(laser Hardeningسخت کاری با لیزر) موضوع:

مهندس مشرفی فر: هنمااستاد را

نشجویان: ادپریسا حسن پور- آزاده جعفری زاده- الهام رئیسی

سپیده طالبی- ریحانه علی رمضانی

فهرست مطالب

تاریخچه لیزر•تعریف لیزر•کاربرد لیزر در مهندسی و علم مواد•سخت گردانی استحاله ای با لیزر)لیزر سختی( •

بررسی ریزساختار فوالد های لیزرسختبررسی رفتار خوردگی و خستگی فوالدهای لیزرسختمزایا و محدودیت های لیزرسختی

جوشکاری لیزری•روکش کاری لیزری•بحث و نتیجه گیری•

تاریخچه برمی گBردد. اولین ۱۹۶۰تاریخچBه کشBف لBیزر بBه سBالهای •

لBیزر تولیBد گBاز بBار از CO2 الBس در بBا طBول ۱۹۶۱ و mm۱۰/۶مBBBBBوج  Kت Kن ب جBBBBBوان، توسBBBBBط

۱۹۶۴صBورت گBرفت و در سBال ( Javan،Bennett،Hereto)هBیرت تولید شد.mm۱/۰۶لیزر با طول موج

سBال • زمینBه ۱۹۶۲از در متعBددی گزارشBهای بعBد بBه نBیز جوشBکاری شBامل کBه لBیزر متBالورژیکی کاربردهBای

از لیزرهBای بBا تBوان ۱۹۷۰می باشBد، موجBود اسBت. تBا سBال بBاال و پیوسBته در جوشBکاری اسBتفاده نشBد و از لیزرهBای

پالسی استفاده شد. اولین استفاده لیزر در علم پزشکی بود.•

3

تعریف لیزر

ليزر بBه معنBاي تقBويت نBور توسBط تشعشBع تحريBك شBده اسBت. پرتوهBای از هBای مجموعBه لBيزر سBاده، بسBيار عبBارت بBه پرتوهBا، شBعاع این همBاهنگی بBه خBاطر کBه هماهنBگ هسBتند

ليزر قدرت نفوذ بسيار باالیی دارد.آنچBه كBه سBبب می شBود پرتBو لBيزر از نورهBای ديگBر متمBايز كBه اسBت آن بفBرد منحصBر هBای ويBژگي حقيقت در شBود

درهيچ منبع نوری ديگر يافت نمی شود. :چهار ويژگی عمده ليزر عبارت اند از

- همدوسی- تك رنگی

- واگرايی كم- موازی بودن پرتو

4

داکاربردهای لیزر در مهندسی مو

. برش ورقه های غيرفلزی1. برش مواد فلزی -ورقه های فلزی مانند آهن و فوالد 2. حکاکی قطعات3. جوش ليزری4. سخت کاری ليزری5. اندازه گيری6

5

  صالح سطحاتعريف

اصBالح سBطح، عملي اسBت كBه بBراي ايجBاد مشخصBه هاي فBيزيكي، انجBام مBواد، سBطح روي بBر مختلBف بيولوژيBك و شBيميايي مي شBود. اصBالح سBطح معمBوال در مBواد جامBد و معمBوال بBا اهBداف

زير انجام مي شود:الف(كنترل شكست و سايش ب(افزايش مBقBاومBت بBه

خBوردگي ج(تغيير خواص فيزيكي مانند رسانايي، مقاومت الكتريكي،

انعكاس نور و ... د( تغيير زبري سطح ه( آبدوستي  و( زيست سازگاري  

ز(واكنش پذيري و ...

يBا بيولوژيBك بBا روش هBاي مختلBف اصBالح سBطح مBواد مي توانBد فBيزيكي- روش هBاي ميBان در انجBام شBBود. فBيزيكي- شBيميايي شBيميايي، اصBالح سBطح بBا لBيزر بBه خBاطر ويژگي هBاي منحصBر بBه

فردش داراي پتانسيل خوبي براي اين كار است. 6

هBب خBود سBطح مهندسBی در لBیزر گونBاگون گBروه 2کاربردهBای عمده تقسیم بندی

می شود:- تنها شامل اصالحات ریزساختاری1

- شامل تغییرات در ریزساختار و ترکیب2

بافت ریزیاعمال شوک

ذوب سطح

ی

سخت گردانی

رسوب دهی

باز ذوبروکش

کاریآلیاژکار

ی

7

روش های مهندسی در سخت گردانی سطحی فوالها

8

لیزر سختی

مقدمه•یكBي از راه هاي بهبود خواص سطحي مواد، مهندسي سطح

توسط ليزر است. مهندسي سطح با ليزر كاربردهاي فراواني در زمينه افزايش خواص سطحي مانند

