جوشکاری لیزری- پرتو پردازش مواد3
لیزر برش ایران سبز
کلینیک تخصصی پوست، مو، زیبایی و لیزر ماه شیراز

پوشش دهی سطحی با لیزر

مرجع : بازدید : 227
مطالب » مقالات علمی » مقالات علمی لیزر صنعتی » جمعه 29 دی 1396 در 26 : 17
پوشش دهی سطحی لیزری  پوشش دهی سطحی لیزری براي ايجاد لايه اي با خواص مطلوب در سطح قطعات در معرض شرايط خوردگی و سايیدگی بدون تاثیر بر خواص توده قطعه به كار مي رود. در سال هاي اخير پوشش هاي زمينه نيكلي به علت زيست سازگاري و خواص مطلوب در دماهاي بالا توجه پژوهشگران را به خود معطوف نموده است. در كامپوزيت هاي زمينه نيكلي درصد قابل توجهي از تركيب را نيكل به عنوان زمينه به خود اختصاص مي دهد.&nb ...
پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی لیزری 

پوشش دهی سطحی لیزری براي ايجاد لايه اي با خواص مطلوب در سطح قطعات در معرض شرايط خوردگی و سايیدگی بدون تاثیر بر خواص توده قطعه به كار مي رود. در سال هاي اخير پوشش هاي زمينه نيكلي به علت زيست سازگاري و خواص مطلوب در دماهاي بالا توجه پژوهشگران را به خود معطوف نموده است. در كامپوزيت هاي زمينه نيكلي درصد قابل توجهي از تركيب را نيكل به عنوان زمينه به خود اختصاص مي دهد. هدف از اين مقاله بررسي اثر دو پارامتر لايه نشانی ليزری شامل درصد هم پوشاني پالس ها و قله ي توان ليزر پالسي Nd:YAG بر هندسه ي پوشش و دست يابي به پوشش با مشخصات بهينه مي باشد.

روند آزمایش

پودر نيكل با خلوص بيشتر از 99.5% محصول مرك آلمان با متوسط اندازه حدود 10 ميكرومتر جهت جلوگیری از پاشش شدید حین فرآوری لیزری با مقدار كمي محلول آبي سيليكات سديم به عنوان چسب مخلوط و با ضخامت 1/0±1 ميلي متر  بر روي ورق فولاد كم كربن (با تركيب 0.04%كربن،0.2%منگنز،0.06% گوگرد، 0.06% فسفر و مابقي آهن) با ابعاد 2mm×25mm×60 mm پيش نشاني شد.  سطح ورق قبل از اعمال خمير با سنباده 80 سايش يافته و با اتانول شستشو داده شد. فراوری ليزری توسط ليزر پالسی Nd:YAG با توان 400 وات انجام شد. مد عرضي ليزر ترکیبی از حالت TEM00 و TEM01 مي باشد. كناره نمونه ها توسط نگهدارنده ثابت شده و از زیر با جريان هواي اتاق در تماس بود. براي جلوگيري از اكسيداسيون حوضچه مذاب و همچنين حفاظت از قطعات اپتيكي از گاز آرگون با خلوص بالا با جريان  25 لیتر بر دقیقه استفاده شد. براي بررسي اثر تغيير هم پوشاني پالس ها و قله ي توان ليزر بر كيفيت لايه ايجادي، پارامترهاي جدول 1 انتخاب شد.  تغییرات درصد هم پوشانی در سه سطح قله توان 1.42kw A  ،1.5kw B  ،1.58kw c بررسی گردید.  فركانس لیزر، عرض پالس لیزری و قطر لكه ليزر بر روي قطعه كار ثابت و به ترتيب برابر 15Hz، 8ms و 2.5mm قرار داده شد. درصد هم پوشانی پالس های لیزر از رابطه زیر محاسبه شده است.

                              

در رابطه فوق Of: عامل هم پوشانی (%)، 

 f: فرکانس Hz،   

v سرعت حرکت نمونه  mm/s،

D قطر اثر پرتو بر روی نمونه (mm) و

τ: عرض پالس (ms) می باشد.

براي بررسي كيفيت پوشش دهی لیزری چهار مقطع عرضي به فاصله حدود 5/0 میلی متر از يكديگر از همه نمونه ها تهيه شد.  سطح مقطع نمونه ها با سنباده 240 تا 2500 آماده سازي و بعد از پوليش كاري جهت مشخص شدن مرز بين ناحيه ذوب شده و ذوب نشده 25 ثانيه در معرض محلول 4% اسيدنيتريك- 96% اتانول قرار گرفت.  بررسي هاي ريزساختاري توسط ميكروسكوپ نوري و اندازه گيري ابعاد لايه ها توسط نرم افزار Image tool انجام شد.

