Tratamente termice cu încălzire rapidă și ultrarapidă - călirea cu laserul

Tratamentul superficial cu sursă concentrată de energie – fasciculul laser, este o tehnologie relativ nouă şi de perspectivă. Deşi efectul Laser – amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei – a fost fundamentat teoretic încă din anul 1917 de către Albert Einstein, primul generator laser cu corp solid a fost creat abia în anul 1960 de către Maiman şi Javan în SUA, iar laserul molecular cu CO2 în emisie continuă în anul 1964 de către C.K. Pate.

Primele referinţe de utilizare a unui laser în scopul modificărilor structurale de suprafaţă au fost menţionate în anii 1965 – 1969, în SUA, unde cercetătorii de la U.S. Steel au folosit un laser cu rubin pentru durificarea oţelului. Tratamentul termic cu laserul a fost introdus pentru prima dată în procesul de fabricaţie a unor repere de către General Motors Corporation, unde s-a realizat şi primul grup de laseri industriali.

Efectul laser se bazează pe amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei. Aceasta implică realizarea unei inversii de populaţii a electronilor pe nivelurile energetice ale unui mediu activ, prin suprapopularea unui nivel energetic superior. Inversia de populaţii se realizează cu ajutorul unui dispozitiv de pompaj, care introduce o energie suplimentară în mediul activ. Tranziţia electronilor de pe nivelul suprapopulat pe un nivel inferior este radiativă, fiind însoţită de emisie de fotoni.

Parametrii tehnologici utilizaţi în micrometalurgia cu radiaţia laser

Utilizarea laserului în tehnologiile de tratament superficial a fost posibilă datorită avantajelor sale:

Încălzirea ultrarapidă a oricărui material metalic sau dielectric până la topire sau în stare de vapori;

Obţinerea de structuri de călire ultrafine, deosebit de dure şi tenace, fără utilizarea unui mediu de răcire;

Obţinerea de stări în afară de echilibru, ca de exemplu starea amorfă, care nu se pot realiza prin mijloace clasice de încălzire;

Scurtarea duratei de tratament la ordinul secundelor, astfel încât se reduc deformaţiile piesei, zona influenţată termic, oxidarea şi decarburarea;

Durificarea locală a zonelor active ale pieselor de dimensiuni mici şi cu configuraţii complexe;

Procesul de prelucrare este complet automatizat.

La prelucrarea cu laserul există însă şi o serie de dezavantaje:

Costul ridicat al instalaţiilor tehnologice;

Suprafaţa prelucrată este de dimensiuni mici (în general benzi înguste, cu lăţimea dependentă de puterea laserului)

Productivitate scăzută.

Caracteristicile radiaţiei laser

Fasciculul laser este o radiaţie electromagnetică cu caracteristici unice:

monocromaticitatea, radiaţia laser are un interval spectral foarte îngust, care poate fi caracterizat printr-o lungime de undă şi o anumită frecvenţă. De aceea, densitatea de putere a radiaţiei depăşeşte cu câteva ordine de mărime alte tipuri de energie electromagnetică. În funcţie de natura mediului activ, lungimea de undă poate varia în limite largi: λ=10-2-10μm. În practica tratamentului termic, se utilizează însă radiaţii cu λ=0,6 - 10,6μm şi frecvenţe =1015-1011Hz;

coerenţa spaţială şi temporală, radiaţia îşi păstrează caracterul sinusoidal al undei în timp şi pe distanţe mari de propagare, dând naştere unei unde plane de fază constantă;

direcţionalitatea, radiaţia are o divergenţă foarte redusă şi se poate concentra prin focalizare pe suprafeţe foarte mici, ceea ce conduce la densiţăţi de energie şi putere foarte mari.

Aceste caracteristici determină cea mai importantă proprietata pentru tratamentul termic: capacitatea de a concentra într-un timp extrem de scurt o cantitate mare de energie pe o suprafaţă mică. Densitatea de putere poate varia uzual între: 103 - 1010W/cm2, iar densitatea de energie între: 102 - 108J/cm2 la durate de interacţiune cu materialul de10-8-1s.

Parametrii tehnologici

Evaluarea corectă a posibilităţilor şi limitelor procedeelor tehnologice de tratament superficial cu laserul impun considerarea caracteristicilor elementelor care intervin în cuplajul undă electromagnetică – material: fasciculul laser, materialul prelucrat, mediul de lucru. Volumul de interacţiune poate fi divizat în trei zone:

Suprafaţa materialului în care are loc absorbţia de energie prin efect fotoelectric intern şi convertirea ei în căldură;

Substratul materialului în care are loc transferul de căldură prin conducţie termică, de la suprafaţă în volum;

Mediul de lucru în care intervin procese de disociere, ionizare, reacţii chimice, etc.