Fasciculul Laser

31
Fasciculul laser. Sudarea, marcarea si gravarea cu laser 3.1 Introducere Progresele însemnate înregistrate în tehnica laserilor şi apariţia unor instalaţii laser de mare putere, relativ accesibile, au stimulat cercetările legate de posibilele aplicaţii ale acestora în prelucrarea materialelor. Deşi utilizarea industrială a laserilor este socotita ca făcând parte încă dintre tehnologiile neconvenţionale din cauza caracteristicilor speciale – lipsa contactului mecanic cu materialul de prelucrat etc., aria posibilelor aplicaţii ale acestora în procesarea materialelor se lărgeşte continuu. Laserul este utilizat ca sursa de energie în prelucrarea materialelor pentru realizarea unor operaţii de prelucrare mecanică (debitări, perforări, sudură, marcare), fie pentru modificarea proprietăţilor stratului superficial prin tratamente termice. 3.2 Principiul LASER LASER este acronimul de la “ Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation ” (amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaţie). Deşi este o radiaţie electromagnetică, la fel ca şi

description

Curs despre fasciculul laser si uilizarea lui in tehnica

Transcript of Fasciculul Laser

Page 1: Fasciculul Laser

Fasciculul laser. Sudarea, marcarea si gravarea cu laser

3.1 Introducere

Progresele însemnate înregistrate în tehnica laserilor şi apariţia unor instalaţii laser de

mare putere, relativ accesibile, au stimulat cercetările legate de posibilele aplicaţii ale acestora

în prelucrarea materialelor.

Deşi utilizarea industrială a laserilor este socotita ca făcând parte încă dintre

tehnologiile neconvenţionale din cauza caracteristicilor speciale – lipsa contactului mecanic

cu materialul de prelucrat etc., aria posibilelor aplicaţii ale acestora în procesarea materialelor

se lărgeşte continuu. Laserul este utilizat ca sursa de energie în prelucrarea materialelor pentru

realizarea unor operaţii de prelucrare mecanică (debitări, perforări, sudură, marcare), fie

pentru modificarea proprietăţilor stratului superficial prin tratamente termice.

3.2 Principiul LASER

LASER este acronimul de la “ Light Amplification by Stimulated Emision of

Radiation ” (amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaţie).

Deşi este o radiaţie electromagnetică, la fel ca şi sursele clasice de lumină, radiaţia

laser are proprietăţi spectaculoase, care o diferenţiază puternic de acestea .

Caracteristicile generale ale radiaţiei laser sunt următoarele:

coerentă, atât spaţial cât şi temporal (oscilaţile radiaţiei sunt în fază, pornind

din acelaşi punct şi având aceeaşi mărime) ;

direcţionată (difracţia radiaţiei laser este mult mai mică comparativ cu

lumina obişnuită, iar utilizarea unor dispozitive specială permite focalizarea

fasciculului laser pe o suprafaţă foarte mică) ;

monocromatică (este constituită dintr-o singură culoare/lungime de undă)

;

intensitatea.

Page 2: Fasciculul Laser

3.2.1. Monocromaticitatea

Una dintre trăsăturile fundamentale ale radiaţiei laser o constituie monocromaticitatea,

care reprezintă intervalul de lungimi de undă ocupat de radiaţie, adică lăţimea spectrală a

emisiei laser. Gradul de monocromaticitate pentru o linie spectrală de lungime de undă

(frecvenţa), este definit după cum urmează:

= /0 = /0 [3.1 ]

unde reprezintă lăţimea liniei radiaţiei laser. Practic, laserii sunt consideraţi ca emiţători

de radiaţii monocromatice, datorită faptului că liniile spectrale sunt suficient de înguste

pentru a fi descrise ca având o singură frecvenţă sau o singură lungime de undă. Întrucât

radiaţia laser este de o înaltă monocromaticitate, ea poate fi utilizată în diferite studii, ca

frecvenţă standard.

Monocromaticitatea radiaţiei laser este strâns legată de alte caracteristici importante

ale radiaţiei laser, cum ar fi coerenţa spaţiala şi temporală.

3.2.2. Coerenţa

Aceasta proprietate, definitorie pentru radiaţia laser, provine din însuşi modul de

obţinere al radiaţiei.