جدول1- پارامترهای لایه نشانی نمونه های آزمایش

نمونه

توان متوسط (W)

قله توان (kW)

عامل هم پوشاني (%)

انرژي بر واحد طول (J/mm)

A1

170

42/1

80

3/24

A2

85

3/28

A3

90

5/42

B1

180

50/1

80

7/25

B2

85

0/30

B3

90

0/45

C0

190

58/1

75

6/23

C1

80

1/27

C2

85

7/31

C3

90

5/47

 

نتایج و بحث

طول و عرض لايه،‌ عمق ذوب شده زيرلايه، زاويه تماس لایه  و بدون تخلخل بودن لايه معيار مناسب بودن پوشش ايجادي مي باشند[1].  پارامترهاي هندسي یادشده در شكل 1 مشخص شده اند.

 

شکل 1: شکل شماتیک مقطع عرضي لايه پوشش. h: ارتفاع، d: عمق ذوب زيرلايه، w:عرض پوشش، a: مساحت پوشش تشکیل شده روی سطح و b: مساحت سطح ذوب شده زیرلایه.

لايه نشانی ليزری بدون نقص مستلزم  ايجاد اتصال ذوبي بين مواد پوشش و زيرلايه بوده و براي تحقق آن بايد زيرلايه ذوب شود.  البته عمق ذوب زيرلايه بايد كمترين مقدار ممكن را داشته باشد تا تركيب پوشش دچار تغيير نشود.  تأثیر ذوب شدگی زیرلایه بر ترکیب پوشش توسط مقدار رقیق شدگی طبق رابطه ي 2 برحسب درصد  بيان مي شود [4].  درصد بهینه ی رقیق شدگی (dilution) کمتر از 10% می باشد.

 (D=a*100/(a+b

در رابطه فوق D: درصد رقیق شدگی لایه، a: مساحت پوشش تشکیل شده روی سطح و b: مساحت سطح ذوب شده زیرلایه می باشد.

در نمونه C0 به علت هم پوشاني ناكافي پالس ها و انرژي در واحد طول پايين،‌ لايه اي تشكيل نشد. جدول2 ويژگي هاي هندسي نمونه هاي آزمايش را بيان مي كند.

جدول 2: ويژگي هاي هندسي نمونه هاي آزمايش

  اثر درصد هم پوشانی پالس ها

در هر سه سطح قله توان A، B و C با افزايش درصد هم پوشاني، عرض لايه افزايش و ارتفاع لايه كاهش مي يابد.  شکل 2 مقطع عرضی نمونه های سری B را نشان می دهد. 

 

شکل2: مقاطع عرضی نمونه های سری B که با درصد هم پوشانی 80%، 85% و 90% پوشش دهی شده است.

در واقع افزايش هم پوشاني پالس ها سبب افزايش انرژي وارد بر واحد طول شده و موجب افزايش پراكنش شده و حجم لايه افزايش يافته است.  ضمن اين كه مقدار ذوب شدگي زيرلايه و ميزان رقيق شدن لايه با زيرلايه به طور قابل توجهي افزايش مي يابد. 

از نظر زواياي تماس لايه نيز نمونه هاي فرآوري شده با بالاترين درصد هم پوشاني پالس ها داراي زواياي كوچك و بيشترين عرض و كمترين ارتفاع لايه هستند.  ضمن اين كه مقدار رقيق شدگي تركيب پوشش با زيرلايه در اثر ذوب بيش از حد زيرلايه از 30% بيشتر است (نمونه هاي A3، B3 و C3 به ترتيب در مقايسه با نمونه هاي  A1، B1 و C1).

براي درك بهتر چگونگي پيش روي مذاب در طول لايه نشاني ليزري پودر از پيش نشانده مي توان از نمودار مشهود در شكل 3 استفاده نمود.

 

 

شكل3: نمودار حاصل از محاسبات تئوري موقعيت جبهه مذاب در طول پوشش دهي ليزری بستر پودر پيش نشانده [1].