سختي ،شكست،خستگي،مقاومت به سايش، خوردگي و ... .دارد

:انواع فرآیندهای لیزر سختی

اصالح خواص سطحي به دليل تغيير ريزساختار دراليه سطحي است

فرايند حرارت ي

اصالح خواص سطحي با اضافه كردن مواد جديد به مذاب است

فرايند شيميايي - حرارت ي

9

ع انوالیزر

لیزر دیود پرتوان

لیزرCO2

لیزرحالت :Ndجامد

YAG))

10

پروسه سخت گردانی•سخت كBاري فوالدهBا بBا گBرم كBردن آنهBا تBا بBاالي نقطBه بحBراني

( و سBپس سBرد كBردن سBريع آنهBا تBا دمBاي محيBط ċ 723)دمBاي انجام مي شود.

تشBكيل فBاز آسBتنيت 1Aبا حBرارت دادن فBوالد تBا بBاالي خBط شBروع مي شBود و بBا توجBه بBه درصBد كBربن فBوالد، تشBكيل آسBتنيت در دماهBاي بBاالتر ادامBه يافتBه و كامBل مي شBود. وقBتي كBBه در اين حBBالت، مBBاده سBBريع سBBرد شBBود، فBBاز مBBارتنزيت تشBBكيل خواهBBد شBBد كBBه اين فBBاز عالوه بBBر سBBختي داراي مقBاومت بBه سBايش بBااليي نBيز مي باشBد. البتBه بBراي سBخت كBاري سBطحي )ماننBد سBخت كBاري سBطح چBرخ دنBده(، بايBد درصBد كBربن فBوالد مBورد اسBتفاده جهت قطعBه مBورد نظBر، بين

باشBBد تBBا عالوه بBBر امكBBان سBBختكاري %0/5 تBBا0/35%سطحي، استحكام قطعه نيز باال باشد.

سخت كBردن سBطوح را مي تBوان توسBط جBاروب كBردن سBطح جسBم توسBط باريكBه لBيزر انجBام داد. هBر چقBدر حBركت كنBدتر باشBد، سBطح بBه دمBاي بيشBتري خواهBد رسBيد. حBداكثر دمBاي مجBاز بBراي سBطح، دمBاي ذوب مBاده اسBت. بBا توجBه بBه قBدرت لBيزر، قطBر باريكBه متمركBز شBده و سBرعت حBركت پرتBو لBيزر بBر روي سBطح قطعBه مي تBوان عمBق اليBه سBخت شBده را

محاسبه نمود.

11

ادامه پروسه سختگردانی...در سBخت گBردانی سBطحی,تنهBا سBطوح قطعBه کBار بایسBتی تBا دمBای آسBتنیته شBدن گBرم شBود وبایBد سBختگردانی بابیشBترین سBرعت انجBام شBود.چنین تمهیBداتی لBیزر را بBه عنBوان یBک منبBع انBرژی ایBده آل تعریBف میکنBد.چرا کBه لBیزر بBه راحBتی میتوانBد لیزرهBا حقیت کنBد.در تBامین را موردنیBاز انBرژی شBارهای

باسرعت باالقادر به سخت گردانی سطوح موردنیاز هستند.نBواحی بBا انتقBال حBرارتی سBریع از طریBق نBیز نهBایی کوینچ

سرد داخلی قطعه کار فوالدی انجام می پذیرد.چنین پروسه ای

نامیدهسلف کوینچ تحت عنوان می شود، که خود مزیتی عمده در

روند سخت گردانی سطحی با لیزر است.

12

تمپر کردن•مBارتنزیت از ای سBطحی متشBکل لBیزر، الیBه بBا گBردانی سخت تمBپر نشBده ایجBاد می نمایBد امBا عملیBات حBرارتی مجBدد الیBه ای کBه بBه کBردن تمBپر ماننBد اسBت، قBرار گرفتBه لBیزر تBابش تحت قبال نBدرت الزم می شBود. چراکBه مBیزان تمرکBز حBرارتی در پروسBه لBیزر بسBیار باالسBت. هرچنBد در بBرخی کاربردهBای خBاص، این الیBه بBرای حصBول تBافنس بیشBتر و کBاهش تBردی مBارتنزیت، تمBپر می

شود.