Coerenţa este o corelaţie intre parametrii câmpurilor de radiaţii produse de către două

surse separate spaţial, simultan, ( Coerenţa spaţială ), sau de către aceeaşi sursă în momente

diferite ( coerenţă temporală ). Când sursele sunt coerente, intensitatea I rezultată din

suprapunerea câmpurilor într-un punct dat Q, poate avea orice valoare cuprinsă între:

şi [3.2]

în funcţie de diferenţa de fază. Când sursele nu sunt coerente, intensitatea I este suma

intensităţilor I1 şi I2. Relaţia dintre coerenţa spaţială şi cea temporală este dată de ecuaţia:

lcoh = ccoh [ 3.3 ]

În această relaţie, c este viteza luminii. Ecuaţia [3.3] are următoarea semnificaţie: dacă

diferenţa dintre fasciculule I1 şi I2 este mai mare decât parametrul lcoh, denumit lungime de

coerenţă, atunci nu există o corelaţie între parametrii câmpului electromagnetic în diferite

puncte ale spaţiului.

Undele electromagnetice emise de surse, nu se schimbă cu mai mult de ; coh este

Page 3: Fasciculul Laser

proporţional cu lăţimea liniei, adică cu gradul de monocromaticitate al radiaţiei, conform

relaţiei [ 3.3 ]:

[3.4 ]

Timpul de coerenţă pentru radiaţia laser poate fi de ordinul 10-2 - 10-1 s, în timp ce

pentru sursele convenţionale luminoase el este de 10-8 s. Coerenţa temporală ridicată a

radiaţiei laser se dovedeşte folositoare în nenumărate aplicaţii industriale şi de cercetare, care

implică interferenţa, măsurători ale lungimii, vitezei liniare şi unghiulare, deplasări mici,

transmitere de date la frecvenţe optice, etc. .

Coerenţa spaţială a radiaţiei laser face ca aceasta să fie puternic direcţională, astfel

încât să poată fi focalizată pe suprafeţe mici.

3.2.3. Direcţionalitatea

Direcţionalitatea radiaţiei este descrisă de unghiul solid în care este emisă radiaţia

principală. Dacă unghiul solid este un con, radiaţia laser este caracterizată prin unghiul plan al

împrăştierii (unghi de divergenţă). Dacă unghiul solid nu este un con, parametrii definitori

sunt cele două unghiuri în planul orizontal şi în cel vertical. În fig. 3.1. este prezentat modelul

de radiaţie teoretic al unei surse emiţătoare circulare.

Pentru cazul prezentat în figură, cea mai mare parte a energiei radiate este concentrată

în lobul principal al modelului. Intensitatea maximă a câmpului în cei doi lobi laterali nu

depăşeşte 2% din intensitatea maximă I0 a câmpului de radiaţie. Presupunând că amplitudinea

şi faza sunt uniforme în secţiunea transversală a fluxului de radiaţie, atunci divergenţa

limitată de difracţie a fasciculului este unghiul (la jumătatea nivelului de putere):

0,5 = 1,22/D [3.5 ]

unde D este diametrul fasciculului.

Page 4: Fasciculul Laser

Fig. 3.3 Modelul de radiatie teoretic al unei surse emitatoare circulare

Laserii au în realitate divergenţe mult mai mari decât cea estimată, divergenţa datorată

multor factori, dintre care se pot enumera:

distribuţia neuniformă a amplitudinii şi a fazei câmpului de radiaţie în interiorul suprafeţei

de iradiere;

natura multimodală a generării (mai exact prezenţa modurilor transversale);

neomogenităţi ale mediilor active;

imperfecţiuni ale elementelor rezonante.

Mai multe studii arată că suprafaţa radiantă a unui mediu activ nu este omogenă şi

constituie un mozaic structural, cuprinzând complexe de spoturi luminoase şi spoturi

individuale, cu dimensiuni de 850m şi respectiv 100 m. Divergenţa unei radiaţii laser

poate fi micşorată, în primul rând, prin alegerea modurilor transversale cele mai ridicate.

Laserii monomodali care generează modurile TEM00 de ordinul cel mai mic, au cea mai mică

divergenţa unghiulară. Laserii cu gaz sunt cel mai uşor de utilizat în regim mono-modal.

Rezultatele experimentale arată că proprietăţile anterioare nu sunt semnificative prin

ele însele în ceea ce priveşte efectul radiaţiei laser asupra solidelor opace când densitatea

fluxului de energie este atât de ridicată încât să producă dezintegrarea solidului.

3.2.4. Puterea, energia şi focalizarea fasciculului laser

Pentru laserii folosiţi în aplicaţiile termice, puterea sau intensitatea fasciculului

constituie principalele caracteristici ale acestuia. Intensitatea fasciculului este exprimată în

Page 5: Fasciculul Laser

funcţie de modul de funcţionare al laserului prin:

P - puterea fasciculului exprimată în W sau kW, pentru laseri cu regim continuu de

funcţionare;

E - energia pulsului, pentru laserii cu emisie pulsată;

În aplicaţiile termice fasciculul laser trebuie focalizat prin intermediul unui sistem

optic constituit din lentile sau oglinzi, pentru a se realiza concentrarea energiei pe o suprafaţă

foarte mică (spot). Intensitatea fasciculului se poate caracteriza prin densitatea de energie sau

prin densitatea de putere.

