An Evaluation of the use of Laser-Vibration Melting to Increase the Surface Roughness of Metal Objects

• Autorzy: Grabas B.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0005

Warianty tytułu

PL

Analiza możliwości wykorzystania laserowo-wibracyjnego przetapiania do zwiększania chropowatości powierzchni elementów metalowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents preliminary, experimental results of a new, hybrid method of increasing the surface roughness of metal objects. In this new approach, metal objects are melted with a mobile laser beam while they are being rotated. A vibration generator provides circular vibrations with an amplitude of 3 mm, and the vibration plane is perpendicular to the moving laser beam. The melting tests were performed using flat carbon steel samples at a predetermined frequency of circular vibrations. The effects of laser power and laser beam scanning velocity on the melted shapes were studied. All laser melting procedures were performed at a vibration frequency of 105 Hz. The melted samples were subjected to microscopic evaluation and the R_a parameter, which characterises mean roughness, was measured using a profilometer. Melting metal samples with physically smooth surfaces (R_a = 0.21 µm) resulted in surface structures of varied roughness values, with R_a ranging from 5 µm to approximately 58 µm. The studies were undertaken to employ this technology for the purpose of passive heat exchange intensification of heating surfaces in practical applications.

PL

W artykule zaprezentowano wstępne wyniki eksperymentalne nowej hybrydowej metody zwiększania chropowatości powierzchni elementów metalowych. W metodzie tej wykorzystuje się przetapianie ruchomą wiązką laserową elementów metalowych poddanych równocześnie wibracji kołowej. Generator drgań wytwarza wibrację kołową o amplitudzie 3 mm, a płaszczyzna wibracji jest prostopadła do osi przemieszczającej się wiązki laserowej. Próbom przetapiania przy ustalonej częstotliwości wibracji kołowej poddano płaskie próbki ze stali węglowej. Badano wpływ mocy laserowej oraz prędkości skanowania wiązki laserowej na kształt przetopień. Wszystkie przetopienia laserowe wykonywano przy częstotliwości wibracji f = 105 Hz. Otrzymane przetopy poddane zostały obserwacjom mikroskopowym oraz pomiarom profilometrycznym parametru R_a charakteryzującego średnią chropowatość. W wyniku przetapiania technicznie gładkich powierzchni próbek metalowych (R_a = 0,21 µm), uzyskano struktury o zróżnicowanych chropowatościach, dla których R_a mieścił się w przedziale od ok. 5 µm do ok. 58 µm. Badania prowadzono pod kątem potencjalnych możliwości stosowania tej technologii do pasywnej intensyfikacji wymiany ciepła powierzchni płyt grzewczych.

Słowa kluczowe

EN

laser melting; surface roughness; laser treatment; vibration; nucleate boiling

PL

przetapianie laserowe; chropowatość powierzchni; obróbka laserowa; wibracja; zarodkowanie termiczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 33--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grabas B.

• Center for Laser Technologies of Metals, Kielce University of Technology, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• [1] R. L. Webb, Kim Nae-Hyun, Principles of Enhanced Heat Transfer, second ed., Taylor & Francis, New York, 2005.
• [2] M. Mpholo, T. Mathaba, H. Bau, A 2D analysis of surface roughness for prediction of boiling incipience. International J. of Heat and Mass Transfer. 53, 1313-1318 (2010).
• [3] R. I. Vachon, G. E. Tanger, D. L. Davis, G. H. Nix, Pool boiling on polished and chemically etched stainless steel surfaces, ASME J. of Heat Transfer. 90, 231-238 (1968).
• [4] T. M. Wójcik, Experimental Investigations of Boiling Heat Transfer Hysteresis on Sintered, Metal - Fibrous, Porous Structures. Exp. Thermal and Fluid Sc. 33, 397-404 (2009).
• [5] U. P. Hwang, K. P. Moran, Boiling heat transfer of Silicon inte-grated circuits chip mounted on a substrate, ASME J. of Heat Transfer. 20, 231-238 (1981).
• [6] T. Orzechowski, Wymiana ciepła przy wrzeniu na żebrach z mikro powierzchnią strukturalną. Politechnika Świętokrzyska, Kielce, Poland 2003 (In polish).
• [7] M. Izumi, K. Satoshi, S. Ryohachi, Y. Norio, Heat transfer en-hancement of dropwise condensations on a vertical surface with round shaped grooves. Experimental Thermal and Fluid Science 28, 243-248 (2004).
• [8] K. Ferjančič, I. Golobič, Surface effects on pool boiling CHF. Experimental Thermal and Fluid Science 25, 565-571 (2002).
• [9] J. P. McHale, S. V. Garimella, Nucleate Boiling from smooth and rough surfaces - Part 1: Fabrication and characterization of an optically transparent heater-sensor substrate with controlled sur-face roughness. Experimental Thermal and Fluid Science 44, 456-467 (2013).
• [10] B. J. Jones, J. P. McHale, S. Garimella, The Influence of Surface Roughness on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer. ASME J. of Heat Transfer. 131, 121009-1 - 121009-14 (2009).
• [11] M. Faucheux, G. Muller, M. Havet, A. Lebail, Influence of surface roughness on the supercooling degree: Case of selected water/ethanol solutions frozen on aluminium surfaces, Int. J. Refrigeration. 29 1218-1224 (2006).
• [12] J. M. Saiz Jabardo, G. Ribatski, E. Stelute, Roughness and sur-face material effects on nucleate boiling heat transfer from cylindrical surfaces to refrigerants R-134a and R-123. Exp. Therm. Fluid Sci. 33, 579-590 (2009)