Univerzitet u Kragujevcu Fakultet Inenjerskih Nauka u Kragujevcu

TREI SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA Istraivaki rad u mainstvu

ISPITIVANJE KVALITETA OBRADE KOD LASERSKOG SEENJA

Predmetni nastavnik: Prof. dr Slavko Arsovski

Student: Nikola Stojanov332/2011

U Kragujevcu, April 2012

naliza problemaKvalitet povrine u funkciji stepena (kvaliteta) obrade metala u mainstvu vrlo esto se vezuje iskljuivo za hrapavost. Posle zavrne obrade, primenom struganja, glodanja ili bruenja, ostvaruje se obino visok sjaj obraenog predmeta ali to nije bio predmet nekih daljih analiza. Za ogromnu veinu postupaka obrade u "klasinom mainstvu" hrapavost jednostavno nije predmet interesovanja. Pojavom mogunosti obrade metala laserskim snopom (bilo za seenje, buenje, povrinsko legiranje, varenje ili slino) nastali su neki novi problemi i reenja, do tada nepoznati u klasinom mainstvu. Laserski snop, kao i obian svetlosni zrak, u irem fizikom smislu pripada grupi elektromagnetnih talasa, tako da za isti vae optiki zakoni ali, u irem kontekstu, i zakoni koji se odnose na elektromagnetne talase. Neke pojave prilikom dejstva laserskog snopa na tretirani materijal jednostavno se moraju objanjavati na sloeniji nain, nego to tretira klasino mainstvo. To se, pre svega, odnosi na pojave vezane za pogaanje povrine laserskim snopom, a u konkretnom sluaju ovde se radi o mogunosti laserskog secenja metala sa sjajnom povrinom. Tehnologija obrade povrina poslednjih decenija je zabeleila, slobodno se moe rei, ogroman rast. Osnovna svrha obrade povrine je u promeni (poboljanju) osobina osnovnog materijala. Bazini pravci u kojima se kree tehnologija obrade povrine su: smanjenje koeficijenta trenja (zatita od habanja) smanjenje uticaja korozije promena elektrinih i magnetnih osobina promena optikih osobina

Svaka od navedenih oblasti, u sutini, je vrlo iroka i zahteva specijalistiki prilaz. Istovremeno, sve navedene oblasti imaju izuzetan komercijalni znaaj, usled znaajnog poboljanja kvaliteta gotovog proizvoda, mogunosti masovne proizvodnje, esto nie cene i td. Za ostvarivanje postavljenih ciljeva na raspolaganju stoje brojne tehnike, tehnologije, metode.Laserske metode, jo uvek, su dominantne u seenju i varenju metala. Obzirom da je laserski snop u sutini svetlosni snop, onda za njega vae mnogi optiki zakoni. Od posebne vanosti je refleksija laserskog snopa, jer kao to moe da se oekuje, prevelika refleksija emitovanog laserskog snopa mnogo umanjuje upotrebljivost cele laserske tehnologije

2.Analiza metoda istraivanjaMetodologija kao re oznaava nauku o metodama, odnosno o nainima rada u nekoj oblasti stvaralatva.

Produktivnost obrade, zavisi direktno od brzine seenja. Brzina seenja je drugi po znaaju bitan parametar za seenje laserom i zavisi od niza faktora: snaga lasera, mod, veliina svetlosne mrlje, vrsta i debljina materijala radnog predmeta itd. Uzimajui u obzir kvalitet reza i posmatrajui brzinu rezanja u funkciji od debljine materijala radnog predmeta, moe se definisati oblast upotrebljive brzine seenja koja je ograniena donjom i gornjom graninom krivom. Na slici 1. prikazan je uticaj debljine lima na maksimalnu debljinu seenja.

Slika 1. Zavisnost maksimalne brzine seenja od debljine lima za niskougljenine elike 1. P=625 W, 2. P=1250 W Kvalitet obrade kod seenja laserom je odreen kvalitetom reza i tanou oblika i dimenzija. Kvalitet reza se obino definie geometrijskim karakteristikama (irina reza, hrapavost obraene povrine) i fiziko-hemijskim karakteristikama na izraenoj povrini materijala predmeta obrade. Kvalitet i tanost obrade seenja laserom, u najveem stepenu zavise od: brzine rezanja, snage laserskog mlaza, vrste i pritiska gasa, prenika i poloaja mlaznice u odnosu na povrinu predmeta obrade, kao i od kvaliteta upravljake jedinice u sluaju NC ili CNC laserske maine za seenje lima. Tanost oblika i dimenzija radnog predmeta odreeni su karakteristikama radnog stola (tanost pozicioniranja) i kvalitetom upravljake jedinice Na slici 2. dat je ematski prikaz laserskog mlaza.