3.2.5.Strălucirea

Strălucirea sau radianţa unei surse luminoase poate fi definită ca puterea

emisă/unitatea de arie, în unitatea de unghi solid, măsurată în W/m2/ster radian. Aceasta este o

mărime ce caracterizează sursa; prin focalizarea radiaţiei, unghiul solid va fi mai mare, deci

strălucirea va fi mai constantă. Laserul este o sursa de radiaţii electromagnetice puternic

colimată, adică cu o mare direcţionalitate, ceea ce face ca strălucirea sa să fie mult superioară

surselor clasice.

3.2.6. Polarizarea

Aceasta este proprietatea ce exprimă modul de repartizare a oscilaţiei electromagnetice

transversale de-a lungul fasciculului. Această proprietate nu afectează proprietăţile de

focalizare şi concentrare ale sursei, proprietăţi de interes în cazul aplicaţiilor industriale ale

laserilor de mare putere.

Page 6: Fasciculul Laser

Figura 3.1. Principiul generării fasciculului LASER

Fasciculul laser este generat într-o incintă care conţine mediul activ, un amestec de

substanţă activă cu energie disponibilă pentru a permite emisia stimulată, diluată într-o

substanţă transparentă care, în plus, permite eliminarea căldurii. Atomii din mediul activ (care

poate fi un cristal solid, un lichid sau un gaz) absorb energia emisă de mecanismul de excitare

(lămpi flash, diode sau electrozi) şi sunt mutaţi pe un nivel energetic superior. În aceste

condiţii are loc un fenomen denumit inversarea populaţiei care determină revenirea atomilor

pe nivelul energetic iniţial şi eliminarea surplusului de energie sub forma emisiei de fotoni

care formează radiaţia luminoasă LASER.

Mediul activ poate fi:

o solid – cristal, sticlă sau semiconductor;

o gazos – argon, monoxid de carbon, dioxid de carbon;

o lichid – coloranţi

3.3. Tipuri de laser

În industrie se folosesc în special două tipuri de echipamente laser: laser YAG:Nd şi laser cu

CO2. Ambele tipuri generează radiaţie în spectrul infraroşu deci fasciculul laser este invizibil.

Laserul de tip Nd-YAG foloseşte ca mediu activ un metal (neodyn) dopat într-o sticlă

specială, energia de activare fiind generată de o lampă flash (kripton sau xeleniu) înfăşurată

pe cristalul activ. Cristalul este de formă cilindrică, şlefuit şi are feţele frontale acoperite cu un

strat antireflexiv.

În acest caz, atomii de Nd3+ excitaţi optic produc o inversiune de populaţie în cristalul

YAG (ytrium-aluminium-garnet), rezultatul fiind o emisie spontană de fotoni în regim pulsat

cu lungimea de undă de 1,06 m. Puterea instalaţilor utilizate în industrie la acest moment nu

Page 7: Fasciculul Laser

depăşeşte 2,5 kW şi este dificil de realizat instalaţii cu putere mai mare datorită faptului că

eliminarea căldurii care rezultă în timpul procesului de generare a radiaţiei devine foarte

dificilă. În industrie se utilizează cel mai frecvent laseri cu puterea între 100-500 W, în regim

pulsat.

Figura 3.2. Rezonator Nd-YAG

Laserul cu CO2 foloseşte ca mediu activ un amestec gazos de dioxid de carbon, azot

şi heliu în proporţii care se încadrează, în general, în limitele: 1-9%CO2, 13-35%N2, şi 60-

85%He şi produce un fascicul laser continuu sau pulsat cu lungimea de undă de 10,6 m.

Dioxidul de carbon constituie substanţa activă, azotul amplifică excitarea

moleculelor de dioxid de carbon la nivele energetice superioare iar heliul contribuie la răcirea

mediului activ şi menţinerea inversiunii de populaţie. Excitarea moleculelor de dioxid de

carbon se produce prin ciocniri neelastice ale acestora cu moleculele de azot excitate prin

descărcare electrică. Energia necesară excitării mediului activ este dată de electrozi alimentaţi

la o sursă de curent continuu, montaţi în interiorul tubului care conţine dioxid de carbon, şi

care produc descărcări electrice.

Un alt sistem foloseşte o sursă de energie de frecvenţă radio, în acest caz electrozii

fiind montanţi în afara tubului cu gaz.

Puterea echipamentelor cu CO2 ajunge în prezent la 25kW dar există tendinţe de

dezvoltare a unor echipamente ce ating puteri mai mari de 40kW.

