UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY DIPLOMOVÁ PRÁCE Studium vlastností povrchů kovových materiálů po laserové expozici SPM přístrojem NTEGRA (The surface properties study of metal materials after laser exposition by SPM NTEGRA) Vypracoval: Bc. Stanislav Michal Studijní obor: Aplikovaná fyzika Rok: 2008/2009 Vedoucí diplomové práce: Doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. Konzultanti diplomové práce: Mgr.Milan Vůjtek, Ph.D., Mgr. Hana Lapšanská, Mgr. Radim Čtvrtlík

2 BIBLIOGRAFICKÁ IDENTIFIKACE Jméno a příjmení autora: Stanislav Michal Název práce: Studium vlastností povrchů kovových materiálů po laserové expozici SPM přístrojem NTEGRA Typ práce: diplomová Pracoviště: Katedra experimentální fyziky Vedoucí práce: Doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. Rok obhajoby práce: 2009 Abstrakt: Diplomová práce popisuje využití SPM přístroje NTEGRA při studiu povrchů kovových materiálů po laserové expozici. Klíčová slova: Mikroskopie skenující sondou, mikroskopie atomárních sil, laser, nanoindentace. Počet stran: 84 Jazyk: čeština 2

3 BIBLIOGRAPHICAL IDENTIFICATION Autor s first name and surname: Stanislav Michal Title: The surface properties study of metal materials after laser exposition by SPM NTEGRA Type of thesis: diploma Department: Department of Experimental Physics Supervisor: Doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. The year of presentation: 2009 Abstract: This diploma thesis describes SPM NTEGRA utilization in the study of metal materials surfaces after laser exposition. Keywords: Scanning probe microscopy, atomic force microscopy, laser, nanoindentation. Number of pages: 84 Language: Czech 3

4 Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. RNDr. Romanu Kubínkovi, CSc., za odborné vedení diplomové práce. Děkuji rovněž také konzultantům Mgr. Haně Lapšanské, Mgr. Milanu Vůjtkovi, Ph.D. a Mgr. Radimu Čtvrtlíkovi za pomoc při zpracování diplomové práce. Děkuji svým rodičům a celé rodině za to, že mi studium umožnili a po celou jeho dobu mě všemožně podporovali. 4

5 Prohlašuji, že jsem celou práci vypracoval samostatně pod vedením Doc. RNDr. Romana Kubínka, CSc., za použití literatury a internetových zdrojů uvedených v závěru práce. V Olomouci 5

6 OBSAH: 1. ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST 2.1 Metody SPM Všeobecné vlastnosti SPM Metoda AFM Metody příbuzné AFM Laserové opracování materiálů Obecný princip laseru Laserové kalení Vlastnosti laserového svazku Nanoindentace Obecný princip nanoindentace Analýza dat z nanoindentoru EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1 Vzorek z oceli třídy Vlastnosti oceli Příprava vzorků Laserová expozice vzorků Popis systému LASAG KLS Expozice a výběr vzorků Měření na mikroskopu NTEGRA Prima Popis zařízení Součásti zařízení Metodika měření AFM a FMM Prezentace výsledků měření na mikroskopu NTEGRA Komentář k výsledkům měření na mikroskopu NTEGRA Měření nanotvrdosti Měřicí zařízení NT Metodika měření a zpracování výsledků nanoindentace Prezentace výsledků nanoindentace Komentář k výsledkům nanoindentace ZÁVĚR SEZNAM LITERATURY

7 Seznam veličin a zkratek: A absorptivita povrchu A c. plocha vtisku indentoru c k, c p. měrná tepelná kapacita kapalné fáze, pevné fáze C s.. kontaktní poddajnost vzorku d, d r vzdálenost od středu tečky, relativní vzdálenost od středu tečky k okraji D o, D in průměr v pase svazku, průměr svazku vstupujícího do expanderu laseru e.... Eulerovo číslo E... energie laserového pulsu E p, E r modul pružnosti, redukovaný modul materiálu F, F max zatížení indentoru, maximální zatížení F n, F t. síla normálová, třecí f p frekvence laserových pulsů H, H p. tvrdost materiálu, průměrná tvrdost původního neovlivněného materiálu h, h c, h f, h max.. hloubka vtisku indentoru, hloubka kontaktní, permanentní, maximální i. přirozené číslo označující laserem exponovanou oblast I 0... intenzita dopadajícího záření I.. intenzita paprsku po průchodu absorbujícím prostředím j přirozené číslo označující vzdálenost od středu exponované oblasti k extinkční (absorpční) koeficient materiálu l. vzdálenost, tloušťka absorbující vrstvy l t, l v.. měrné skupenské teplo tání, vypařování m... hmotnost M.. zvětšení expanderu svazku laseru n... index lomu materiálu o, p indexy příčného elektromagnetického módu TEM q... konstanta mocninného pravidla při aproximaci indentační křivky P.. výkon laseru P max, P puls, P.. výkon maximální v pulsu, špičkový, průměrný Q z.. tepelné ztráty r přirozené číslo označující počet měření R... reflektivita povrchu r 0... poloměr svazku v ohnisku (poloměr v pase svazku) 7

8 s přirozené číslo označující číslo měření S... odlehčovací tuhost T... transmisivita povrchu t. teplota vzduchu v místnosti t p... délka laserového pulsu T o, T t,t v teplota počáteční, tavení, vypařování v Poissonovo číslo U... čerpací napětí výbojky laseru V... objem materiálu W e, W p.. práce elastická, plastická X p aritmetický průměr měření veličiny X na původním materiálu z vzdálenost od ohniska svazku z RF. Rayleighova délka a konstanta mocninného pravidla při aproximaci indentační křivky β absorpční koeficient ