Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy řezu

Transkript

1 UNIVEZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA KATEDRA OPTIKY Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy řezu Effect of the laser parameters on the recast layer of cut Autor práce: Vedoucí práce: Konzultant práce: Studijní obor: Bc. Karel Pudil Ing. František Komárek, Marek Dalloš Doc. RNDr. Richard Horák, CSc. Digitální a přístrojová optika Datum odevzdání: 30. dubna 2013

2 Abstrakt Práce popisuje průmyslový postup řezání laserovým svazkem, vlastnosti svazku a procesní parametry, ovlivňující kvalitu řezu. Dále jsou zde uvedeny teoretické předpoklady a jejich porovnání s laboratorními výsledky. V závěru práce je uveden souhrn výsledků a doporučení, které by mohly pomoci při odstranění podobného problému. Klíčová slova: Průmyslové použití laseru, řezaní laserem, přetavená vrstva, otřepy. Abstract This work describes an industrial process of cutting by laser beam, beam characteristics and process parameters affecting the quality of the cut. In work are presented theoretical considerations and comparison with laboratory results. The conclusion summarizes the results and recommendations that could assist in the elimination of similar problem. Keywords: Industrial use of laser cutting, laser cutting, recast layer, burrs.

3 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy vypracoval samostatně pod vedením Ing. Františka Komárka a Marka Dalloše s použitím citovaných zdrojů.... Podpis autora Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce, Ing. Františku Komárkovi a Marku Dallošovi za vedení a pomoc při přípravě práce. Zároveň bych chtěl poděkovat Doc. RNDr. Richardu Horákovi, CSc., který mi poskytl praktické rady při zpracování práce. A v neposlední řadě bych chtěl poděkovat svým rodičům za morální podporu a zázemí, bez kterého by práce vznikala mnohem složitěji.... Podpis autora

4 Obsah 1 Úvod Teoretická část Laser Využití laseru v průmyslu Laserové povrchové kalení Přetavování povrchu laserem Laserové povlakování Čištění a leštění povrchu laserem Laserové svařování Laserové vrtání Řezání laserem Laserové řezání Charakteristika laserového řezání Vlastnosti materiálu Typy řezání Řezání s aktivním plynem Řezání s inertním plynem Vypařování Škrábání/vrypování Chemická degradace Uspořádání řezací hlavy Charakteristika svazku Vlnova délka Výkon záření Prostorový mód Polarizace Časová modulace Optická ohnisková vzdálenost Parametry řezného procesu Pozice ohniskové roviny Řezací rychlost Plyn Odstup a geometrie trysky Porovnání s vodním paprskem... 19

5 3.8 Vlastnosti laserem řezaných materiálů Kvalita řezu Nedokonalosti Otřepy Řezná spára Šířka tepelně ovlivněné zóny Praktická část Parametry a popis laseru Návrh a výroba vzorku Materiál Inconel Materiál Hastelloy X Plazmový nástřik Postup vyhodnocení vzorků Vyhodnocení vzorků Výsledky vyhodnocení vzorků Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 1 mm Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 4,8 mm Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm opatřeného plazmovým nástřikem Závěr Literatura Příloha CNC program Tloušťka materiálu 1 (0,99-1,06) mm Tloušťka materiálu 2,3 (2,29-2,33)mm Tloušťka materiálu 4,8 (4,75-4,92)mm Tloušťka materiálu 2,3 (2,29-2,33)mm + plazmový nástřik 0,31-0,55mm Tloušťka materiálu 7,2 (7,17-7,30)mm... 88

6 1 Úvod V diplomové práci je řešeno řezání laserovým svazkem na průmyslově používaných laserech. Cílem je určení vstupních parametrů řezného procesu, které nejvíce ovlivňují přetavenou vrstvu materiálu. Námi zvolené parametry jsou: výkon laseru, délka pulzu, frekvence, místo zaostření svazku, vzdálenost trysky od povrchu materiálu, rychlost posuvu, tlak a druh plynu. Z následného vyhodnocení vstupních parametrů se snažíme najít ideální podmínky řezu. Velikost otřepů je posouzena prostým okem. Přetavená vrstva a mikrotrhliny jsou vyhodnoceny v laboratoři firmy Honeywell podle normy EMS 52571, což je norma pro vyhodnocení řezu u vzorků vyrobených pomocí laserového záření. Dále je posouzeno vyjmutí vzorku ze základního materiálu. Praktická část vznikla ve spolupráci s firmou Honeywell, jedná se o společnost zaměřující se na vývoj leteckých součástí, automatizaci a řízení, speciální materiály a dopravní systémy. Firma zaměstnává více jak zaměstnanců po celém světě. Sídlo firmy je ve městě Phoenix státu Arizona. Hlavní zákazníci jsou například EADS/Airbus, Bell, Boeing a National aeronautics and space administration (NASA). 1

7 2 Teoretická část V teoretické části je stručně popsán vývoj a princip laseru. V následující kapitole je uvedeno použití laseru v průmyslu se zaměřením na řezání a řezací parametry CNC stroje. 2.1 Laser Princip stimulované emise byl fyzikálně popsán v roce 1917 Albertem Einsteinem, ale první zkonstruovaný laser vznikl roku 1960 Theodorem H. Maimanem v USA. Jednalo se o pevnolátkový rubínový laser, pracující pouze v pulzním režimu. Tři roky na to byl vynalezen plynový CO 2 laser. (1) Laser je tvořen aktivním prostředím, rezonátorem a zdrojem energie, jenž budí aktivní prostředí, kde dochází ke změně inverze populace. Jakmile dojde k emisi fotonu, vzniká lavinový efekt způsobující, že elektrony v excitovaných stavech přechází na základní rovinu a vyzařují identické fotony. Tomuto jevu se říká stimulovaná emise fotonů. Umístění aktivního prostředí do rezonátoru tvořeného zrcadly pomáhá exponenciálně zvyšovat počet fotonů s každým odrazem. Svazek opouští rezonátor přes výstupní polopropustné zrcadlo. Aby celý mechanismus mohl fungovat, musí být splněna prahová podmínka minimálního zisku, která říká, že s každou periodou průchodu fotonu prostředím, se musí zvýšit hustota fotonů, nebo nejhůře zůstat stejná. ( ) (2.1) Kde a jsou reflektivity zrcadel rezonátoru, je koeficient zesílení, je celkový koeficient ztrát, je celková délka rezonátoru. Obr. č. 2.1: Popis laseru 2