În figura 3.3 sunt prezentate două modele de rezonatoare pentru generarea radiaţiei

laser folosind mediu activ CO2

Page 8: Fasciculul Laser

Figura 3.3. Tipuri de rezonatoare pentru laseri cu CO2

Un parametru important al fasciculului laser ca sursă termică pentru aplicaţii

industriale este reprezentat de modul electromagnetic transversal (TEM), care reprezintă

distribuţia densitaţii de energie pe secţiunea transversală a fascicului.

Se recomandă ca un laser pentru tăiere să posede un mod cât mai aproape de TEM00,

datorită concentrării energiei pe axa fasciculului, unei mai bune interacţiuni cu materialul şi

dimensiunilor reduse ale petei active.

În tabelul 3.1 sunt prezentate principalele tipuri de medii active folosite pentru

generarea fasciculului laser cu aplicaţii industriale.

Tabelul 3.1

Tip LASER Stare substanţă activă Substanţa activăSubstratul

(substanţa transparentă)

CO2

Gaz

CO2 N2 + He

He-Ne Ne He

Kripton Kr Kr

Argon Ar Ar

Nd-YAG

Solid

Nd3+ YAG

Nd-Sticlă Nd+ Sticlă

Rubin Cr3+ (0,05%) Al2O3

Alexandrită Cr3+ AlBrO3

Page 9: Fasciculul Laser

Coloranţi Lichid Rodamină Alcool

Orientarea fascicului către piesă (figura 3.4) se realizează cu un sistem optic de

precizie, format din lentile plane şi lentile curbe, focalizarea fasciculului fiind realizată prin

lentila de focalizare. Distanţa dintre lentila de focalizare şi piesă este numită distanţa de

focalizare şi este un parametru important al procesului de prelucrare. Un alt parametru

important este distanţa dintre diuza capului de focalizare şi piesă, numită distanţa de ajutaj.

Figura 3.4. Schema sistemului de ghidare a fasciculului laser

Pentru focalizarea fascicului ambele distanţe trebuie reglate independent. Pentru

aceasta, capul laser trebuie să asigure reglarea lentilei de focalizare şi/sau a diuzei în plan

perpendicular pe direcţia de propagare.

Pentru exploatarea la capacitatea maximă a unul laser, se pot utiliza mai multe posturi

de lucru care folosesc acelaşi fascicul laser, precum staţia prezentată în figura 3.5. Acest

sistem cuprinde legături multiple şi sofisticate între sisteme de comandă şi sisteme de

manipulatoare/roboţi şi se recomandă mai ales pentru producţia automată de masă.

Page 10: Fasciculul Laser

Figura 3.5. Sistem laser multipost

Laserul este folosit pentru o mare varietate de aplicaţii industriale. Dacă tăierea,

sudarea sau tratamentul termic superficial al materialelor metalice necesită de cele mai multe

ori o putere mare a fasciculului laser, există şi multe aplicaţii care necesită o putere mai mică

de 500 W, mai ales în industria electronică, textilă şi alimentară, sau pentru gravarea/marcarea

de caractere, coduri cu bare etc. pe diferite tipuri de materiale.

3.4. Interacţiunea radiaţiei laser cu materialele

În funcţie de puterea fasciculului laser fenomenele ce apar la interacţiunea radiaţiei

laser cu materialele sunt diferite, astfel:

putere mică:

relfexie

refracţie

împrăştiere

difracţie

energie absorbită minimă - “non-contact”

putere mare:

încălzire

topire

evaporare

ardere

Dacă laserul funcţionează în mod continuu (cw) parametrul important este puterea,

măsurată în watt – între 100 şi 20 kW pentru procesarea materialelor, iar dacă funcţionarea

este în impulsuri, parametrii importanţi sunt energia pe puls (J/s) şi frecvenţa pulsurilor (nr. de

pulsuri pe secundă) – astfel energia per puls, 1mJ-1kJ, lungimea pulsului, 1ms-1ns, frecvenţa

pulsurilor, 0.1/s – 1000/s.

În figura 3.6 sunt prezentate tipul efectului acţiunii radiaţiei laser asupra materialelor

în funcţie de densitatea de putere şi timpul de interacţiune.

Page 11: Fasciculul Laser

Figura 3.6 – Procese de înteracţie

Parametrii ce determină interacţiunii sunt:

1. densitatea de energie a fasciculului laser;

2. lungimea de undă a radiaţiei laser;

3. proprietăţile optice ale materialului;

4. proprietăţile termodinamice ale materialului.

