Az elıbbiekben tárgyalt lézeres felületedzés esetében a bevitt energia szabályozása során az a feladat, hogy a megkívánt rétegmélységben úgy érjük el az austenites, majd a gyors hőlés hatására kialakuló martensites állapotot, hogy a felület olvadását elkerüljük. A következı fejezetekben tárgyalandó felülettechnológiák ezzel szemben azt igénylik, hogy a szubsztrát felületi rétegében - vagy egy újonnan létrehozandó felülere felvitt rétegben – olvadék állapotra hevítsük fel az anyagot.
Ennek egyrészt az lehet a célja, hogy átolvasztás révén csökkenjenek a felületi rétegben a zárványok, kiválások, homogénebb és finom szemcsés, vagy akár amorf szerkezető réteg jöjjön létre. Másrészt az olvadék állapotú felületi rétegbe ötvözı adalékokat vihetünk be, vagy új minıségő felületi réteget olvasztunk a felületre. A felületötvözés lehetıségeit a hagyományos felülethıkezelési, termodiffúziós eljárások szilárd halmazállapotú hıkezeléssel valósítják meg – lézeres felületkezelés esetén a szilárd halmazállapotú ötvözés nem alkalmazható a diffúziós folyamatok jelentıs idıszükségelete és a lézeres kezelés rövid hatóideje közötti ellentmondás miatt.
Lézeres átolvasztás
Megfelelı teljesítménysőrőség alkalmazásával a szubsztrát felületi rétege a néhány tized mm-tıl az 1-2 mm vastagságig megolvad, ezáltal feloldódnak benne a nemkívánatos zárványok, fémvegyületek, kigeyenlítıdik a kémiai koncentráció. A lézersugár tovahaladása után rendkívül nagy sebességgel lehőlve a megolvadt anyag újradermed, a korábbi anyagszerkezetnél lényegesen kedvezıbb tulajdonságokat biztosítva. A hőtési sebesség növelése egyre jelentısebb túlhőtést, nagyobb kristályosodási hajtóerıt és kristályosodási képességet – azaz nagy számú, kis mérető kristályosodási csírát, majd finom szemcsés, homogén szövetszerkezetet eredményez. A hőlési sebesség növelése akár amorf állapotú felületi réteg kialakulására is vezethet. A technológiai paraméterek, az anyagminıség és a munkadarab geometriai viszonyainak függvényében sokoldalúan szabályozható tehát a felületi tulajdonságok módosítása, nemegyensúlyi folyamatok, túltelített szilárd oldatok, metastabil fázisok, amorf struktúrák hozhatók létre. Összefoglalva tehát a lézeres felületátolvasztás céljai az alábbiak lehetnek:
- szerkezetfinomító átolvasztás - a gyors hőtés hatására létrejött finom szerkezet - homogenizáló átolvasztás - a felületi réteg homogenizációja
- sőrőségnövelı átolvasztás - a felületi réteg sőrőségének növelése, porozitás csökkenése
- zománcozás vagy amorfizáció - a rendkívül nagy hőtési sebesség hatására (104- 106 °C/sec) a felületen amorf réteg, azaz üvegfém keletkezik.
Lézeres felület-ötvözés
A felületötvözés során is a szubsztrát olvadáspontját meghaladó hımérsékletet kell elérnünk, annak vékony felületi rétegébe ötvözı adalékokat juttatunk, melyek beolvadva és a szubsztrát anyagával keveredve kedvezıbb tulajdonságú, ötvözött felületi réteget alkotnak. Ilyen módon nagyon gazdaságosan, olcsó alapanyagból készített munkadarabok felületén nagyon kis mennyiségő ötvözıvel elérhetjük a felületi tulajdonságok jelentıs javítását, kopásállóságát, kifáradással vagy korrózióval szembeni ellenállását, s így a gépek, szerkezetek élettartamát fokozhatjuk. Amennyiben az adalékanyag beolvadása csak részleges, ún. diszpergálásról beszélhetünk, amelynek során tetszıleges minıségben és mennyiségben második fázisokat, nagy szilárdságot biztosító részecskéket injektálunk az olvadt felületi rétegbe. A felületen kialakított kompozit-anyagban így tetszılegesen szabályozható minıségő és eloszlású második fázisokkal a kiválásos keményedéshez hasonlatos hatás érhetı el, az oldahtósági viszonyok által nem korlátozott kombinációkban és összetételekkel.
Technikaikivitelezését tekintve az ötvözés kétféle módon mehet végbe (2.4.5.1. ábra):
• Egylépéses módszerekkel – az adalék bevitele közvetlenül a lézersugárba vagy az olvadék zónába történik, por, huzal, paszta vagy gáz formájában
• Kétlépéses módszerekkel – az ötvözıelemek felvitele vékony rétegben a felületre valamilyen módszerrel, pl.
- galvanikus bevonatolás - rágızölés
- felszórás - lemezbevonat
- pasztás bevonat (por + kötıanyag)
majd azt követıen a lézersugárral történı átolvasztás biztosítja az alapanyag megfelelı mélységő beolvadásával és az adalékokkal való keveredésével a kedvezı tulajdonságok kialakulását.
2.4.5.1. ábra: Egy- és kétlépéses ötvözés / ráolvasztás elvi vázlata
A lézeres felület-ötvözés elınyei között ki kell emelni a lehetıségek még feltáratlan, rendkívül széles körét, amelyek révén a felhasználói igényekhez szabott egyedi szerkezetek, tulajdonság-kombinációk hozhatók létre. Különbözı szubsztrát és adalék anyagok alkalmazásával, azok különbözı kombinációival
- nemegyensúlyi fázisok - túltelített szilárd oldatok
- kívánt minıségő és méret-eloszlású második fázisok vihetık be, szokásosan 0.001 - 2 mm rétegmélység tartományban.
Lézeres ráolvasztás – cladding
A lézeres felülettechnológiák csoportosítása során részletezettek szerint az olvadékállapotot elérı eljárások egy csoportja a felrakóhegesztés technológiájával mutat rokonságot, és így a bevonatoló eljárások közé tartozik. Az új réteg felvitelének célja, hogy növelje az alkatrész/alapanyag kopással, korrózióval szembeni ellenállását különbözı, az elvárt tulajdonságot biztosító anyagminıségő bevonatok alkalmazásával. Ennek következtében alapvetı érdek, hogy elkerüljük a bevonat
beoldódását az alapanyagba, illetve a bevonat anyagának felhígulását a keveredés következtében.
Ugyanakkor a megfelelı fúziós kötés kialakulásáhot nélkülözhetetlen, hogy az alapanyag vékony rétege megolvadjon. Fontos követelmény továbbá, hogy a bevonatoló anyag jól tapadjon az alapanyaghoz, alacsony mértékő legyen a porozitás és repedés-mentes legyen a bevonat.
A lézeres bevonatolás számos elınyt kínál más eljárásokhoz képest –, mint például a felrakóhegesztés, termikus szórás; – az energiaátvitel és anyagátvitel pontos szabályozhatósága miatt. Lehetıség nyílik kitőnı adhéziós kötés, alacsony mértékő keveredés és porozitás létrehozására a felvitt rétegben, s így csökken az utólagos megmunkálás és az eközben adódó anyaghulladék – következésképp költségtakarékos eljárásnak tekinthetı.
A bevonatok képzésének céljait, fıbb jellemzıit a 2.4.5.1. táblázat összegzi.
A beolvadás és keveredés mértékét a technológiai paraméterek pontos összehangolásával lehet biztosítani:
- sugár intenzitás, sugárfolt mérete - hatóidı
- por adagolási sebessége
- por mérete, pasztánál a kötıanyag minısége és mennyisége
- por adagolás szöge - hegyesszög esetén porozitást okozhat a nem megfelelı átfedés
- nyomvonalak távolsága, geometriája.