عمق های سخت گردانی•عمBق هBای سBختی قابBل دسBتیابی در کاربردهBای عملی بسBتگی بBه

فلزی دارد که مورد تابش قرار گرفته شده است. در فوالدهای کربن متوسطmm1/52 در فوالدهای کم آلیاژmm 2/03

13

14

SAKHTI.mp4

معایب مزایا

شار حرارتی با توان باال

عمق های سختی توانایی در ایجاد کنترل شده

سلف کویینچ و گرم کردن

سریع)کاهش واپیچش(

کنترل ساده و دقیق گرمایش ورودی به قطعه

نیاز به پوشش جاذب

محدود بودن های سختی باالدستیابی به عمق

هزینه باالی تجیهزات

15

نکات عملی•پBایینی بBرای اشBعه لBیزری 1 آلیاژهBای آهBنی ضBریب جBذب -co2

دارنBد.کم بBودن ضBریب جBذب، رانBدمان سBختکاری را پBایین می آورد. بنBابراین الزم اسBت بBه نحBوی ضBریب جBذب افBزایش یابBد.

افزایش زبری اعمال پوشش جاذب

- بBا افBزایش سBرعت اشBعه، زمBان بBرهمکنش اشBعه بBا سBطح 2قطعBه کBاهش می یابBد کBه این کBاهش زمBان مBوجب کBاهش دمBای سBطح و کBاهش نفBوذ حBرارت بBه داخBل قطعBه می شBود. در نتیجBه

عمق سختی کاهش می یابد.- گرمBای ورودی در طBول پروسBه بسBیار سBریع و دارای تمرکBز 3

بBاالیی اسBت، بطوریکBه تنBه قطعBه کBار تBا زمانیکBه سBلف کBویینچ مرتبBه 8 -5رخ می دهBد، سBرد بBاقی می مانBد. قطعBه بایسBتی

ضخیم تر از موضعی باشد که پرتو لیزر به آن می تابد.- بBدلیل ویBژگی سBلف کBویینچ، احتمBال زمBان توقBف در دمBای 4

آسBتنیته بBه انBدازه ای نیسBت کBه پBرلیت بطBور کامBل حBل شBود. مشخصBه یBک میکروسBاختارها و خBواص در اختالف بنBابراین فنBاوری لBیزر می باشBد. در نتیجBه انتظBار حساسBیت بBاالی مBواد

بBه نسBبت را لBیزر بBا شBده و ماشBینکاریسBخت کBاری تمBام سطحی بیشتر داریم.

16

ت ریزساختاری درفوالدهااتغییر

Surface

الزم به ذکر است که عملیات لیزرکاری سختکاری بر •فوالدهایی اعمال میشود که قابلیت تحول استحاله ای را

.% کربن برای دستیابی به 3دارند. بطور کلی حداقل سختی های معین در فوالدها الزم است.

بسته به ترکیب شیمیایی فوالد و عناصر کاربیدزا موجود در •ان،شبکه کاربیدی دست خوش تغییرات متفاوتی خواهدشد.

17

Hardened zone)HZ(

Transition zone)TZ(

Heat affected zone)HAZ(

Base metal)BM(

18

SEMبررسی تصویر کاربیBدها • از متفBاوت نBوع دو لBیزری حBرارتی در طی عملیBات

شکل میگیرد :اهن 1 کاربیBBدهای بشBBقابی:شBBکل بBBا Fe3C)-کاربیBBد ، (هسBBتند

گستردگی و یکنواختی بیشتری در ساختار پراکنده شدند. کBه باقیمانBده C Fe,M( 3)-کاربیBدهای کBروی ازنBوع کاربیBدهای مBرکب2

ماده پایه هستند. در اندازه و توزیع،تغییراتی دارند.هردو نBوع کاربیBد در طی پروسBه ی تمپرینBگ ایجBاد می شBوند ، •

در واقBع در طی اسBتنیته کBردن از طریBق لBیزر کاربیBدهای اهن این کBوئنچ سBلف طی در متعاقبBا و شBده حBل پایBه مBاده در

کاربیدها سلف آنیل می شوند.در نواحی نزدیک به سطح کاربیدها ناپدید می شوند به دلیل انحالل کاربیدها درطی استنیته کردن است چون نواحی نزدیک به سطح سریع سرد شده و مارتنزیت

پرکربن حاصل خواهد شد و کربن فرصت تشکیل کاربید را پیدا نخواهدکرد.