8 2.2 Využití laseru v průmyslu V posledních letech se vývoj laseru značně urychlil, zmenšil svůj rozměr a podstatně zvýšil výkon. Také se stal energeticky účinnější a začal se používat v aplikacích, ve kterých to předtím nebylo možné. Existuje rozsáhlé množství druhů laserů, z nich každý má své využití v nejrůznějších oborech. Ultrarychlé femtosekundové lasery se používají k výrobě mikroskopických částí pro lékařské a elektronické společnosti. Ultrafialový výstup z excimerových laserů je ideální pro chemickou depozici z plynné fáze nebo výrobu součástí nanometrových rozměrů. (2) Laserové povrchové kalení Jedná se o jednu z nejmodernějších technologií povrchového tepelného zpracování. Výhoda oproti klasickému kalení indukcí nebo plamenem je v tom, že se ovlivňuje pouze povrch materiálu, což vede k minimální deformaci kovového dílu a vysoké kvalitě povrchu. Celý proces je automatizovaný, teplota kalení je snímána pyrometrem a regulována v průběhu procesu zpracování. Tím je zajištěno rovnoměrné tvrdosti povrchu i požadované hloubky prokalení. Výhodou je také lokální kalení, kdy se zvyšuje tvrdost pouze nejvíce namáhaných míst součástí. Princip technologie spočívá v lokálním ohřevu materiálu, kdy laserové záření dopadá na povrch, tam je absorbováno a jeho energie se převede na teplo. V okamžiku, kdy na dané místo již nedopadá laserové záření, dochází k zakalení povrchu odvodem tepla do materiálu. Výsledkem je kvalitní povrch s vysokou tvrdostí. Maximální hloubka kalení se pohybuje kolem 2 mm. Tato hranice je dána fyzikálním principem, kdy k zakalení povrchu dochází odvodem tepla do součásti. K tomu je zapotřebí určitého teplotního gradientu, který se zřetelem na kalící teplotu a krátkou dobu působení laserového svazku nelze zajistit ve větších hloubkách. Nejčastěji se kalí formy pro lisování a tažení plechů, hrany střižných nástrojů, hřídele v místech pod ložisky a ozubená kola. Je možné kalit jak litinu, tak i různé typy ocelí. Obr. č : Laserově kalený povrch oceli (3) 3

9 2.2.2 Přetavování povrchu laserem Jedná se o technologicky stejný princip jako u laserového kalení. Teplota povrchu se tu neohřívá na kalící teplotu, ale na teplotu tavení. Na materiálu dochází k natavení povrchu a následnému ztuhnutí, čímž vzniká přetavená vrstva, která vykazuje větší homogenitu než základní materiál. Lze tak zvýšit odolnost povrchu vůči opotřebení, nebo korozní odolnost nerezových ocelí Laserové povlakování V angličtině metoda známá pod pojmem laser cladding, se používá pro zlepšení vlastností nových dílů nebo k opravě dílů starších. Princip spočívá v nanášení materiálu ve formě prášku spolu s laserovým zářením na povrch součásti. Prášek je nataven ještě dříve, než na povrch dopadne, kde díky stále působícímu laserovému záření dojde k jeho propojení se základním materiálem. Vytvořená vrstva získá novou vlastnost, jakou může být otěruvzdornost, žáruvzdornost nebo antikorozní účinky. Tloušťka nanesené vrstvy se pohybuje v rozmezí 0,2 2 mm. Tyto vrstvy můžeme klást na sebe až do několika centimetrů. (3) Čištění a leštění povrchu laserem Díky rozvoji laserových technik, lze v dnešní době použít metody, které umožňují čištění a odstraňování povrchových vrstev například odmašťování povrchu, čištění od rzi, nebo starých nátěrů. Tato technika spočívá v použití mikrosekundových až nanosekundových pulzů, které vypaří nežádoucí částice, ale nestihnou ohřát povrch natolik, aby změnili jeho strukturu. Leštění povrchu spočívá v tom, že na povrchu vzniká vyhlazená přetavená vrstva díky působení povrchového pnutí. Velikost vrstvy je do 100 μm. Používají se zde pevnolátkové Nd:YAG a Nd:YVO 4 lasery buď v kontinuálním, nebo pulzním provozu. Výhodou pulzního provozu je, že se velké nerovnosti částečně odpaří. Laserovým leštěním dochází ke snížení drsnosti povrchu z 1 3 μm na 0,1 0,05 μm. Další výhodou je možnost selektivního leštění ploch nebo vícestupňového procesu. Tuto 4

10 možnost leštění využívají zejména letecké společnosti a fabriky na zpracování plastů, pryže nebo skla, kde se tímto způsobem upravují formy. (4) Obr. č : Mikroskopový snímek materiálu, vpravo je materiál leštěn na soustruhu, vlevo je přeleštěn laserem (4) Leštění má různorodé použití. Lze použít jak na kovové materiály, tak i na titanové implantáty, u kterých se dosahuje drsnosti 0,8 μm a lepší biokompatibility. Pokud se použije CO 2 laser, lze vyhlazovat i povrch skleněných čoček. Při opracování se musí dávat pozor na nadměrné tepelné působení, neboť by mohlo dojít k poškození geometrie čočky. Proto byla vyvinutá hybridní technologie, kdy je čočka předehřáta pomocí vysokofrekvenčního mikrovlnného zářiče. Předehřev při ochlazování snižuje teplotní gradient a zabraňuje tak změnám struktury materiálu a změně geometrie povrchu. (4), (5) Laserové svařování Při tavném svařování je pro vytvoření spoje velmi důležité, kolik tepla do procesu vstupuje. Čím je energie vyšší, tím je větší tepelně ovlivněná zóna. Pokud je svazek dobře fokusován, umožňuje vytvořit hluboký a úzký svar s minimálním teplotním ovlivněním okolí. Navíc je objem roztavené oceli velmi malý a je možno pracovat i při větších tloušťkách bez přídavného materiálu. Provaření materiálu je možné do hloubky 12 mm a to mnohem rychleji, než klasickými metodami. Laserové svařování je řízeno CNC stroji, které umožňují vysokou kvalitu a reprodukovatelnost svaru. 5

11 Laserem se nejčastěji svařují nerezavějící oceli, kde se dosahuje homogenního svaru bez pórů. Ke svařování jsou vhodné i titanové, zirkonové a chromniklové slitiny. Laserový svazek taví a částečně odpařuje zpracovávaný materiál. Tvoří se zde dutina vyplněná parami kovů o vysokém tlaku a roztaveným materiálem, který je s parami kovu v rovnovážném stavu. Výsledkem je hluboký a úzký profil svaru. Je zde potřebná pečlivá příprava spojovaných kusů, mezi kterými může být maximální vzdálenost 25 % průměru pasu svazku. Běžný průměr pasu je kolem 1 mm. Pokud bude tato mezera větší, mohou vznikat vruby (propadliny ve tvaru V). Při svařování je možné použít přídavný materiál, například drát, kterým lze ovlivnit chemické složení svaru. S použitím přídavného materiálu, vzrůstá tolerance vzdálenosti svařovaných konců. K hlavním výhodám laserového svařování patří úzký a hluboký svar u velkého množství kovů a kovových slitin a malá, tepelně ovlivněná zóna vytvářející nepatrné pnutí v základním materiálu. Laserový paprsek může svařovat i na místech, která jsou těžko dostupná, navíc nedochází ke znečišťování z elektrod. (6) Obr. č : Průřez laserovým svarem (7) 6

12 2.2.6 Laserové vrtání Intenzita svazku při laserovém vrtání musí být mnohem vyšší než u svařování. Proto se využívá Nd:YAG laserů v pulzním provozu s délkou pulzu do 1 ms. Čím je vrtaná díra delší, tím více se odchyluje od ideální geometrie. Maximální hloubka vrtané díry se pohybuje v řádech desítek milimetrů. Vrtat lze kovy, plasty, sklo a keramiku. Výhodou je, že se dostaneme i tam, kde se jiné vrtací metody nedostanou. Velikost otvorů se pohybuje od 10 μm. (8) Řezání laserem Laserové řezání bude popsáno podrobněji v následující kapitole. 7