2.4.5.1. táblázat
Eljárás Robbantásos hegesztés Hengerlés Fémszórás PVD CVD Tőzzománcozás Mőanyagbevonatok Festés Ragasztás Galvanikus bevonatok Felrakóhegesztés Lézeres felületbevonás
Mérethelyreállítás Kopásállóság növelése Korrózióvédelem
A bevonat célja
Esztétikai
Polimerek
Kerámiák
Egyéb villamosan nem vezetı
fémek és ötvözeteik
Egyéb, villamosan vezetı fémek
és ötvözeteik
A bevonat anyaga
Acél és ötvözetei
Polimerek
Kerámiák
Egyéb villamosan nem vezetı
fémek és ötvözeteik
Egyéb, villamosan vezetı fémek
és ötvözeteik
Felhasználható alapanyagok
Acél és ötvözetei
Az eljárás paramétereit tehát úgy kell megválasztani, hogy a bevonat anyaga adhéziós kötést alakítson ki az alapanyaggal, s emellett a keveredés olyan mértékő legyen, hogy ne romoljanak a bevonó anyag tulajdonságai. Ha a felületen lévı nyom magassága h, a teljes vastagság h+d, akkor a hígulás mértéke a d/ (h+d) arányszámmal jellemezhetjük (Hiba! A hivatkozási forrás nem található.). A felkeveredés mértékét jellemezhetjük az A1/(A1+A2) területaránnyal is, ahol A1 a felvitt réteg keresztmetszeti területe, míg az A2 terület az alapanyaggal való összeolvadással létrejött terület.
2.4.5.2. ábra: A bevonat keresztmetszetének geometriai jellemzıi
A lézeres bevonatolási eljárásokat technológiai kivitelezésük alapján – a lézeres felületötvözéshez hasonlóan - két fı csoportba sorolhatjuk. Az egylépéses eljárás során a szükséges bevonatoló anyagot por, paszta vagy huzal formájában közvetlenül a megolvadt fürdıbe juttatják a folyamat során, amely ott megolvad és kialakítja a bevonatot. A kétlépéses eljárás során a bevonat anyagát megfelelı vastagságban elızetesen felhelyezik a felületre a lézeres kezelést megelızıen. Ez esetben az elızetes anyag-felvitelre különféle egyéb bevonatoló technológiát alkalmazhatnak (pl. termikus szórással, galvanikus bevonatképzéssel), vagy egyszerően ráhelyezik a felületre, pl.
ragasztóanyaggal kevert por, paszta alakjában. A ráolvasztás során a felvitt réteg homogenizálódik, tömörödik, porozitása csökken, a szubsztrát és a felületi réteg kötıszilárdsága nı.
A felület teljes befedéséhez az egyes nyomvonalak között átfedésnek kell lennie. Figyelembe kell venni viszont azt, hogy az új nyomvonal lerakáskor az elızı nyom és az alapanyag vékony felületi rétege megolvad, ami kulcsfontosságú a hibamentes és jól tapadó bevonat kialakulásában. A bevonatolást követı utómunkák csökkentése céljából törekedni kell a felületi érdesség minimalizálására. Megfelelı bevonat-tulajdonságok érhetıek el, ha az átfedés mértéke 50-60%.
2.4.5.3. ábra: A porinjektálásos lézeres felületbevonás sematikus ábrája
Figyeljük meg a poradagolásos lézeres bevonatolás eljárásának fı folyamatait az animáció segítségével!
Ezt követıen nézzük meg egy Nd-YAG lézerrel készített, aluminium szubsztrátra felvitt, ólom- betétes aluminium huzallal történı bevonatolás folyamatát!
A porinjektálásos lézeres bevonatolás a versenyképes eljárásváltozatok közül a legrugalmasabb, s így leginkább ez az eljárás nyert széleskörő alkalmazást a gyakorlatban. Változatos anyagú bevonatok felvitelét teszi lehetıvé szinte bármilyen alapanyagra, az egyik legelterjedtebb alkalmazás a lézeres stellitezés, melynek során kb. 1 µm átmérıjő stellit (Co, W, Cr, C) por szemcséket egy hordozógázzal a lézersugárba juttatva olvasztjuk a felületre. Az egyetlen feltétel az alkalmazható anyagpárosítások kiválasztása során, hogy a bevonat olvadáspontja ne legyen sokkal magasabb, mint az alapanyagé. Az eljárásnak nagy az anyagkihasználtsága, mivel a por részecskék jól nyelik el az energiát. Lehetıvé teszi a helyi bevonatolást, s bonyolult alkatrészek nagy felületének kezelését. Az eljárás mőködési tartománya nagyobb, mint a többi, vele versenyben álló technológiáé, a bevonat adhéziójának, az oldódásnak, a bevonat vastagságának szabályozása egyszerőbb, s jobb a reprodukálhatósága.