Astfel procesele pot să îndepărteze materialul (evaporare, ardere), să îmbine (topire)

sau sa schimbe proprietăţile acestuia (încălzire). Procesele care îndepărtează material sunt

tăierea, găurirea sau ablaţia (evaporare instantanee). Procesele prin care se îmbină materiale

sunt: sudare prin conducţie, sudare prin penetrare, sinterizare selectivă cu laserul. Procesele

prin care se modifică structura materialelor sunt: tratamente termice şi “rapid prototyping”

(stereo-litografierea).

3.5. Tăierea cu fascicul LASER

Tăierea cu fascicul laser poate fi utilizată cele mai multe dintre metalele obişnuite şi

chiar metale cu un coeficient de reflexie sau cu conductivitate termică ridicată. Printre acestea

sunt oţelurile aliate sau nealiate, aluminiu şi titan. În condiţii speciale pot fi taiate table

galvanizate, oţel călit şi oţel deformat la rece. Printre metalele dificil de tăiat se numără

aluminiul, cuprul aurul şi argintul.

Page 12: Fasciculul Laser

Pentru tăiere se utilizează un gaz de proces care este introdus prin diuza ( figura 3.7 ).

Rolul gazului de tăiere este de a proteja lentilele sistemului de focalizare împotriva fumului şi

stropilor de metal şi de a răcii marginile rostului de tăiere şi de a expulza metalul topit şi

oxizii din rost. În cazul utilizării oxigenului acesta contribuie la creşterea randamentului

procesului de tăiere prin reacţiile pe care le produce cu materialul de bază.

Pentru tăierea metalelor există două procedee cu largă aplicabilitate în practică: tăierea

cu oxigen şi tăierea cu nitrogen sub presiune.

La tăierea cu oxigen, aportul suplimentar de căldura din oxidarea metalului este folsit

pentru creşterea vitezei de tăiere sau pentru tăierea unor grosimi mai mari de material. Acest

procedeu se pretează cel mai bine la oţelurile cu conţinut scăzut în carbon sau slab aliate.

Viteza de tăiere este foarte mare, putând atinge 10 m/min pentru table foarte subţiri ( figura

3.8 ). Rostul de sudare este foarte ingust ( sub 0,3 mm ) iar zona influenţată termic nu

depăşeşte 0,2 mm. Astfel, piesele prelucrate prezintă o precizie foarte mare iar deformaţiile

sunt minime.

Acest procedeu poate fi folosit pentru obţinerea unor piese de calitate ridicată şi cu

rosturi de tăiere fără aderenţe de zgură. În practică acest procedeu este folosit pentru grosimi

de material sub 6 mm.

Puritatea oxigenului ( peste 99,5% ) este o condiţie esenţială pentru obţinerea unei

calităţi corespunzătoare a suprafeţelor tăiate. Debitul de gaz variază între 20 l/min şi 90 l/min,

în funcţie de diametrul diuzei şi presiunea gazului.

Page 13: Fasciculul Laser

Figura 3.7. Schema sistemului de tăiere cu laser

Un dezavantaj al tăieri cu oxigen este oxidarea suprafeţei tăiate care poate fi

defavorabilă în cazul unor procese de prelucrare ulterioară, ca de exemplu vopsire sau sudare.

Un alt dezavantaj este îmbogăţirea sau sărăcirea în elemente de aliere datorită oxidării. La

tăierea oţelurilor inoxidabile, de exemplu, apare pericolul coroziunii ca urmare a scăderii

procentului de crom în zona de tăiere. Alte metale, ca aluminiul de exemplu, produc reacţii de

oxidare puternice care duc la creşterea rugozităţii suprafeţei tăiate.

Figura 3.8. Viteza de tăiere pentru oţel cu conţinut scăzut în carbon

Page 14: Fasciculul Laser

Pentru a rezolva o parte din problemele ridicate de tăierea laser cu oxigen, un alt

procedeu a fost dezvoltat în ultimii ani, denumit taierea prin topire cu laser. Metalul este

încălzit şi topit folosind fasciculul laser şi suflat din rostul de tăiere cu un jet de gaz inert, azot

sau în unele cazuri argon. Pentru obţinerea unei tăieri de calitate este necesar ca fasciculul să

aibă o intensitate puternică la suprafaţa de tăiere iar presiunea gazului trebuie să fie, în cele

mai multe cazuri, mai mare de 10 bar.

O calitate corespunzătoare se obţine pentru grosimi pînă la 6 mm pentru oţel inox

( figura 3.9 ) şi pînă la 4 mm pentru aluminiu. Debitul de azot este cuprins între 100 şi 400

l/min, în funcţie de diametrul diuzei şi presiunea gazului.