13 3 Laserové řezání Metoda laserového řezání se používá na materiály, které mají při zahřátí kapalnou fázi s nízkou viskozitou. Zejména jde o kovy, slitiny a termoplasty, jenž mohou být řezány laserovým svazkem o výkonu v řádech 10 4 Wmm -2. K odstranění kapalného stavu látky je použit inertní nebo aktivní plyn, který roztavený materiál protlačí skrz a vytvoří tak řezací spáru. Látky, které jsou špatně tavitelné nebo mají vysokou viskozitu, mohou být díky laserovému svazku o výkonu 10 6 Wmm -2 odpařovány. Jedná se zejména o některé typy skla, keramiky a kompozitu (materiál složený ze dvou a více složek, dávající dohromady novou vlastnost, kterou nemá ani jedna ze složek). Tvrdé a křehké materiály, především některé typy skla a keramiky, mohou být děleny použitím laserového svazku, který způsobuje vrypy odpařováním. Je tak vytvořena drážka zvyšující lokální napětí a umožňující zlomit materiál přímo v místě řezu. Organické materiály a polymery mohou být řezány chemickou degradací způsobenou laserovým zahřátím povrchu. Chemická degradace je změna struktury a vlastností materiálu způsobenou reakcí polymeru. Relativně nízko výkonný laser o výkonu 1,5 kw může přeřezat měkkou ocel o tloušťce 1 mm rychlostí 10 m/min nebo tloušťce 10 mm rychlostí 1 m/min. Podobné pravidlo platí také pro hustotu. Čím je materiál hustší, tím je řezací rychlost pomalejší. Vysoká produktivita a kvalita řezu s přesností kolem 0,1 mm je hlavním důvodem, proč se volí laserové řezání. Nevýhodou je však vysoká pořizovací cena v řádech desítek miliónů korun a vysoké provozní náklady, které jsou přibližně 900 Kč na hodinu provozu. Stávající trend laserového řezání je ve zlepšení kvality řezu, což znamená menší otřepy, větší produktivitu a menší přetavenou vrstvu při dané tloušťce a typu materiálu. (9) 3.1 Charakteristika laserového řezání Laserové řezání je vysoce produktivní proces. Přesnost řezu se pohybuje v rozmezí od 0,05 do 0,1 mm a průměr pasu svazku je kolem 0,1 mm. Maximální řezací rychlost lineárně stoupá s výkonem laseru a snižuje se přibližně lineárně s tloušťkou řezaného materiálu. Řezání s nízkoenergetickým svazkem znamená menší deformaci 8

14 a úzkou tepelně ovlivněnou zónu kolem řezu. Vyšší výkon znamená vyšší řezací rychlost, což vede k lepší kvalitě ostří zvláště u metody laserového škrábání. Díky těmto parametrům a automatizovanému procesu je možné umísťovat řezané dílce těsně vedle sebe a tím minimalizovat velikost odpadu a zvýšit efektivitu práce. Další nespornou výhodou je bezkontaktnost a flexibilita, která umožňuje řezat nejrůznější slitiny a materiály o různých tloušťkách a velikostech. Proces je také šetrný k okolí, je tichý a vzniklé výpary jsou odvedeny od operátora přímo do vzduchotechniky. Ze začátku je velice náročné určit správné řezací parametry, dosahující požadované kvality, minimálních otřepů a nízké přetavené vrstvy s vysokou řezací rychlostí. Zvláště pokud se přechází z jiné řezací metody na laserový provoz. Problém nastává i při řezání materiálů s vysokou odrazností a velkou tepelnou vodivostí jako je zlato, měď a hliník. Jelikož se jedná o tepelné opracování materiálu, tak je důležité si hlídat tepelnou ovlivněnou zónu, přetavenou vrstvu a otřepy. (10) 3.2 Vlastnosti materiálu Různé materiály mají rozdílné vlastnosti, to vede k problematice univerzálních řezacích parametrů. Proto se rozlišují dvě základní vlastnosti a to tepelné a fyzikální. Látka s vysokou tepelnou kapacitou vyžaduje vysoké množství tepla k roztavení povrchu. Podobně je tomu tak u materiálu s vysokou hodnotou latentního tepla (teplo potřebné ke změně fáze materiálu). K tomu se používají vysoko výkonné lasery, nebo použití slabšího laseru s aktivním plynem. Jakmile se proces ustálí, je možnost použít inertní plyn nebo snížit výkon laseru. Dalším problematickým parametrem je odraznost kovu. Tuto vlastnost lze odstranit použitím jiného laseru s jinou vlnovou délkou. K fyzikálním vlastnostem patří rovinnost řezacích ploch. Pokud materiál mění svou tloušťku například vlivem špatného válcování, může se tím ovlivnit velikost otřepů na spodní straně vzorku. Dalším problematickým parametrem je přítomnost maziva, barvy nebo plazmatu, jenž může interferovat s řezacím mechanismem a výsledkem bude nekontrolovatelný výkon. (11) Avšak přítomnost tenké vrstvy oxidu může usnadnit absorpci záření, což vede k lepší kvalitě řezu a vyšší řezací rychlosti. 9

15 Plošné napětí a viskozita roztavené fáze hraje důležitou roli na kvalitu ostří, tvorbu otřepů a řezací rychlosti. Roztavenou hmotu s vysokou hodnotou plošného napětí a nízkou viskozitou je mnohem těžší odstranit pomocí tlaku plynu, proto se roztavený materiál usazuje na spodní straně okraje řezu ve formě otřepů. Z tohoto důvodu se začaly hojně využívat materiály, které jsou vhodné na laserové řezání. Obsahují určitý podíl křemíku snižující viskozitu kapalné fáze materiálu. Zvyšuje se tak řezací rychlost, ale snižuje kvalita ostrosti hrany. 3.3 Typy řezání Existuje mnoho faktorů zasahujících do procesu laserového řezání. V principu se řezání dělí na řezání s netečným plynem, aktivním plynem, odpařování, škrábání a chemickou degradaci. Nejvíce se používá řezání s inertním plynem, který zabraňuje oxidaci řezaného materiálu. Stručný přehled použití řezacích metod je uveden v následující tabulce: Typ řezací metody Materiál Řezání s aktivním plynem Řezání s netečným plynem Vypařování Škrábání Chemická degradace Železité slitiny Neželezité slitiny (Titan) Polymery (Termoplast) (Reaktoplast) (PMMA) - (Reaktoplast) Keramika Sklo Elastomery Kompozity - - (Dřevo) Tabulka č. 3.3: Použití řezacích metod u jednotlivých materiálů (11) Termoplasty Pokud termoplast zahřejeme na teplotu , stane tvárným a po ochlazení se stane zase pevným. Tento proces lze opakovat, proto patří termoplast k dobře zpracovatelným materiálům (lze jej snadno lisovat nebo odlévat). Nejznámější termoplast je polystyren, plexisklo a silon. Opak termoplastu je reaktoplast. Reaktoplasty Také nazývaný jako termoset. Jedná se o zesíťovaný polymer tvořící trojrozměrnou prostorovou síť. Jakmile polymer ztuhne, nejde zpracovat teplem. Hlavní složka reaktoplastů je pryskyřice nebo kaučuk. Mezi nejznámější výrobky z plastu patří bakelit, pryž a guma. 10