Slika 2. ematski prikaz laserskog mlaza

irina reza je bitna karakteristika seenja laserom. Vrednost irine reza kod metala je mala, kree se od 0.1-0.3 mm, pri seenju elinih limova. irina reza se poveava sa poveanjem debljine lima. Seenje materijala fokusiranim snopom laserskih zraka karakterie pojava suenja reza. Veliina suenja zavisi od vie faktora, prvenstveno od ine daljine soiva za fokusiranje i defokusacije ali i od osobina materijala predmeta obrade i polarizacije laserskih zraka. Hrapavost povrine reza je takoe bitna karakteristika procesa seenja laserom. Vizuelnim posmatranjem povrine reza uoavaju se dve zone: gornja, u podruju ulazne strane snopa (fino obraena povrina) i donja, u podruju izlazne strane snopa (povrina reza je grublja). Pri obradi metala, po duini reza sa donje strane, formira se greben od otvrdnutog metala i metalnih oksida, ime se pogorava kvalitet obrade. Na slici 3. prikazana je pojava grebena prilikom seenja metala.

Slika 3. - Pojava grebena pri seenju metala laserom Veliina grebena zavisi od snage laserskog snopa, vrste i debljine metala i pritiska gasa. U tabeli 2. dati su podaci za parametre grebena hg/ag u zavisnosti od snage laserskog snopa za razliite debljine lima pri pritisku gasa od 5 bar.

Debljina lima, mm

Odnos visine prema irini grebena pri snazi laserskog snopa, hg/g 800, W 450, W 300, W 0.12/0.24 0.22/0.31 0.31/0.36 0.25/0.45 0.37/0.60 0.45/0.70 0.31/0.52 0.49/0.69 0.58/0.82

1.0 1.5 20

Tabela 1. - Dimenzije grebena pri razliitim snagama laserskog snopa Kao to se vidi u tabeli 1, dimenzije grebena su vee ukoliko je snaga laserskog snopa manja, a debljina lima vea.

Da bi se smanjila ili da bi se izbegla pojava grebena koriste se razne tehnike: prethodna oksidacija, fosfatiranje ili hromiranje povrina. Meutim, navedeni postupci nisu lako izvodljivi, a i sam proces seenja je znatno skuplji. Jedna od tehnika moe biti i seenje laserom u tenoj sredini.

3.HipotezaHipoteza predstavlja pretpostavku koja je zasnovana na odreenim injenicama (najcece naunim ili iskustvenim). Ona moe biti ili dokazana ili opovrgnuta. U cilju sprovoenja ovog eksperimenta postavljene su sledee pretpostavke: Hipoteza: 1. Poveanjem debljine materijala, smanjuje se kvalitet obrade 2. Smanjenjem brzine u zavisnosti od debljine materijala , poboljava se kvalitet.

Slika 4. Algoritam za postavljanje teorije

4.Plan i opis eksperimentaIspitivanje se odnosi na kvalitet rezanja pri optimalnim vrednostima parametara obrade za materijal 0361 debljine 6 mm, 10 mm, 15 mm i 20 mm, odnosno uticaj debljine lima na kvalitet povrine rezanja.Merenje hrapavosti se vri usled delovanja laserskog zraka pri razliitim brzinama seenja. Merenje hrapavosti vreno je na mernom sistemu Talysurf 6. Merni sistem slui za merenje karakteristika mikrogeometrije kontaktnih povrina prikazan na slici (4). Ureaj je kompjuterizovan i ima irok spektar mogunosti kao to su: merenje osnovnih i dopunskih parametara hrapavosti i valovitosti, statistika obrada rezultata merenja parametara hrapavosti, prikazivanje rezultata na ekranu, njihovo memorisanje, tampanje i crtanje, prostorno skeniranje povrine. Korienjem ovog mernog sistema dobili smo vrednosti parametara mikrogeometrije povrine obraenog materijala.

Slika 5. Ureaj za merenje hrapavosti Talysurf Materijal predmeta obrade je 0361(S235 JRG2), njegove karakteristike su prikazane u tabeli 1.Vrsta materijala C(%) 0361 (S 235 JRG2) 0.17 Mn(%) 1.40 Si(%) P,S(%) Hemijski sastav Mehanike osobine Re(N/mm2) 235

0.03 -0.30 0.045

Tabela 2. Karakteristike materija

5.Statiki podaci i dobijeni rezultatiCilj drugog ispitivanja je utvrivanje uticaja debljine materijala na kvalitet obraene povrine pri optimalnim vrednostima parametara obrade (preporuenim od strane proizvoaa) za materijal 0361 debljine 6 mm, 10 mm (iz predhodnog ispitivanja), 15 mm i 20 mm. 1. Materijal debljine 6 mm Parametri lasera: v = 3100 mm/min; P = 3.8 kW; p = 0,6 bar-a; f = 0.5; s = 6 mm Ra Rq Ry Rtm Rv Rp Sm q Rsk Rku S R3z(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) () (m) (m)