Figura 3.9. Viteza de tăiere cu oxigen, respectiv azot pentru oţel inox

Diuzele utilizate pentru tăiere au, în general, un orificiu circular cu diametrul cuprins

între 0,8 şi 1,5 mm, iar distanţa de ajutaj (distanţa dintre diuză şi piesă) este de aproximativ

0,3-1,0 mm. Nivelul zgomotului la tăiere este scăzut.

În practica industrială cele mai utilizate echipamente laser sunt cu CO2 cu puterea în

jur de 1500 W, echipamente care permit tăierea pieselor din oţel cu conţinut scăzut în carbon

pînă la grosimi de 12 mm. Echipamente laser de tip Nd-YAG sunt utilizate pentru tăierea

pieselor cu grosimi sub 3 mm.

Page 15: Fasciculul Laser

3.6. Sudarea cu laser

Există două metode de sudare cu fascicul laser, care se deosebesc prin caracteristicile

fizice ale procesului:

sudarea convenţională, unde căldura este transferată de la suprafaţă în interiorul

materialului prin conductivitate termică

sudarea în gaură de cheie (keyhole), unde energia fasciculului este transferată în

interiorul materialului prin vapori de metal

Sudarea în gaură de cheie necesită o intensitate mai mare a fascicului la suprafaţa

piesei, provocând vaporizarea parţială a metalului şi creşterea rapidă a coeficientului de

absorbţie termică şi, ca urmare, a adâncimii de penetrare a fascicului în material. Se formează

o mică gaură de cheie înconjurată de material topit care participă la formarea cusăturii sudate

în spatele găurii. Acest procedeu este comparabil cu sudarea cu plasmă în gaură de cheie.

Apariţia porilor este un fenomen obişnuit la sudarea cu fascicul laser. Porii pot să

apară datorită faptului că baia de sudură este foarte mică şi timpul de evacuare al gazelor este

redus datorită vitezelor mari de sudare. Numărul porilor depinde foarte mult de puritatea

materialului de bază şi de geometria îmbinării sudate. Se recomandă evitarea unor geometrii

ale cusăturii care nu permit evacuarea gazelor pe la rădăcină, tipurile de îmbinări uzuale fiind

cele din figura 3.10. Deoarece fasciculul este absorbit în interiorul orificiului “keyhole”,

indiferent de planul de polarizare, s-ar părea că polarizarea nu afectează sudarea cu laser. Dar,

de fapt polarizarea este extrem de importantă datorită efectului pe care îl are asupra adâncimii

de pătrundere a energiei în ţinta metalică.

Polarizarea de tip “s” ( perpendiculară pe planul de incidenţă) duce la obţinerea unor

zone de topire mai late deoarece absorbţia are loc în principal în extremităţile spotului.

Aceasta se datorează faptului că mecanismele de absorbţie sunt diferite la viteze diferite. La

viteze mici absorbţia plasmei este dominantă iar fasciculul este absorbit prin efect

Braemsstrahlung în orificiul “keyhole”, generând o plasmă de culoare albastră în sistemele

care utilizează protecţie cu argon. La viteze mai mari predomină mecanismul de absorbţie

Fresnel (prin reflexie în faţa frontului de topitură) datorită faptului că plasma este mai rece şi

absoarbe mai puţină energie.

Page 16: Fasciculul Laser

Figura 3.10 Îmbinări tipice pentru sudarea cu fascicul laser

Metalele care pot fi sudate cu laser sunt oţelurile cu conţinut scăzut în carbon, oţelurile

inoxidabile, titanul şi aluminiul. Totuşi, aluminiul este mai dificil de sudat datorită

coeficientului redus de absorbţie al radiaţiei laser. Aliajele care conţin zinc pot cauza

probleme datorită temperaturii relativ scăzute de fierbere a zincului.

În industrie sudarea cu laser este utilizată mai ales pentru grosimi până la 6 mm.

Pentru grosimi sub 1 mm se utilizează frecvent laseri Nd-YAG sau laseri cu CO2 cu puterea

sub 500 W. Pentru sudarea tablelor cu grosimea mai mare de 1 mm este necesar să se

folosească un echipament laser cu CO2 cu puterea peste 2 kW. Pentru grosimi mai mari (20-

25 mm) se folosesc laseri cu puterea de 20-25 kW. Viteza de tăiere pentru oţel cu conţinut

scăzut în carbon, nichel şi titan, în funcţie de grosime, este prezentată în figura 3.11.

La sudare se folosesc gaze cu rol de protecţie atât a băii de sudare cât şi a sistemului

optic de focalizare a fasciculului. Pentru puteri scăzute se poate folosi un singur jet de gaz

pentru protecţia lentilelor împotriva stropilor de metal şi pentru protecţia băii de sudare

împotriva oxidării. Diametrul diuzei este cuprins între 3-7 mm iar distanţa dintre diuză şi

piesă este de 5-10 mm. Se poate observa că aceşti parametrii sunt mult mai mari decât în

cazul tăierii cu fascicul laser.