16 PMMA (Polymethylmethakrylát) běžně známý jako plexisklo nebo akrylátové sklo. Je průhledný a má vlastnosti termoplastu Řezání s aktivním plynem Pokud při laserovém řezání použijeme aktivní plyn, jako je například kyslík nebo vzduch, dostává se do řezacího procesu další zdroj energie a to exotermická chemická reakce. Zvýšení energie znamená nárůst řezací rychlosti, ale také může vést ke snížení ostrosti řezané hrany a zvýšení řezné spáry. Aktivní plyn se používá při řezání železitých slitin a některých termoplastů. Kyslík se používá k řezání měkké oceli, kde nevadí zbarvení hrany důsledkem exotermické reakce. Pokud použijeme aktivní plyn, můžeme snížit výkon laseru, abychom zachovali stejnou řezací rychlost, a tím snížili provozní náklady. Pojem aktivní plyn je relativní, záleží na tom, jaký materiál se řeže. Například vzduch je považován za aktivní plyn, pokud řežeme hliník, ale ne oxid hlinitý. (11) Řezání s inertním plynem Jde o nejvíce rozšířený postup řezání. Je založený na tvorbě úzké spáry z nataveného materiálu, který je následně odfouknut. Inertní plyn se používá všude tam, kde se materiál lehce taví, což jsou nejvíce slitiny a reaktoplasty. Jako inertní plyn je nejčastěji použit vzduch nebo dusík pokud nechceme, aby povrch materiálu zoxidoval. Argon a helium se nejčastěji používají k řezání titanu, neboť na sebe navazují křehké nitridy (sloučeniny kovu s dusíkem), které se uvolňují při řezání. Používá se zde vysoký tlak plynu (nad 10 bar), aby se odfoukla roztavená část materiálu a neusazovala se na spodní straně řezu. Maximální tloušťka, která se dá přeřezat, se pohybuje kolem 8 mm. Poté se už energie z řezu velice rychle rozlévá do okolních částí. Řezání s inertním plynem dosahuje vysoké kvality řezu, ale nižších řezacích rychlostí v porovnání s aktivním plynem. Do řezacího procesu také zasahuje viskozita a povrchové napětí kapalného materiálu. 11

17 3.3.3 Vypařování Aby byl materiál odpařen, je potřeba velkého výkonu laserového záření a to v řádech 10 6 Wmm -2. Toho lze dosáhnou buď velmi výkonným laserem v kontinuálním provozu, nebo slabším laserem v pulzním režimu. Materiál je potřeba rychle zahřát do vypařovací teploty dříve, než se stačí teplo odvést do okolních částí. Poté je odfouknut inertním plynem. Nenastává zde tavení látky, což zvyšuje kvalitu řezu. Hlavní využití metody je řezání PMMA Škrábání/vrypování Cílem škrábání je vytvoření drážky nebo skupiny slepých děr na povrchu materiálu pomocí pulzního laseru. Laserové záření způsobuje vypařování látky v omezené tepelné zóně. Vrypy zvyšují lokální napětí, tím dovolují, zlomení materiálu přesně v místě řezu. Metoda se používá pro řezání keramiky, skla, kompozitu a oxidu hlinitého Chemická degradace Chemická degradace je založena na rozbíjení chemických vazeb materiálu pomocí laserového záření. Používá se u řezání dřeva, reaktoplastů, elastomerů (pružné syntetické materiály podobné gumě) a některých druhů kompozitů. Řezací rychlost je obvykle menší než u klasického řezání tavením. Řez dosahuje relativně vysoké kvality, avšak někdy potřebuje začistit. 3.4 Uspořádání řezací hlavy Řezací hlava je složena z komory, která je z vrchní strany uzavřena fokusační čočkou. Z boku je do komory pod tlakem vháněn plyn, který vystupuje spodní stranou přes výměnnou trysku společně s laserovým zářením. 12

18 3.5 Charakteristika svazku Jednotlivé vlastnosti laserového svazku budou diskutovány níže v samostatných kapitolách Vlnova délka V průmyslu se nejvíce používá CO 2 laser, který umožňuje účinnou metodu řezání a značení širokého druhu plastů, organických materiálů, kůže a dřeva. Výhodou je nejvyšší energetická účinnost ze všech laserů a nejvyšší absorpce laserového záření u některých látek. Pokud je potřeba zvýšit výkon laseru na daném materiálu, je možnost použít aktivního plynu, při kterém vzniká exotermická reakce. Dalším hojně používaným je Nd:YAG laser. Pas laseru může být fokusován do menšího průměru než konkurenční CO 2 laser, což poskytuje větší přesnost, užší řeznou spáru a menší zaoblení řezu. Nejvíce je toho využito u vypařovací a škrabací techniky. Nd:YAG se často používá v pulzním režimu, kdy se dosahuje vyšších špičkových výkonů a není potřeba použít asistenční plyn, zhoršující kvalitu řezné hrany. Jestliže je potřeba a pokud to laser dovoluje, je možnost využít generaci druhé harmonické. Vznikne tím tak zdroj záření s poloviční vlnovou délkou a lepšími řezacími parametry. Excimerové lasery se používají, k velmi vysoké kvalitě řezu. Dále na řezání gumy, polymerů, keramiky a tkaniny, nebo na chemické usazování z plynné fáze Výkon záření Výkon laserového záření je vlivný faktor kvality výrobního procesu. Pokud je výkon příliš malý, nedochází k prořezání materiálu a musí se použít aktivní plyn, se kterým se zhoršují parametry řezu, jako například oxidace na povrchu, větší tepelně ovlivněná zóna, a snížení ostrosti hrany. Jestliže je výkon příliš velký, rozšíří se řezná spára, zvětší se přetavená vrstva a vzniknou větší otřepy na spodní straně řezu. Kolísání výkonu v rozmezí +30 % až -10 % okolo optimálního bodu je tolerovatelné, neboť má zanedbatelný vliv na kvalitu řezu. Například v místech ostrých rohů nebo drobných detailů, je vhodné snížit výkon, aby nedocházelo k zbytečnému natavování materiálu. (11) 13