Poetak Kraj

23 8.7

27.1 10

97 43

88 33

46 24

54 19

701 587

16.9 9.7

0.2 -0.2

2 2

686 105

0 15

Topografija ulazne povrine60

Visina neravnina , m

40 20 0 -20 -40 -60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Duzina profila , mm

Topografija izlazne povrine60

Visina neravnina , m

40 20 0 -20 -40 -60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Duzina profila , mm

Slika 6. Izgled povrine radnog predmeta debljine 6 mm 2. Materijal debljine 15 mm Parametri lasera: v = 1200 mm/min; P = 3.8 kW; p = 0,4 bar-a; f = -1; s = 15 mm Ra Rq Ry Rtm Rv Rp Sm q Rsk Rku S R3z(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) () (m) (m)

Poetak Kraj

7.3 4.4

8.8 5.7

41 33

30 19

19 17

22 23

353 170

11 12.4

0.1 0.7

2.4 4.7

91 37

15 12

Topografija ulazne povrine40 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,0

Visina neravnina , m

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Duzina profila , mm

Topografija izlazne povrine40 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,0

Visina neravnina , m

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Duzina profila , mm

Slika 7. Izgled povrine radnog predmeta debljine 15 mm

3. Materijal debljine 20 mm Parametri lasera: v = 1000 mm/min; P = 4.7 kW; p = 0,7 bar-a; f = 0.5; s = 20 mm Ra Rq Ry Rtm Rv Rp Sm q Rsk Rku S R3z(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) () (m) (m)

Poetak Sredina Kraj

11.1 4.6 2.05

12.9 5.8 2.52

50 22 13

46 17 11.1

20 15 6.3

32 14 6.6

309 197 96

17.8 13.6 10.8

0.5 -0.2 0.1

2.1 2.7 2.5

200 46 43

15 14 8

Topografija ulazne povrine40 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,0

Visina neravnina , m

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Duzina profila , mm

Topografija sredinje povrine40 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,0

Visina neravnina , m

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Duzina profila , mm

Topografija izlazne povrine40 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,0

Visina neravnina , m

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Duzina profila , mm

Slika 8. Izgled povrine radnog predmeta debljine 20 mm

Grafiki prikaz rezultata

Dijagram 1. Zavisnost srednjeg aritmetikog odstupanja profila (Ra) i maksimalne visine neravnina (Rm) od debljine materijala90 80 70 60 Ra, na pocetku Ra, na kraju Rm, na pocetku Rm, na kraju 90 80 70 60

40 30 20 10 0 4 6 8 10 12 14 16 18 20

40 30 20 10 0 22

Debljina materijala, s , mm

Sa dijagrama 5. uoavamo da za debljinu materijala od 10 mm imamo najmanje vrednosti parametara (Ra, Rm). Za debljine materijala od 15 i 20 mm vrednosti parametara hrapavosti rastu. Imajui u vidu da su sva etiri materijala razliite debljine seena optimalnim parametrima za datu debljinu materijala moemo konstatovati da sa poveanjem debljine materijala bez obzira na optimalne parametre visina neravnina raste. Smanjeni kvalitet povrine predmeta obrade debljine 6 mm prouzrokovan je veom brzinom rezanja, odnosno nepovoljnim odnosom brzine rezanja i snage lasera.

Rm, m

Ra, m

50

50

6. ZakljuakKvalitet povrine obraenih mainskih delova uglavnom se svodi na nisku hrapavost, to je ve dobro definisano mnogim nacionalnim i meunarodnim standardima. Ono to je povoljno i posebno se zahteva kod mnogih proizvoda, to su niska hrapavost i visok sjaj. Eksperimentalna istrivanja vezana za kvalitet obraene povrine, ugljeninog elika 0361,potvrdila su ve neke hipoteze , koje su ranije uspostavljene .Sa poveanjem debljine lima pogorava se hrapavost povrine rezanja i potrebno je smanjiti brzinu rezanja a poveati snagu lasera. Pritisak pomonog gasa treba uskladiti sa debljinom lima i brzinom rezanja. Detaljno poznavanje tehnologije laserskog seenja omoguava njenu uspenu primenu u proizvodnji, odnosno, pravilan odabir parametara obrade dovodi do poveanja kvaliteta obraenih materijala.

7.Literatura1.http://www.cqm.rs/2010/pdf/37/52.pdf 2. BYSTRONIC, Bystar - Operating instructions, 2008. 3. BYSTRONIC, Bylaser 5200 ARC - Operating instructions, 2008. 4. Milovanovi, M., Primena laserske tehnologije u zavarivanju i seenju, Varstroj, Ljubljana, 2004.