Parametrii care definesc procesul de sudare cu laser sunt:

1. Proprietăţile fasciculului: putere, mod de emisie (continua – CW sau în pulsuri),

mărimea spotului, moduri de oscilare, polarizarea, lungimea de undă. Pentru radiaţia

Page 17: Fasciculul Laser

laser în infraroşu, cu lungimea de undă de 10,6 m şi emisie în undă continuă aceste

mărimi au fost discutate în cap.I.

2. Caracteristici tehnologice ale procesului: viteza de deplasare în timpul sudării,

poziţia faţă de focar, geometria îmbinării, toleranţele de îmbinare.

3. Proprietăţile gazului de protecţie: compoziţie chimică, geometria duzei, viteza,

presiune.

4. Proprietăţile materialelor ce se sudează: compoziţie chimică, starea suprafeţei.

În cazul fasciculului laser cu emisie în undă continuă, realizarea sudurii implică

evitarea celor doua situaţii extreme: insuficienta adâncime a sudurii sau străpungerea acesteia.

Aceste cazuri pot fi considerate ca soluţiile limită între care trebuie aleasă valoarea puterii

fasciculului care să asigure o buna calitate a sudurii. Densitatea de putere necesara sudurii este

determinată de puterea spotului, dimensiunea acestuia şi de viteza deplasării. Creşterea vitezei

pentru o adâncime de sudare dată impune creşterea vitezei.

În general se consideră că focarul fasciculului laser trebuie să se afle sub nivelul

suprafeţei, la o adâncime de cca. 1 mm, pentru ca adâncimea de pătrundere să fie maximă. În

acest fel, densitatea de putere este maximă pentru a genera orificiul şi pentru ca divergenţa

fasciculului în afara acestuia să fie minimă. Pentru estimarea influenţei poziţiei focarului

asupra procesului parametrii care sunt luaţi în consideraţie sunt: adâncimea la care este situat

focarul şi dimensiunea minim realizabilă a spotului.

Dacă echipamentul existent o permite, este de preferat să fie utilizat un regim de mare

putere asociat cu viteze ridicate de deplasare, regim care are avantajul de a elimina efectele

nedorite ale pierderilor de energie termică prin conducţie în zonele învecinate cu sudura,

limitându-se în acelaşi timp dimensiunile zonei afectate termic care poate suferi distorsionări.

Trebuie menţionat că adâncimea de topire este invers proporţională cu viteza, pentru un mod

de oscilaţie şi diametru de spot datePentru puteri mari plasma de la suprafaţa tablei poate fi

prea mare astfel încât să absoarbă întreaga radiaţie laser înainte ca aceasta să ajungă la piesa

de sudat. De asemenea, în acest caz este necesar să se folosească un sistem optic cu răcire cu

apă a lentilelor de focalizare.

În figura 3.11 este prezentată influenţa vitezei de deplasare asupra adâncimii de pătrundere.

Page 18: Fasciculul Laser

Fig. 3.11 Influenţa vitezei de deplasare asupra adâncimii de pătrundere pentru un laser cu

CO2 cu curgere axiala rapidă (material oţel inoxidabil 304)

Debitul necesar este de 10-20 l/min prin diuza de gaz şi aproximativ 20 l/min pentru

protecţia suplimentară la suprafaţa şi la rădăcina băii de sudare. Astfel, debitul total de gaz

ajunge la 20-50 l/min.

Figura 3.12 Viteza de sudare pentru oţel cu conţinut scăut în carbon, nichel

şi titan, în funcţie de grosime

Gazele de protecţie uzual folosite sunt argon, heliu sau amestecuri de argon şi heliu.

Atnci când condiţile de calitate nu sunt foate ridicate se poate utiliza azot. Heliul este

Page 19: Fasciculul Laser

considerat cel mai bun gaz de protecţie datorită potenţialului de ionizare ridicat şi riscului

redus de formare a vaporilor de plasmă la suprafaţa băii, efect pronunţat în cazul utilizării

argonului. Totuşi, heliu este un gaz foarte uşor şi se poate ridica prea repede reducând astfel

protecţia băii de sudare. Ca urmare, amestecurile de argon şi heliu în proporţii

corespunzătoare combină efectele pozitive ale celor două gaze.

Avantajele sudării cu fascicul laser sunt deformare redusă a componentelor, cusături

sudate şi zone influenţate termic înguste, precum şi o calitate foarte bună a îmbinării. Viteza

mare a procesului de sudare cuplată cu flexibilitatea sistemului de transmisia a fasciculului

laser recomandă acest procedeu pentru linii de producţie automate. Problema cea mai mare la

sudarea laser o reprezintă golul dintre componentele ce urmează a fi sudate. Pentru a nu

permite trecerea fascicului printre componentele de sudat este necesar să se utilizeze material

de adaos în cazul în care distanţa dintre piese depăşeşte 10% din grosimea lor.