19 3.5.3 Prostorový mód Při laserovém řezání a zpracování materiálů se používá prostorový mód TEM 00. Lze nejlépe fokusovat a má nejvyšší hustotu výkonu v porovnání s ostatními prostorovými módy. Nejvyšší jakosti řezu je dosaženo, pokud je Rayleigho vzdálenost fokusovaného svazku rovna tloušťce řezané látky. (11) Polarizace Pokud je svazek CO 2 laseru pod velkým úhlem vzhledem k povrchu materiálu, začne vadit lineární polarizace laseru. Kovy absorbují pouze p složku polarizace v závislosti na úhlu dopadu. Pokud je složka p orientovaná ve směru řezu, je absorbována podél předního okraje řezu a složka s je absorbována stranami řezné spáry. Tím je vytvořena užší spára s vyšší kolmostí a větší rychlostí. Pokud polarizovaný svazek dopadá pod úhlem, nastává vyšší absorpce do stran řezu, to způsobí širší řeznou spáru, která závisí na úhlu stočení polarizace svazku. Pokud chceme odstranit závislost kvality řezu na stočení roviny polarizace, použijeme vhodný optický prvek, který převede lineární polarizaci na kruhovou. Svazek z Nd:YAG laseru je náhodně polarizovaný, proto neovlivňuje řezací výkon při změně směru svazku, jako je například naklopení řezací hlavy. (11) Časová modulace Nejjednodušší je kontinuální modulace, se kterou se dosahuje poměrně dobrých hodnot řezu a vysokých řezacích rychlostí pro materiály střední tloušťky, což je přibližně 2 3 mm. Pokud použijeme pulzní svazek, dosahující vysokých špičkových hodnot, získáme dobrý předpoklad pro řezání tlustších látek s použití inertního nebo aktivního plynu anebo pro škrabací metodu. Pulzní modulace je také volena při řezání vysoce teplotně vodivých materiálů, eventuálně pokud potřebujeme omezit tepelně ovlivněnou zónu. Pulzní provoz pomáhá redukovat vzniklé otřepy u některých kovů, jako je tomu třeba u hliníku. Frekvence a délka pulzu může v některých případech ovlivnit vlastnosti řezu. Nižší frekvence a tím i vyšší špičková energie je vhodnější pro řezání silnějších materiálů. 14

20 3.5.6 Optická ohnisková vzdálenost V praxi se více používají čočky než zrcadla, neboť se dají snadněji začlenit do optické trasy. Navíc jsou umístěny v řezací hlavě, kde tvoří vrchní stěnu tlakové komory. Pomocí čoček je nastavena velikost a místo pasu svazku. Delší ohnisková vzdálenost je vhodná pro silnější materiály nad 4 mm a s kratší ohniskovou vzdáleností dostaneme nejvíce kolmý průběh řezu s ostrou hranou. Optické prvky mohou být chráněny proti vstříknutí roztaveného materiálu pomocí tlaku plynu. (11) 3.6 Parametry řezného procesu Mezi parametry řezného procesu patří umístění ohniskové roviny, rychlost posuvu, typ plynu a umístění trysky od materiálu Pozice ohniskové roviny Pozice ohniskové roviny má značný vliv na kvalitu řezu. Jestliže se řeže tenký materiál, je vhodné umístit místo fokusu na jeho povrch. Pro větší tloušťky je výhodnější zvolit ohniskovou rovinu pod povrchem materiálu. Pokud je použit inertní plyn, umísťuje se ohnisková rovina ke spodní straně materiálu. Do řezu se tak dostane větší množství plynu, který lépe odfoukne přetavený materiál. Se stejným záměrem se používá i širší tryska. Řez se neovlivní, pokud se s tryskou pohne o 1%. Jestliže je ohnisková rovina příliš vysoko nad povrchem, rozšíří se šířka řezu a zvětší se přetavená vrstva. To platí do té doby, dokud je síla svazku dostatečně silná k tomu, aby se prořezala skrz materiál. K podobným změnám dojde, pokud ohniskovou rovinu umístíme pod řezaný materiál. Pokud bude ohnisková rovina oscilovat v rovině rovnoběžné s povrchem, dojde k rozšiřování a zužování řezacího bodu v rovině povrchu materiálu. Toho se využívá při řezání silných materiálů s relativně slabým paprskem. Další možnost je použít dvojitou fokusační optiku, kdy je jeden paprsek fokusovaný na vrchní a druhý na spodní stranu. Dosáhneme tak větší rychlosti řezání u silnějších látek, menší otřepy a nižší spotřebu plynu. Pokud laserový svazek rozdělíme na dvě části, které by byly od sebe vzdálené jen pár milimetrů, tak budeme moci řezat silnější plechy s mnohem menší přetavenou vrstvou. První svazek materiál nataví, druhý svazek odpaří a zbylou část prořeže a odfoukne. (11) 15

21 V praxi je ohnisková vzdálenost stále stejná, pouze se mění délka trysky, pomocí distančních podložek, a vzdálenost trysky od povrchu. Obr. č : Na fotografii lze pozorovat měděnou trysku vypodloženou třemi distančními podložkami, podložky jsou umístěny mezi bílým plastem a měděnou tryskou Řezací rychlost Parametry jako je řezací rychlost, tlak plynu a výkon laserového svazku musí být v rovnováze. Jestliže bude řezací rychlost příliš velká a frekvence opakování pulzů Nd:YAG laseru malá, může být řez nerovný (vrásčitý). Zároveň se zvýší počet a velikost otřepů na spodní straně materiálu. Pokud je řezací rychlost příliš malá, dochází k nadměrnému zahřívání povrchu, začne se natavovat materiál podél řezu. Dojde k zaoblení hrany a k větší tepelně ovlivněné zóně. Obecně se dá říci, že řezací rychlost je nepřímo úměrná tloušťce vzorku. Obr. č a: Vzorek o tloušťce 7,2 mm. Lze zde pozorovat nerovnou, vrásčitou strukturu řezu, která je způsobena nevhodně zvolenými řezacími parametry. 16

22 Obr. č b: Laboratorní snímek průběhu přetavené vrstvy materiálu o tloušťce 4,8 mm. Poloha ohniska svazku byla 0,5 mm pod povrchem materiálu, řezací rychlost byla 10 mm/min. Zvětšení snímku je 100x Plyn Pomocný plyn během řezání plní pět základních funkcí Inertní plyn má za úkol odstranit roztavený materiál z řezné spáry. Aktivní plyn navíc napomáhá vzniku exotermické reakce, což může pomoci při řezání silných materiálů. Potlačuje tvorbu přetavené vrstvy Chrání fokusační optiku před roztavenými kousky materiálu Řezná spára a okolí materiálu je chlazena proudícím plynem, čímž se omezuje velikost tepelně ovlivněné zóny Dovoluje řezat vysokými rychlostmi. Pokud by se nepoužil asistenční plyn, daly by se řezat pouze tenké materiály. Důležitost asistenčního plynu vzrůstá s rostoucí tloušťkou materiálu. Inertní plyny Dusík je nejvíce používaný inertní plyn, neboť jej lze lehce získat. Z toho je odvozena i jeho nízká cena. Čistota plynu je nedůležitá, pokud přesahuje 99,8 %. Používá se při řezání železitých slitin, jako jsou třeba nerezavějící oceli a u slitin založených na niklu, kde pomáhá zlepšit kvalitu hrany. Argon se používá při řezání titanu, neboť zabraňuje tvorbě oxidace křehkých titanových oxidů. Helium je používáno u řezů, kde je potřeba zabránit oxidaci s kyslíkem, ale použití tohoto plynu je velmi drahé. Vzduch, který je snadno dostupný, je často používán pro řezání oxidu hlinitého, kompozitu, dřeva, skla a křemene. (11) 17