رفتارخستگی

هBای • پBژوهش بBر خBواص خسBتگی اثرلBیزر بBا رابطBه در زیBادی بBر فلBزات گونBاگون انجBام شBده اسBت. در بعضBی از تBاثیر لBیزر را بBر خBواص خسBتگی منفی می پBژوهش هBا وپارامترهBای مBاده تBرکیب بBه وابسBته آن دلیBل دانندکBه تحت قطعBات و مBواد بBرای � عمومBا ولی لیزراسBت. بارگBذاری خسBتگی, تBاثیر بBاالی سBختی سBطح روی خBواص بعلت خسBتگی هBای تBرک چراکBه اسBت. مثبت خسBتگی

تنش های پسماند جوانه نمی زند. هرچنBد فصBل مشBترک سBاختاری تBیز اغلب متصBل بBه تنش •

هBای پسماندموضBعی اسBت میتوانBد اثBر مخBربی روی عمBر خسBتگی بگBذارد. چBنین فصBل مشBترکی کBه شBیار سBاختاری نامیBده میشBود,محBل مناسBبی بBرای جوانBه زنی تBرک هBای

خستگی است.

19

رفتارخوردگیاثبBات شBده اسBت کBه در طی پروسBه ی لBیزر، مBارتنزیت •

جدیBد تشBکیل شBده کBه ایجBاد تنش هBای پسBماند فشBرده ای را لغزشBی سBایش بBه مقBاومت و سBختی و نمایBد می بBه مقBاومت روی سBوئی اثBر امBا دهBد، می افBزایش

خوردگی حفره ای می گذارد.

این • اگBر امBا گBیرد انجBام می هBوا در معمBوال لیزرسBختی فراینBد در اتمسBفر آرگBون انجBام شBود، مقBاومت خBوردگی

بهبود می یابد.

20

جوشکاری بالیزرحجم یک در سرمایش و گرمایش بین تعادلی لیزری جوشکاریمذاب ماده تشکیل به منجر که است جامد ماده دو یا یک از مشخص . مذاب ناحیه ایجاد لیزری جوشکاری مشخصه می شود آن انجماد و

اشعه شد ت جذب بوسیله گسترش مایع و رشد اجازه که استنتیجه در و داده را جامد مشترک فصل ناحیه درون به مذاب حوضچه . می شود ایجاد شد خواهند متصل که اجزایی میان پیوسته اتصال یکتخلخل ایجاد به منجر جوش ناحیه مقیاس و حجم در تعادل عدمجذب. به خروجی و ورودی گرمای بین تعادل به دستیابی می شود . دارد بستگی کاری قطعه در گرما یکنواخت توزیع و لیزر تابش ثابتدر داغ گازهای تجمع بوسیله � معموال قطعه درون به لیزر تابش مسیر . یک به داغ گاز این خاص شرایط در می شود مختل لیزر تمرکز نقطه

بر � شدیدا که می شود تبدیل ابرپالسماو جذب آنرا و گذاشته اثر لیزر باریکه

. می کند پخش

21

22

dbe9606f55d97739d5faf71abc5dc578187792.mp4

روکش کاری لیزریبBه • کBه هرجBایی در لBیزری کBاری روکش گفت می تBوان

اسBBتهالک، خBBوردگی، برابBBر در قطعBBات از محBBافظت سBاییدگی، زنBگ زدگی و ایجBاد حفBره نیBاز اسBت، کBاربرد دارد. روکش کBاری لBیزری نBوعی آلیاژسBازی سBطحی بBا اسBتفاده از لBیزر می باشBد. در این فراینBد الیه ای از یBک مBاده را بBه طBور افBزایش این عمBل سBبب کBه نشBانده اجسBام بBر روی دقیBق القBای بBدون زدگی زنBگ و خBوردگی برابBر در مقBاومت مغناطیسBی می گBردد. در طی این فراینBد یBک الیBه از آلیBاژ بBر حBداقل بBا البتBه ذوب می شBود، لBیزر توسBط پایBه مBاده روی تشBکیل جامBد پیونBد مBاده دو بین و پBایه. مBاده ذوب مBیزان می شBود. این عمBل مشBابه جوشBکاری می باشBد کBه بBا اعمBال لBیزر و ذوب دو مBاده، مBابین آنهBا پیونBد متBالوژیکی تشBکیل شBده

و با یکدیگر آمیخته می شوند.� بBه صBورت تBک مBرحله ای )اعمBال • روکش کBاری لBیزری معمBوال

مBاده روکش در حین فراینBد از طریBق پBودر یBا مفتBول( یBا دو طریBق از پالسBما ایجBاده و روکش مBاده )اعمBال مBرحله ای

تابش و ذوب دوباره توسط لیزر( انجام می شود.