Sudarea laser este un concurent puternic al sudării cu fascicul de electroni acolo unde

grosimea componentelor permite acest lucru, datorită faptului că sudarea cu laser nu necesită

atmosferă controlată sau protecţie împotriva radiaţilor X. De asemenea, sudarea laser poate

înlocui cu succes alte procedee cum ar fi sudarea WIG sau sudarea cu plasmă datorită

influenţei termice reduse.

Dezvoltarea aplicaţilor care utilizează fasciculul laser ca sursă termică pentru sudare

sau pentru tăiere urmăresc optimizarea parametrilor tehnologici, creşterea puterii generate şi

îmbunătăţirea randamentului de transfer termic şi dezvoltarea de procedee noi, hibride, care să

combine avantajele şi să elimine unele din dezavantajele procedeelor individuale. Astfel de

exemple sunt sistemele hibride de tip laser-arc sau laser-jet de apă.

3.7. Tratamente termice

Tratarea superficială cu laser este un procedeu de modificare al suprafeţei destinat

pentru modificarea microstructurii metalelor prin încălziri şi răciri controlate. Tratarea cu

fascicul laser prezintă avantajul de a face posibilă încălzirea unor suprafeţe precise ale

metalelor fără a înfluenţa în totalitate piesa de prelucrat. Cantitatea de material ce este

prelucrată este în general suficientă pentru o rapidă extracţie a căldurii.

Proprietăţile deosebite obţinute în urma tratării termice cu fascicul laser depind de

compoziţia specifică a metalului sau a aliajului.

Page 20: Fasciculul Laser

Durificarea cu laser a metalelor durificabile produce o rezistenţă ridicată la eroziune

cu deformaţii şi fisurări minime. De asemenea în cazul materialelor durificabile se poate

restaura ductilitatea şi îmbunătăţeşte rezistenţa la oboseală în ariile critice.Controlul precis al

căldurii introduse în locuri precise din material precum şi posibilitatea accesării unor locuri

greu de accesibile procedeelor clasice face ca acest procedeu să fie tot mai mult utilizat.

3.8 Marcarea cu laser

Marcarea cu fascicul laser este un procedeu prin care diferite caractere pot fi produse

pe material. Spre deosebire de gravarea cu laser liniile şi caracterele „înscrise” pe material au

lăţimea unui singur fascicul laser şi este setată la o anumită toleranţă pentru adâncime. Liniile

sunt de fapt produse de serii de mici găuri foarte apropiate în substratul produs de pulsuri de

energie ridicată laser.

În figura următoare este prezentat un produs de acest gen.

Figura 3.13 Marcare cu laser

3.9 Procedee de Rapid Prototyping

Procedeele de “Rapid Prototyping” urmăresc realizarea unor componente şi produse

greu sau chiar imposibil de realizat cu alte procedee clasice prin realizarea unor “felii” din

Page 21: Fasciculul Laser

piesa şi lipirea acestora.

În figura următoare este prezentat un astfel de sistem.

Figura 3.12

Tot aici poate fi inclusă Sinterizarea Selectivă cu fasciul laser (crearea de obiecte 3D

prin realizarea de multistraturi) – se depune primul strat pudră ce poate fi topită cu laserul

apoi cu ajutorul fascicului laser se “desenează” primul strat al piesei, iar prin repetarea acestui

ciclu se realizează produsul final.

Materialele utilizate sunt:

a) policarbonaţi;

b) sticlă;

c) elastomeri;

d) oţel inoxidabil;

e) nisip.

3.10 Alte procedee de prelucrare cu laseri

Cu ajutorul fascicului laser din spectrul UV se pot “rupe” legăturile atomice şi ejecta

rapid materialul de la suprafaţa expusă radiaţiei – ablaţia cu laser. Cu acest procedeu precizia

de adâncime şi laterala este de 0.1 microni. Laserii utilizaţi sunt laserii cu excimeri în pulsuri

foarte scurte unde se pot atinge vîrfuri de putere de ordinul MW.

În domeniul microprelucrărilor, laserii sunt utilizaţi la realizare orificiilor cartuşelor de

imprimante cu jet de cerneală (găuri cu diametrul de 100 microni), realizarea orificiilor la

catatere medicale (diamterul 500 microni) precum şi la realizare unor componente mocronice

Page 22: Fasciculul Laser

cum ar fi rotoare pentru microturbine (130 microni).