23 Aktivní plyny Řezání s aktivním plynem je až 5x rychlejší než s inertním plynem. Kyslík je používán na řezání nerezavějících ocelí, pokud je požadovaná vysoká rychlost řezání a nebere se ohled na kvalitu a zbarvení řezu. Ze začátku procesu je zvýšená absorpce záření, díky oxidaci materiálu, ale po ustálení vzniká exotermická reakce, která zvyšuje výkon laserového záření až o 50 %. Jestliže se zvedne tloušťka materiálu, není vhodné zvyšovat tlak plynu, aby se nepoškodila fokusační optika. Je vhodnější zvětšit průměr trysky. Čistota plynu je velice důležitá. Pokud se použije kyslík s čistotou 99,9 99,99 % tak v porovnání s kyslíkem s čistotou 99,70 % je řezací rychlost až o 30 % vyšší. Nadbytek tlaku aktivního plynu může vést k turbulencím ve slitině a k nekontrolovatelné oxidaci vedoucí ke zhoršení kvality řezu. Nekonstantní stejně jako nízký tlak může způsobovat problém s odstranění materiálu, který se začne usazovat ve formě otřepů na spodní straně řezu. Plyn lze kombinovat, například 60 % He a 40 % O 2, způsobí zvýšení řezací rychlosti s dobrou kvalitou řezu Odstup a geometrie trysky Geometrie trysky a výstupního otvoru ovlivňuje tlak plynu v místě řezu a tím i jeho kvalitu. Obecně lze tvrdit, že po trysce chceme rovnoměrné rozložení tlaku plynu na povrchu materiálu. Používá se několik základních geometrií, závisejících na aplikaci. Některé nejběžněji používané trysky jsou na obrázku č Nedá se však jednoznačně říci, která tryska je nejlepší. Jejich použití je individuální a záleží na dané technice. Základní vlastnost trysky je zabránění vzniku turbulencí a stabilizace tlaku na povrchu řezu. Průměr výstupního otvoru trysky se pohybuje v rozmezí 0,5 3 mm, je vybrán podle typu a tloušťky materiálu. Tryska s velkým výstupním otvorem nedostatečně odstraňuje kapalný materiál z místa řezu. Tryska s malým otvorem vytváří potíže se sbíháním plynu, což vede k hrubšímu řezu. Další velmi ovlivňující parametr je totožnost osy svazku s osou trysky. Pokud je plyn vychýlen mimo řez, tak může způsobovat potíže s otřepy na jedné straně vzorku a jinou velikostí přetavené vrstvy. 18

24 Obr. č : Nejčastější typy řezacích trysek. Kruhová řezací tryska (poslední) je vhodná pro řezání s aktivním plynem. Zvýší se tak řezací rychlost. V této práci byla použita tryska konického typu V příloze v tabulce č je uvedena dokumentace ke vzorku vyrobeného pomocí úmyslně vychýlené trysky. Lze pozorovat, že vychýlení trysky má vliv na kvalitu a velikost přetavené vrstvy v místě řezu a také na otřepy. Většina průmyslového řezání plochých materiálů se provádí tryskou, která má válcový sbíhavý otvor. Je jednoduchá vyrobit a dává dobré výsledky, pokud je vzdálenosti trysky do 1 mm od řezaného materiálu. Konvergentní nebo divergentní profil jako je Lavalův typ redukuje rozptyl plynu na výstupu. Tím je zvýšen tlak ve větších vzdálenostech. Proto se používá k řezání silnějších materiálů. Čím je tryska blíže k povrchu, tím je lepší odstranění přetaveného materiálu a kvalitnější řez. To je však problematické kvůli odlétajícím kouskům roztaveného materiálu a geometrii obrobku. Pokud je vzdálenost trysky větší než 1mm, může dojít k velkým rozdílům tlaků. Odstup je vybírán ve stejném měřítku, jako je průměr řezací trysky. Bližší vzdálenost dává stabilnější a lepší řezací podmínky, ale hrozí poškození fokusační optiky nebo přilepení trysky k obrobku. Odstup je důležitý řezací parametr, který optimalizuje řezací rychlost a kvalitu řezu. 3.7 Porovnání s vodním paprskem K laserovému řezání lze přirovnat řezání vodním paprskem, které vzniklo v 50. letech 20. století. Asi o 20 let později se do vodního paprsku začalo přidávat abrazivo (materiál vynikající vysokou tvrdostí). Princip spočívá ve vysokotlakém proudu vody ( bar), který s vhodnou abrazivní směsí dopadá na povrch materiálu a vytváří tak řeznou spáru. Výhoda této metody spočívá v tom, že se tepelně neovlivňuje okolí materiálu. Při řezání nevznikají škodlivé výpary. Další výhodou je univerzálnost použití. Tímto způsobem lze dělit materiály jako pěnu, gumu, dřevo, mramor, slitiny hliníku a ocel. Řezání vodním paprskem se používá při prořezu do 100 mm. Vrchní strana řezu 19

25 je hladká díky rozptylu abrazivních částic. U materiálů do 6 mm je řez porovnatelný s laserovým svazkem. (12) Laser je však více vhodný pro 3D řezání. Další výhoda laseru spočívá v bezkontaktnosti a automatice, sledující řezný proces. Lze tak určit, co se v procesu aktuálně děje a upravit tak řezací parametry. 3.8 Vlastnosti laserem řezaných materiálů Mezi vlastnosti laserem řezaných materiálů lze zahrnout následující parametry Kvalita řezu Kvalita rezu je zajištěna automatizovaným provozem CNC strojů a vývojem řezných procedur, které se opírají o dříve získaná data a parametry. Automatizovaný provoz dokáže vyrábět velké množství vzorků dle zadaných parametrů v krátkých časech Nedokonalosti Nedokonalosti v laserovém řezání jsou spjaty s kvalitou ostří a velikosti otřepů. Ostří se může měnit jak na spodní, tak i na vrchní straně řezaného materiálu. Ideální řez by měl mít ostré hrany, ale díky nedokonalostem řezného procesu, jsou hrany zaoblené Otřepy Otřep je přilnutý roztavený materiál z místa řezu na spodní straně materiálu. Může se vyskytovat v podobě podlouhlých kapek nebo jako hrubé struktury širších rozměrů. Otřep může být odstraněn pomocným plynem ze spod materiálu nebo manuálním odbroušením po dokončení řezání Řezná spára Řezná spára je štěrbina tvořená během řezání. Je závislá na průměru fokusovaného svazku, umístění ohniskové roviny a vzdálenosti trysky od povrchu materiálu, typu přítomného plynu a energetickém působení laserového svazku. 20

26 3.8.5 Šířka tepelně ovlivněné zóny Běžně se tepelně ovlivněná zóna (Heat Affected Zone) v místě řezu nevyhodnocuje. HAZ může být měřena z okolí řezu a rozšiřuje se s rostoucí energií na jednotku délky a tloušťkou materiálu. Zajímá nás hlavně, když řežeme blízko teplotně citlivých materiálů. 21

