123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

Laserové dělení materiálu

Připraveno podle publikace vydané a.s. Technologické centrum, Brno,
autor p. Ing. Petr Zatloukal

Dělení materiálů je stále velmi důležitou nepominutelnou výrobní operací. Používá se k tomu celá řada metod, každá z nich si vytvořila svoji oblast optimálního použití. Každá z nich má ale nějaký závažný nedostatek, který brání jejímu univerzálnímu používání, a tak přicházejí stále další a modernější postupy.

K nejnovějším metodám patří laserové dělení, při kterém zfokusovaný laserový paprsek s mimořádně vysokou koncentrací výkonu umožňuje dělit materiály a slitiny prakticky nezávisle na jejich tepelně-fyzikálních vlastnostech. Dosahuje se přitom velmi malá šířka řezu s minimálním tepelně ovlivněným pásmem. Při laserovém dělení nedochází k mechanickému působení na zpracovávaný materiál a vznikají jen minimální deformace. Proto je možné dělit materiály s vysokou přesností, a to i materiály velmi lehce deformovatelné nebo křehké.

Velká koncentrace výkonu v laserovém paprsku zabezpečuje vysokou produktivitu práce a vynikající kvalitu řezu. Snadné ovládání laserového paprsku průmyslovým robotem nebo manipulátorem umožňuje dělit materiály i složitými křivkovými řezy na ploše i v prostoru. Z cenového hlediska je dnes produkce z technologických pracovišť pro dělení materiálů laserem konkurence schopná ve srovnání s ostatními technologiemi dělení.

Jedinou, ale nepochybně závažnou nevýhodou zůstává vysoká cena zařízení.

Metody řezání laserem je možno rozdělit na

  • tavné
  • oxidační
  • sublimační

    Tavné řezání laserem

    U tavného řezání laserem se dělený materiál lokálně nataví a vzniklá tavenina se od základního materiálu odděluje proudem vysoce čistého inertního plynu, který se do místa řezu přivádí, ale na vlastním procesu řezání se nepodílí. Ve srovnání s ostatními metodami řezání laserem lze u tohoto způsobu docílit jen nižší řezné rychlosti. Maximální řezná rychlost stoupá lineárně s výkonem laseru a snižuje se přibližně lineárně s tloušťkou řezaného materiálu a s jeho teplotou. Laserový paprsek je jen velmi málo absorbován. Tento způsob je vhodný především k vytváření nezoxidovaných řezů kovových materiálů, jako např. nerezových ocelí, hliníku, mosazi, mědi a pozinkovaného plechu. Použijeme-li jako inertní plyn dusík s vysokou čistotou a vysokým tlakem 1-2 MPa na trysce, jsou výsledkem řezání kovové lesklé řezné plochy, které nevyžadují žádné finální úpravy. V závislosti na kvalitě řezaného materiálu se mohou na spodní hraně řezu objevit otřepy, které je nutno odjehlit.

    Oxidační řezání laserem

    Oxidační řezání laserem se od tavného řezání liší pouze použitím kyslíku jako řezného plynu. Vzájemným účinkem kyslíku s roztaveným povrchem kovu vzniká exotermní reakce, která má za následek další ohřívání materiálu. V důsledku tohoto efektu lze dosáhnout u konstrukčních ocelí vysokých rychlostí řezu, řez je však širší a horší kvality, s vyšší drsností a s větším tepelně ovlivněným pásmem. Tento způsob není proto vhodný pro zhotovování ostrých geometrických tvarů, malých otvorů, apod. Určitým východiskem je přechod na pulzní provoz laseru, kdy se řezaný materiál v mezeře mezi jednotlivými pulzy ochladí a nenastává exotermní reakce. Další vylepšení kvality řezu je možné dosáhnout regulací výkonu laseru, který musí být optimalizován dle tloušťky materiálu. Řezná rychlost je pak omezena sníženým výkonem laseru.

    Sublimační řezání

    Sublimační způsob řezání, při kterém se materiál v místě řezu odpařuje, se v dnešní době velmi málo používá. Pro minimalizaci tavné zóny, která vzniká na hraně řezu, je nutná vysoká hustota energie laserového paprsku. Zároveň se musí kontrolovat tloušťka řezaného materiálu, která nesmí překročit průměr paprsku, aby páry materiálu znovu nezkondenzovaly a nesvařily řez. Tato omezení platí u materiálů, u nichž vzniká tekutá fáze. U materiálů, které se netaví, např. dřevo, keramika apod., omezovací faktor tloušťky neplatí. Sublimační řezání vyžaduje pečlivé nastavení optiky v závislosti na tloušťce materiálu. Maximální řezná rychlost je nepřímo úměrná odpařovacímu teplu materiálu a přímo úměrná rychlosti proudění řezného plynu.