23

شBکل نکتRه: • حBال در بسBیاری نوآوری هBای راه این در ابBداع درحBال دنیBا سراسBر محققBان و می باشBد گBیری روش های کارآمد تر و استفاده از مواد مختلف می باشند.

24

کاربرد پوشش دهی

پوشBش دهی بBا فسBفر و نیکBل بBه روش الکBترولس 1-بBاعث مقBاومت بBه خBوردگی می شBود.عملیات حBرارتی این پوشBش بBر خBوردگی پارامترهBا از مBؤثرترین یکی هاسBت.پس از عملیBات حBرارتی فازهBای سBخت فسBفید بBاعث و شBوند می تشBکیل کریسBتالی نیکBل و نیکBل افBزایش سBختی می شBوند و در حین انقبBاض منجBر بBه تBرک خBوردن پوشBش و قBرار گBرفتن زیرالیBه در معBرض خBوردگی می شBود.ذوب مجBدد سBطح بBا لBیزر بBاعث می بBه پوشBش چسBبندگی و شBده پوشBانده ترکهBا شBود زیرالیBه بهBتر شBود و در اثBر انجمBاد سBریع سBطح آمBورف خواهدشBد، همچBنین تBابش لBیزر سBرعت و کیفیت کBار را

در مقایسه با فرایندهای مشابه افزایش می دهد.

25

مه کاربرد پوشش دهی...ادا

-فلBزات شیشBه ای بBه علت داشBتن مقBاومت بBه خBوردگی 2بسBیار عBالی در محیBط هBای شBیمیایی متفBاوت و سBختی بBاال و مقBاومت بBه سBایش حBائز اهمیت بBوده کBه میتBوان از آن بBه پایBه عنBوان پوشBش و الیBه سBطحی اسBتفاده نمود.آلیاژهBای اهن دارای قBابلیت شیشBه ای شBدن خBوبی هسBتند کBه بBرای در یکنBواخت سBاختار آوردن دسBت وبBه سBطحی عملیBات جملBه از عناصBری افBزودن بBا انBد. مناسBب بسBیار سBطح

Nb,Mo,Cr اBدن رادر این الیاژهBه ای شBابلیت شیشBوان قBمی ت فBوق عناصBر بBاالی مقBادیر حBاوی کBه داد.فBوالدی افBزایش باشBد بBا اسBتفاده از عملیBات لBیزر می توانBد در سBطح خBود انتقBال در پایBه فلBز دهBد.نقش تشBکیل امBورف الیBه یBک بBاال بBوده بطوریکBه سBرعت سBرمایش حBرارت بسBیار مBؤثر توسBط خBود فBوالد و خاصBیت انتقBال حBرارتی ان بBه دسBت می

اید.

26

بحث و نتیجه گیری طحیBواپیچش س کBویینچ، قبیBل سBلف از بBا داشBتن مزایBایی لیزرسBختی

نBاچیز، ورودی گرمBا بBا تمرکBز بBاال و کنBترل شBده بعنBوان یBک شBیوه مطلBوب مهندسی سطح است.

از درBای موردنیBوان هBر از تBایین تBختی پBاز در لیزرسBای موردنیBتوان لیزرهعملیات های مشابه مانند جوش و برش لیزری است.

اBطح تBواخت از سBاد و یکنBختی زیBاد سBاعث ایجBزات بBاالی فلBذیری بBسختی پعمBق در طی عملیBات می گBردد و افت و خیزهBای سBختی را کمBتر می

کند.

وردگیBه خBاومت بBد، مقBانی باشBا همپوشBوام بBه تBورتی کBختی در صBلیزرسفوالدها را زیاد می کند.

دBح امBا دهBد افBزایش را فوالدهBا خسBتگی عمBر توانBد می لیزرسBختی خسBتگی را تBا حBدودی کBاهش می دهBد. بBر همین اسBاس پیکربنBدی صBحیح

خطوط لیزر مانع از جوانه زنی ترک های خستگی می گردد. 27

با سپاس

فراوان از توجه

شما

28