27 4 Praktická část Cílem druhé části diplomové práce je nalezení laserových parametrů, které nejvíce ovlivňují přetavenou vrstvu a jejich následné ověření na průmyslově používaném laseru. Kvalita řezu musí splňovat předem dané požadavky, jako jsou minimální otřepy, řez s minimálními mikrotrhlinami do základního materiálu, a také minimální přetavenou vrstvu, která se vyskytuje v každém řezu. Přetavená vrstva bude vyhodnocena v laboratoři firmy Honeywell podle normy EMS 52571, což je norma pro vyhodnocení řezaných vzorků. Výroba testovacích vzorků bude probíhat na laseru JK Parametry a popis laseru Jedná se o Nd:YAG zdroj záření od firmy GSI Group. Laser je vhodný jak pro řezání, tak i pro vrtání díky nízko divergentní rezonátorové optice. Výstupní svazek záření je vhodný pro hluboké vrtání. Zároveň může být zdroj použit pro vysoko výkonné svařování. JK704 může použít 20kW pulzní výkon k vrtání děr do hloubky 75mm, nebo řezání materiálu. Pokud se odebere nízko divergentní optika, tak zdroj záření může být použit pro svařování, stejně jako JK701. (13) Vlastnosti laseru: - Maximální průměrný výkon: 400 W - Maximální pulzní energie: 50 J - Maximální špičkový výkon: 20 kw - Pulzní rozsah: 0,3 až 20ms - Opakovací rychlost: 0,2 až 500Hz Servisní požadavky: - Napájecí hodnota: 22 kva - Maximální příkon: 17 kw - Požadavky na vodu: 32 l/min při 20 C - Okolní teplota: 5 až 35 C - Hmotnost ovládání: 2 kg - Hmotnost laseru: 40 kg - Hmotnost napájení: kg - Rozměry laseru: 280 x 220 x 953 mm (š x v x h) 22

28 Obr. č. 4.1a: Zdroj záření JK 704. V pozadí je zobrazen chladicí box s ovládací elektronikou a zdrojem záření. Uprostřed se nachází další část optiky a v pravé části přenosný kontrolní panel (13) Obr. č. 4.1b: Fotka namontovaného laserového zářiče JK 704. Vespod je umístěna montážní deska, na kterou se usazují jednotlivé nástavce pro konkrétní díly 23

29 4.2 Návrh a výroba vzorku Na začátku výroby vzorků byla konzultace v laboratoři firmy. Jako nejvýhodnější byl zvolen tvar obdélníku, který se pouze zalije do epoxidu a není jej potřeba dále brousit, aby se dostalo k měřené vrstvě, jako je tomu třeba u vrtání. Další krok bylo nakreslení vzorku v CAD programu a následné exportování do CNC kódu. Viz příloha 7.1. Následovalo umístění svěráku na montážní desku, nanesení oleje na spodní stranu plechu (zabraňuje usazování odlétajícího roztaveného materiálu. U materiálu tloušťky 4,8 mm olej nebyl nanesen, neboť se materiál během řezání stihne zahřát a olej se vypaří.) a umístěné do svěráku. Poté byla provedena kalibrace trysky laseru a spuštění programu nasucho, což znamená, že se provede celý řezací cyklus bez laserového záření. Lze tím předejít chybě vzniklé při kalibraci a zničení polotovaru. Vždy po ukončení programu byl vzorek odebrán, odmaštěn a popsán. Obr č. 4.2: Vyřezaný vzorek v základním materiálu o tloušťce 1 mm 24

30 4.2.1 Materiál Inconel 718 Inconel zkráceně INCO je vysoko-pevnostní nerezavějící slitina vyrobená převážně z niklu a chromu. Používá se v rozsahu teplot od -253 C do 705 C na raketové a mrazící nádrže, letecké díly a plynové turbíny. Označení 718 znamená, že se jedná o dvakrát tvrzený materiál, určený pro ropné aplikace zajišťující maximální tvrdost a časovou stálost. Materiál má malou teplotní roztažnost v tlaku a v tahu zůstávají jeho vlastnosti téměř beze změn. Materiál Zastoupení materiálu v % Materiál Zastoupení materiálu v % Nikl a kobalt Uhlík maximum 0,08 Chrom Magnézium maximum 0,35 Železo rovnováha Křemík maximum 0,35 Niob a tantal 4,75-5,5 Fosfor maximum 0,015 Molybden 2,8-3,3 Síra maximum 0,015 Titan 0,65-1,15 Bór maximum 0,006 Hliník 0,2-0,8 Měď maximum 0,3 Kobalt maximum 1 Tabulka č : Složení materiálu Inconel 718. Rovnováha znamená, že je obsažení materiálu tolik, aby doplňoval 100 % Materiál Hastelloy X Slitina Hastelloy X byla použita na výrobu vzorků o tloušťce 4,8 mm. Jde o nikl-chromželezito-molybdenovou slitinu, která díky kombinaci těchto materiálů získává odolnost proti oxidaci, vysokým teplotám a rychlému chladnutí. Slitina Hastelloy X je vhodný materiál pro použití v leteckém a chemickém průmyslu, neboť má vynikající vlastnosti při svařování a formování. (14) Materiál Zastoupení materiálu v % Materiál Zastoupení materiálu v % Nikl 47 Wolfram 0,6 Chrom 22 Uhlík 0,1 Železo 18 Mangan maximum 1 Molybden 9 Křemík maximum 1 Kobalt 1,5 Bor maximum 0,008 Tabulka č : Složení materiálu Hastelloy X 25

31 4.2.3 Plazmový nástřik Plazmové nástřiky patří k moderním technologiím povrchových úprav. Zvyšují životnost, spolehlivost a bezpečnost součásti. Nástřiky jsou odolné proti oxidaci, korozi a proti agresivním chemickým prostředím. Plazmový nástřik je vytvořen pomocí generátoru plazmatu (plazmový hořák), kde je elektrický oblouk mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou tvořící výstupní trysku plazmového hořáku. Primární plyn je excitován do stavu plazmatu, do kterého je pomocí přídavného plynu vnesen materiál, který se nataví. (15) První vrstva (podklad) Druhá vrstva (keramika) Primární plyn Argon Primární plyn Argon Sekundární plyn Vodík Sekundární plyn Vodík Velikost prášku 106 μm Velikost prášku 125 μm Tabulka č : Parametry plasmového nástřiku Obr. č a: Detailní fotka základního materiálu s plazmovým nástřikem Obr. č b: Mikroskopový snímek plazmového nástřiku 26

32 4.3 Postup vyhodnocení vzorků Krok 1: Jednotlivé vzorky jsou umístěny do plastových držáků a následně uloženy do plastových kelímků, které byly předem vymazány speciálním nátěrem, který zajišťoval snadnější vyjmutí pryskyřicové hmoty. Obr. č. 4.3.a: Plastový držák se vzorkem. Na krajích vzorků je možné pozorovat otřepy vzniklé při řezání. Obr. č. 4.3b: Vzorek připravený na zalití epoxidem. Krok 2: Následuje namíchání rychletvrdnoucí dvousložkové epoxidové pryskyřice lekoset Poměr složek nebyl přesně odměřen. Snažili jsme se dosáhnout řidší medovité struktury. Po zalití vzorku se na spodní stranu umístí papírový štítek s katalogovým číslem k případnému dohledání po dobu sedmi let, kdy jsou zde vzorky uschovány. Takto zalité vzorky se umístí do tlakové nádoby, která se natlakuje na 1,5 1,8 bar, po dobu minut. Tím se ze vzorku odstraní bubliny vzniklé při nalévání a pryskyřice bude čirá. 27