    Řezný proces

    Řezný proces probíhá na základě vzájemného působení laserového paprsku, řezného plynu a řezaného materiálu. Oblast, ve které k těmto účinkům dochází, je ohraničena řeznou spárou ve směru řezu a nazývá se čelem řezu. Paprsek, který na toto čelo působí, musí natavit materiál na teplotu, která vede ke změně pevné fáze materiálu na kapalnou a plynnou.

    Pásmo, které absorbovaný laserový paprsek ohřívá až na teplotu tání, se v důsledku exotermické reakce s proudícím kyslíkem ještě dále otepluje až k teplotě vznícení. Následuje silné odpařování materiálu, které vede k jeho odvodu. Současné mechanické působení proudu řezného plynu unáší částice tekutého materiálu mimo prostor řezu. Roztavené pásmo se pohybuje ve směru řezu a proces natavování se neustále opakuje. Laserový paprsek v případě kontinuálního řezání tedy stabilně postupuje a představuje vlastní "řezný" nástroj.

    Analýzou popsaného procesu lze teoreticky vypočítat řeznou rychlost, šířku řezu, tepelné ovlivnění okraje řezaného materiálu a vznik charakteristických rýh, které způsobují vlastní drsnost řezné plochy. Při analytickém řešení je třeba brát v úvahu i soubor parametrů podle následujícího schématu.

    Parametry laserového záření použitého pro řezání

    Laserový paprsek je definován svojí vlnovou délkou, výkonem, rozdělením hustoty energie v příčném průřezu (módem), polarizací, divergencí a průměrem. Pro dosažení potřebné hustoty energie pro řezání je laserový paprsek fokusován optikou (takřka výhradně čočkovou), která je definována ohniskovou vzdáleností, transparencí, absorpcí a reflexivitou, fokusační kaustickou plochou a hloubkou ostrosti. Řezný proces dále ovlivňuje poloha ohniska fokusační optiky ve vztahu k povrchové ploše materiálu.

    Protože celá řada parametrů je definována principiálně a nelze je u daného laseru měnit, pro vlastní technologický proces jsou důležité pouze tyto parametry:

  • výkon laserového paprsku,
  • transparence fokusační optiky (především její snižování se stárnutím optiky),
  • ohnisková vzdálenost optiky,
  • poloha ohniska ve vztahu k povrchové ploše obrobku.

    Tepelně-fyzikální vlastnosti řezaného materiálu

    Pro technologický proces řezání jsou rozhodující tyto tepelně-fyzikální vlastnosti materiálu:

  • reflexivita řezaného materiálu rozhodující pro vlnovou délku laserového paprsku,
  • hustota materiálu,
  • tepelná kapacita,
  • skupenské teplo tání,
  • skupenské teplo výparné,
  • tepelná vodivost,
  • teplota tání,
  • teplota vypařování,
  • chemická energie vzniklá při reakci řezaného materiálu s kyslíkem,
  • elektrický odpor materiálu.

    Parametry řezného plynu Pro proces řezání jsou důležité tyto parametry řezného plynu:

  • druh plynu,
  • pracovní tlak,
  • průměr trysky, kterou proudí řezný plyn,
  • geometrie tvaru trysky.

    Tlak plynu a geometrie tvaru trysky ovlivňují kvalitu řezu, drsnost povrchu řezné plochy a tvorbu otřepů. Tlak plynu se pohybuje při řezání nízkotlakém do 100 kPa, při řezání středotlakém do 500 kPa a při řezání vysokotlakém do 2 MPa. Konvenční trysky mají kruhový, kuželovitě se rozšiřující otvor. Odstup trysky od materiálu musí být co možno nejmenší, aby plyn optimálně působil v řezné drážce. Obvykle se pohybuje mezi 0,5-2,5 mm. Na odstranění taveniny z drážky se podílí pouze ta část plynu, která do ní vstupuje. Proto se jeví výhodný průměr trysky přibližně rovný šířce řezné drážky řezu. Takto malý průměr se však brzy znečistí a znemožňuje další řezání. Proto v praxi leží průměr trysek mezi 1-2,5 mm. Spotřeba řezného plynu je závislá na průměru trysky a tlaku plynu.

  • Zpět na laser ve strojírenství



    logo welding.cz