A bevonat és az alapanyag határfelületét mutatja a 2.4.5.4. ábra. A mikrokeménység-mérés során készült lenyomatok nagyságából is jól látható, hogy az alapanyag a nagy hıhatás következtében történt beedzıdés miatt jóval keményebb, mint a bevonat.
2.4.5.4. ábra: A bevonat – alapanyag átmenet stellit bevonatú próbatesten A lézeres bevonatolás rendkívül sokoldalú, még számos fejlesztési lehetıséget kínáló terület, melynek legfıbb elınyei az alábbiak:
- végtelen variációs lehetıségek az igényekhez szabottan - pl. lágyacél felületére
felvitt Co-mátrixú réteg, diszperz W- és Si- karbidokkal növelt szilárdság, - minimális hıbevitel és torzulás,
- komplex 2 -3 dimenziós profilok kialakításának lehetısége.
Összefoglalásul megállapíthatjuk, hogy a lézersugaras felülettechnológiák a berendezések nagy beruházási költségei ellenére is számos gazdaságossági és mőszaki elınyt nyújtanak:
jelentısen nı a termelékenység,
csökken az anyag és feldolgozási veszteség, minimális hulladék
bonyolult geometria, nehezen hozzáférhetı felületek esetén is alkalmazhatók
utólagos megmunkálást nem, vagy korlátozottan igényel automatizált gyártósorba integrálható
megbízható on-line minıségellenırzés rugalmasan kihasználható perifériák.
FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM A 2. FEJEZETHEZ
Bakondi K. – Konczos G.: Nagy energiasőrőséggel végzett megmunkálási eljárások, Elemzı tanulmány. KFKI Budapest, 1990., , 95 p
Bakondi K. -Bartos J.-Buza G.- Gyıri J. -Kiss Gy.- Takács J.-Udvardi T.: Fémek felületi tulajdonságainak átalakítása koncentrált energiájú eljárásokkal, Gépgyártástechnológia, XXIX.
évf. 8.szám, 1989. pp. 340-347.
Belforte, D. - Levitt, M.: Economic review technology trends in The Industrial Laser Handbook, Springer, 1994, pp. 1.-27.
Bella Sz.: Hatékonyság és technológia a fókuszban: hibrid lézeres hegesztés, 2008. (19. évf.) 2. sz.
75-77. old.
Bergmann, H.W. - Müller,D.- Endres,T.- Damascheck, R.- Domes, J.- Bransden, A.s.: Industrial applications of surface treatments with high power lasers, Proceedings of Second ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe, 1-3 June, Dortmund, 1993, Materials Science Forum, Vols. 163-165 (1994), Trans Tech Publications, pp. 377-404
Bertóti I. – Marosi Gy. – Tóth A.s (ed.): Mőszaki felülettudomány és orvosbiológiai alkalmazásai.
B+V Lap- és Könyvkiadó, Budapest, 2003.
Bíró A. :Acél alapanyag lézersugaras bevonatolásának (cladding) vizsgálata, Diplomaterv, Miskolci Egyetem, 2008
Bitay E.: Lézeres felületkezelés és modellezés, Erdélyi Múzeum-Egyesület, Kolozsvár, 2007., 12-56 p.
Bitay, E. – Roósz, A. – Buza, G.: CO2 laser surface-alloying steel by dispersion of carbide-powders. Solidification and Gravity III, Materials Science Forum, Miskolc-Lillafüred, 1999.
Bitay E. – Rowshan R.: Lézeres felületkezelés technológiai paramétereinek folyamatos változtatásának szimulációja. MicroCAD 2005, Nemzetközi Tudományos Konferencia 2005.
március 10–11. Miskolci Egyetem, 7–12.
Bloyce A.: Energy beam surface melting and alloying of tool steel. PECOHITEST Network III.
