Tratamente Superficiale cu Fascicul Laser

12. Tratamente superficiale cu fascicul laser

Tehnologiile de tratament cu fascicul laser fac parte din grupa tratamentelor termice superficiale neconvenţionale cu încălzire ultrarapidă (peste 103grad/s).

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. Patel [25], [26].

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 [27]. 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 [28].

Scopul tratamentelor de suprafaţă cu laserul este: durificarea superficială, creşterea capacităţii portante, a stabilităţii termice a structurii şi proprietăţilor superficiale, a rezistenţei la uzare şi oboseală, reducerea coeficientului de frecare.

Utilizarea laserului în tehnologiile de tratament superficial prezintă următoarele avantaje:

- încălzirea ultrarapidă a oricărui material metalic sau dielectric până la topire sau 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 mijloacele 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 o serie de dezavantaje:

- necesitatea aplicării unor acoperiri absorbante, care să intensifice cuplajul radiaţie laser - material prelucrat;

- suprafaţa prelucrată este de dimensiuni relativ mici (în general benzi înguste, cu lăţimea dependentă de puterea laserului).

- costul ridicat al instalaţiilor tehnologice.

Tratamentul superficial cu laserul este recomandat numai justificat, atunci când metodele clasice nu pot fi aplicate sau nu sunt performante.

12.1 Caracteristicile radiaţiei laser

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 [26]. În figura 12.1a s-a exemplificat generarea radiaţiei la un laser cu rubin, la care participă trei niveluri energetice: A-nivel fundamental, B-bandă de absorbţie, C-nivel îngust, pe care se face o tranziţie neradiativă.

Generatorul laser (fig. 12. 1b) este alcătuit dintr-o cameră de rezonanţă, limitată de două oglinzi paralele, puternic reflectorizante, O1 şi O2, care conţine un mediu activ solid, lichid sau gazos. Reflexia repetată a emisiei laser pe oglinzile de capăt, amplifică intensitatea radiţiei şi o direcţionează. Amplificarea radiaţiei creşte cu lungimea camerei de rezonanţă. Radiaţia laser formată se extrage în mediul de lucru prin fereastra practicată în oglinda reflectoare O2.