojawienia się do wygaśnięcia obłoku plazmy laserowej oscylował w granicach 13-14% długości impulsu.

Kształt świecącego obłoku, jak i jego zmiany w procesie generacji, są charakterystyczne dla plazmy laserowej. Widoczne są bardzo drobne listwy martenzytu z wewnętrznymi liniami poślizgu, fragmenty nadtopionych płytek cementytu, oraz pola gęsto ułożonych dyslokacji, co wyjaśnia bardzo wysoką mikrotwardość.

Claims (1)

1. Generacja plazmy wiązką impulsową lasera CO2, znamienna tym, że plazmę uzyskuje się w wyniku oddziaływania impulsowej wiązki laserowej o średniej mocy na powierzchnię próbki wykonanej ze stali do ulepszania cieplnego, o długości impulsów od 2[ms] do 90[ms], przy zastosowaniu przerwy pomiędzy impulsami wynoszącej 0[ms], przy ogniskowaniu wiązki laserowej soczewką krótkoogniskową, na powierzchni próbki, w osłonie gazu.