Seminar, Proceedings ed. and publ. by AGH, Krakow,1994.110–126.
Bonello, L. - Howes, M.A.: Some factors affecting the laser heat-treating process, Heat Treating’81, pp.39-44.
Bunch,B. - Hellemans, A. - Schuster, S.:The Timetables of technology, 1994.
Buza G. – Kálazi Z.: Új lehetıségek hazánkban a lézeres megmunkálások területén, Bányászati és Kohászati lapok 128. évfolyam 9. szám, 1995. 09. pp.361–365
Buza G. - Fábián R. - Kálazi Z. - Sebestyén T. - Somogyi R., Lézeres mélyvarratos hegesztés hıhatásövezete, Bányászati és kohászati lapok. Kohászat, 2001. (134. évf.) 6-7. sz. 247-251 p.
Buza G. - Kálazi Z. - Sebestyén T.: A szilárdtestlézerek új generációja, Bányászati és kohászati lapok, Kohászat, 2001. (134. évf.) 3. sz. 103-108 p.
Buza G: Lézersugaras felületötvözés. ILAS – 3. Ipari Lézer Alkalmazási Szeminárium, ILAS, Budapest, 2006.
Buza G.- Janó V.- Kálazi Z.: Hegesztés lézersugárral Technika:mőszaki szemle, 2008. (51. évf.) 9.
sz. 37-39 p.
Buza G.: A lézersugaras anyagmegmunkálás energiaviszonyai I.-II-III. BKL, 142. évf. 6, 2009, pp.
31-36; 143.évf.2.sz, 2010, pp.33-39; 143.évf. 3.sz. pp.27-32.
Csillag L. - Kroó N.: A lézerek titkai, Kozmosz könyvek, Bp., 1987. 281 p.
Elijah Kannatey-Asibu Jr.: Principles of Laser Materials Processing, Wiley Series on Processing of Engineering Materials, Canada, 2009.
Felde, I. – Réti, T.: Prediction of hardness on laser heat treated steels using computer simulation.
European Conference, Junior EUROMAT’98, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, Lausanne. 1998.
Felde, I: Laser Surface Hardening of a Crane Gear, Case study of Innovate project, 2005 Felde, I- Reti,T.- Kalazy, Z.- Costa,L.- Colaço, R. -Vilar, R- Verö, B: A simple technique to estimate the processing window for laser clad coatings, International Surface Engineering
Congress: proceedings of the 1st congress, sponsored by the 13th International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering Congress. Columbus, Amerikai Egyesült Államok,
2002.10.07-2002.10.10. Ohio: ASM International, pp. 237-242.(ISBN:0871707810) Grech, M.-Abela, S.: Laser Surface Treatment, Innovate project, 2004
Galun, R.:The Use of Lasers in Materials Treatment; IWW, Technical University of Clausthal Hadi Zs.: A lézerek ipari alkalmazásai
www.pointernet.pds.hu/ujsagok/transpack/2007/12/20080116230834428000000925.html
Halász G.: Lézersugaras hegesztési eljárások fejlesztési irányai Hegesztéstechnika, 2005. (16. évf.) 2. sz. 12-13 p.
Haskó F.: Sugártechnológiák a felületvédelemben, Korróziós figyelı, XXVIII. évf. 1. szám, 1988 Hütte: A mérnöki tudományok kézikönyve, Springer Verlag, 1992, pp. B206 -209.
Ion, J.C. : Modeling of laser material processing in The Industrial Laser Handbook ed. by D.
Belforte, M. Levitt, Springer, 1994, pp. 39-47.
Ishide, T. -Mega, M. - Matsumo, O.- Ito, S. - Mitsuhashi,T : Kaleidoscope Beam Homogenizer for High Power CO2 and YAG Laser, Laser Treatment of Materials, ed. by B.L.Modike, DGM, 1992, pp. 57-62.
Kálazi Z.: A CO2 lézeres lemezvágás vizsgálata, doktori értek., BME 1995. 50 p.
Kárpáti T. -Vass I.: A lézerek fizikai alapjai, Korszerő technológiák XXIV: évf. 2. (115.), 1991, pp. 3-6.