اين نمودار با توجه به محاسبات عددي و مدل سازي Steen و همكارانش [1] رسم شده است.  با برخورد ليزر، بستر پودر از بالا شروع به ذوب شدن مي كند.  قبل از رسيدن مذاب به زيرلايه، به علت هدايت حرارتي اندك بستر پودر،  انتقال حرارت در بستر پودر را مي توان دو بعدي در نظر گرفت[5].  با تماس مذاب با زيرلايه به علت هدايت حرارتي بالاي زيرلايه، انتقال حرارت سه بعدي مي شود. در نتيجه كاهش دما سبب انجماد ناحیه مذاب بدون پيش روي در زيرلايه مي شود.  ادامه ي تابش ليزر سبب ذوب زيرلايه مي شود.  عدم تشكيل لايه در نمونه ي C4 (بيشترين قله ي توان و كمترين درصد هم پوشاني پالس ها بين نمونه ها) به علت قرارگيري در منطقه ي 1 شکل3 بوده است.  در واقع مذاب به سطح زيرلايه نرسيده است.  از سوي ديگر بقيه نمونه ها در منطقه ي 3 نمودار شكل3 قرار داشته و ذوب زيرلايه منجر به برقراري اتصال ذوبي پوشش با زيرلايه شده است (شكل 2 و 4).  باتوجه به نتايج و همچنين نمودار محاسباتي شکل3 مي توان نتيجه گرفت كه در لايه نشاني ليزري به روش پيش نشاني دست يابي به پوشش مناسب با مقدار كنترل شده و ناچيز ذوب شدگي زيرلايه بسيار مشكل مي باشد.  فقط پوشش نمونه هاي A1 و B1 (شكل4) داراي درجه رقيق شدگي كمتر از 10% مي باشند. كه نمونه A1 به علت عرض كمتر و تخلخل بيشتر نسبت به نمونه B1 از ظاهر مناسبي برخوردار نمي باشد. بنابراین نمونهB1 كه با قله توانkW 5/1 و هم پوشاني پالس80% لايه نشاني شده داراي شرايط بهينه است.

 

 

شكل 4: مقاطع عرضي نمونه هاي فرآوری شده با هم پوشاني پالس 80% و قله توان A1: kW4/1، B1: kW5/1و C1: kW4/1.

1-2-    اثر قله توان

در نمونه هاي A1، B1 و C1 به ترتيب با افزایش توان متوسط لیزر، قله توان افزایش یافته و اين امر منجر به افزايش عمق ذوب شدگي زيرلايه و افزايش عرض لايه شده است (شكل4).  همين امر در مقايسه نمونه هاي (A2، B2و C2) و (A3، B3و C3) نيز صادق است.  ثابت ماندن عرض لايه در نمونه هاي B2 و B3 به ترتيب در مقايسه با نمونه هاي C2 و C3  نشان گر تأثير غالب درصد هم پوشاني پالس ها بر تعيين عرض لايه نسبت به اثر تغيير قله توان دارد.

 

 

نمونه

عرض

(mm)

ارتفاع (mµ)

عمق ذوب

زيرلايه(mµ)

زاويه تماس(°)

رقيق شدگي (%)

A1

42/1

318

43

35

5

A2

72/1

248

54

20

12

A3

85/1

78

80

10

39

B1

80/1

350

60

32

9

B2

90/1

310

75

29

13

B3

99/1

136

88

12

33

C1

8/1

234

118

29

25

C2

9/1

194

120

26

30

C3

1/2

136

123

22

36

 
اشتراک گذاری برای دوستانتان :

مطلبهای مرتبط

چاپگر سه بعدی لیزری

چاپگر سه بعدی لیزری

درباره چاپگر سه بعدی  مبتنی بر لیزر بیشتر بدانید:        شاید امروزه نام چاپگر سه بعدی را در گوشه کنار سایت ها و اخبار تکنولوژی شنیده باشید، اما چاپگرهای سه بعدی به آن ...
روش‌های جدید جوش‌کاری لیزری

روش‌های جدید جوش‌کاری لیزری

  لیزرهای صنعتی در دنیای مدرن امروز نقش ویژه­ای دارند و از این لیزرها در صنایع بسیاری مانند خودرو سازی ، صنایع هوافضا، صنایع دفاع، صنایع برق و ... استفاده می­شود. لیزرها در مواردی مانند ...
لیزر CO2

لیزر CO2

لیزر CO2 لیزر CO2 یا لیزر دی اکسید کربن یک لیزر گاز مولکولی است که بر اساس مخلوط گاز حاوی دی اکسید کربن (CO2)، هلیوم (He)، نیتروژن (N2) و برخی از آنها هیدروژن (H2)، بخار آب یا زنون (Xe)  کار می ...
پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی لیزری  پوشش دهی سطحی لیزری براي ايجاد لايه اي با خواص مطلوب در سطح قطعات در معرض شرايط خوردگی و سايیدگی بدون تاثیر بر خواص توده قطعه به كار مي رود. در سال هاي اخير پوشش هاي زمينه ن ...
نمایش همه
علاقه مندی ها ()