33 Obr. č. 4.3c: Označené vzorky, vyjmuté z tlakové nádoby. Na spodní straně je umístěno katalogové číslo. Krok 3: V tomto kroku jsou vzorky vyjmuty z formy a je jim obroušena vzniklá hrana na horním kraji. Obr. č. 4.3d: Vyjmuté vzorky s neobroušenou hranou 28

34 Krok 4: U vybraných kontrolních kusů byla změřena výška, abychom poté věděli, jak moc se vzorek zbrousil. Minimální zbroušení by mělo být 0,5 mm. Obr. č. 4.3e: Měření zbroušení vzorku Krok 5: Po přeměření jsou vzorky umístěny do speciálního držáku, který zajišťuje rovnoměrný přítlak po celé ploše broušení. Celý cyklus probíhá celkem v sedmi krocích, přitom každý krok trvá cca 30 sekund. Mezi jednotlivými cykly je vždy výměna brusného papíru, nebo leštícího plátna s abrazivem a vzorek je opláchnut vodou. Jednotlivé brusné kroky začínají na hrubosti 240 μm a dostávají se až na leštění s abrazivní pastou, která obsahuje částice o velikosti 1 μm. Po posledním kroku leštění je epoxid vyjmut a následně opláchnut vodou, lihem a usušen horkým vzduchem. 29

35 Obr. č. 4.3f: Držák se vzorky Obr. č.4.3g: Broušení vzorků. V pravé horní části fotografie lze vidět jednotlivé brusné násady pro leštění a broušení. 30

36 Krok 6: Po důkladném oschnutí jsou vzorky vloženy do leptací lázně kyseliny šťavelové. Jedna elektroda je ponořena do kyseliny a druhá je upnuta na kleštích, které slouží k manipulaci se vzorkem. Pokud se kleštěmi dotkneme kovového povrchu, nastává chemická reakce, která zajistí, že se na povrchu zvýrazní struktura vzorku. Po oplachu vodou a lihem je znatelné, že dříve krásně lesklý povrch jemně zšednul. Obr. č. 4.3h: Leptací lázeň kyseliny šťavelové Krok 7: Před samotným vyhodnocením se změří výška vzorku stejně jako v kroku 4. Kontrolní vzorky byly zbroušeny o 1,05 a 0,67 mm. Obr. č. 4.3i: Vlastní měření 31

37 4.4 Vyhodnocení vzorků Nejprve je vzorek zběžně prohlédnut se zvětšením 50x, aby se zjistilo, zda je dostatečně naleptán, pokud ne, tak se opakuje krok 6. Jestliže je vše v pořádku, následuje vlastní měření. S tímto zvětšením se dají rozpoznat jednotlivé škrábance na kovové ploše, otřepy a karbidy (sloučeniny uhlíku s prvky, které jsou schopné uvolňovat valenční elektrony s výjimkou vodíku). Obr. č. 4.4a: Fotka řezu materiálu před leptáním, zvětšení 50x. Obr. č.4.4b: Vzorek po naleptání kyselinou šťavelovou. Je vidět zvýraznění přetavené vrstvy a jednotlivých karbidů. Obr. č.4.4c: Detailní fotka řezu vzorku. Tmavě zbarvená vrstva na horní straně vzorku je přetavená vrstva. Na pravém rohu vzorku lze pozorovat drobný otřep. Zvětšení 100x 32

38 Výsledná přetavená vrstva je průměrná hodnota minimálně šesti hodnot odečtených z celé plochy řezu. Při vyhodnocování se také dává pozor na mikropraskliny, které zasahují do základního materiálu. Všechny tyto hodnoty podléhají přísným normám, které se neustále aktualizují. Cena jednoho vzorku se pohybuje podle kalkulace z roku 2006 kolem 400 Kč 4.5 Výsledky vyhodnocení vzorků V této kapitole jsou uvedeny jednotlivé řezací parametry a výsledky pro každou tloušťku materiálu. Norma povoluje velikost přetavené vrstvy tloušťky 0,127 mm a mikrotrhliny do základního materiálu hluboké 0,038 mm. Pouze u materiálu o tloušťce 1 mm je norma přísnější, přípustná hodnota velikosti přetavené vrstvy je 0,102 mm a přípustná hloubka mikrotrhliny do základního materiálu může být maximálně 0,025 mm. Je jedno, zda se jedná o materiál s povrchovou úpravou či nikoli. 33

39 4.5.1 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 1 mm Označení vzorku Rychlost posuvu [mm /min] Tloušťka plechu: 1(0,99-1,06)mm Typ materiálu: slitina Inconel 718 Řezací parametry Výsledky měření [mm] Průměrný Výška Délka Frekvence Tlak [bar], Vzdálenost výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] druh plynu trysky ± 10% [W] [mm] [ms] [mm] Minimální hodnota přetavené vrstvy Maximální hodnota přetavené vrstvy Průměrná velikost přetavené vrstvy Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) ,5 0, , N 2 3 0,005 0,014 0, ,5 0, , N 2 3 0,005 0,018 0, ,5 0, , N 2 3 0,008 0,023 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,019 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,012 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,013 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,009 0, ,5 0, , N 2 3 0,008 0,016 0, ,5 0, , N 2 3 0, ,016 0, , , N 2 3 0,005 0,015 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,013 0, , , N 2 3 0,008 0,021 0, ,5 0, , N 2 3 0,008 0,016 0, ,5 0, , N 2 3 0,005 0,017 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,012 0, ,5 0, , N 2 3 0,005 0,014 0,010 0 Poznámka: Plech je opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vizuálně nejlepší vzorky zelená hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Vizuálně nejhorší vzorky červená hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Měněné parametry žlutá Tabulka č : Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 1 mm 34

40 4.5.2 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm Označení vzorku Tloušťka plechu: 2,3(2,29-2,33)mm Typ materiálu: slitina Inconel 718 Řezací parametry Výsledky měření [mm] Průměrný Výška Délka Frekvence Tlak [bar], Vzdálenost výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] druh plynu trysky ± 10% [W] [mm] [ms] [mm] Rychlost posuvu [mm /min] Minimální hodnota přetavené vrstvy Maximální hodnota přetavené vrstvy Průměrná velikost přetavené vrstvy Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) ,5 0, , N 2 3 0,011 0,042 0,020 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,031 0,018 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,032 0,015 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,034 0,020 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,018 0,011 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,031 0,018 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,050 0,019 0, ,5 0, , N 2 3 0,008 0,053 0,021 0, ,5 0, , N 2 3 0,008 0,032 0,016 0, ,5 0, , N 2 3 0,006 0,037 0,018 0, ,5 0, , N 2 3 0,009 0,022 0,014 0, , , N 2 3 0,008 0,056 0,019 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,024 0,015 0, , , N 2 3 0,010 0,028 0,015 0, ,5 0, , N 2 3 0,007 0,027 0,016 0,012 Poznámka: Plech je opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vizuálně nejlepší vzorky zelená hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Vizuálně nejhorší vzorky červená hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Měněné parametry žlutá Tabulka č : Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 2,3 mm 35