Kerekes G.: Lézersugaras technológiák ipari elterjedésének és egyes mőszaki problémáinak vizsgálattechnikai elemzése, Diplomaterv, 2008, Miskolci Egyetem
Kocsis D.: Szinkron fogaskerék gyártástervezése és hegesztésének vizsgálata, Diplomaterv, 2009, Miskolci Egyetem
Kocsisné Baán M.: Lézertechnológiák alkalmazása a mőszaki felülettudomány terén. Oktatási segédlet, Miskolc, 1996.
Larso, J.K.: Laser welding. A mature processtechnology with various application fields, Svetsaren, 1999. 1st article, 43-50 p.
Lugscheider,E. - Bolender,h.- Krappitz, H.: Laser Cladding of Paste-bound Hardfacing Alloys, Proceedings of Surface Modification Technologies V. Int. Conference, 2-4 September, 1991, Birmingham, ed. By T.s. Sudarshan, J.F. Braza, The Institute of Materials, 1992, pp. 371-381.
Markos S.: Lézeres megmunkálások, www.szmsz.hu/beszamolok/200701/lezeresmarkos.pdf Mordike, B.L. ed.: Laser Treatment of Materials, ed.DGM Informationsgesellschaft Verlag, 1992.
Parsons, G.H. - Man,H.C. : Laser Surface Engineering - an Overview in Surface Engineering, Past-present-future, Spinger Verlag, 3/1985, pp. 330-343.
Paturi, F.R. ed.: A technika krónikája, Officia Nova, 1992
Quintino,L. Costa,A. Miranda, R. D. Yapp, V. Kumar, C.J. Kong: Welding with high power fiber lasers – A preliminary study, 2007.
Roósz, A. – Rozsnoki, L. – Teleszky, I. – Uray, Gy. – Sólyom, J. – Gácsi, Z. – Kovács, Á. – Baán, M.: Modification of hot working steel surface by laser treatment. The 7th International Conf. on Surface Modification Technology,Niigata, Japan, 1993.
Rowshan, R.: Laser Surface Treatment and its Modelling by FEM. M.Sc.Thesis, Miskolc, 1998.
Rowshan, R.: Process Control During Laser Transformation Hardening, PhD thesis, 2007
Steen, W.M. Laser Material Processing, 2003., Laser Welding 157-165 p.
Szunyogh L.: Hegesztés és rokon technológiák Kézikönyv, 2007.
Takács J. - Buza G. - Kálazi Z. - Gál P. - Markovits T., Hegesztés minıségjavítása lézeres eljárásokkal, Gép, 2000. (52. évf.) 7. sz. 68-70 p.
Takács J.: A gépgyártást is meghódítják a lézerek, Gépgyártás, 2003. (43. évf.) 12. sz. 26-32 p.
Takács J. ed.: Korszerő technológiák a felületi tulajdonságok alakításában, Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 2004, pp. 195-261
Tóth, K.: Lézeres bevonatolás (cladding) technológiájának vizsgálata, Diplomaterv, Miskolci Egyetem, 2004.
Trafford, D.N.H. - Bell,T.- Megaw J.H.P.C.- Bransden,A.S.: Heat Treatment using a high-power laser, Heat Treating’ 79, pp. 32-38.
Turner G.- Gazdag L.: Felületi edzés CO2 lézerrel, Korszerő technológiák XXIV: évf. 2. (115.), 1991, pp. 25-30.
Varga B.: Laser Advisor, www.lasertanacsado.hu/hegeszto.htm
Wesling V., Giese, P. ed.: Laser Material Processing, MinSE project, 2009
HASZNOS LINKEK A 2. FEJEZETHEZ
Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány honlapja:
http://websrv.bzlogi.hu/bzaka/bzaka.news.page?nodeid=1000 High-Power Fiber Lasers: Recent Advances,
http://www.optics.rochester.edu/~gweihua/hflaser.pdf
International Standard ISO 13919-1, First Edition, Welding – Electron and laser-beam welded joints – Guidance on quality levels for imperfections – Part 1: Steel, 1996
Lézersugaras hegesztés http://www.netcall36.hu/heg/h751.htm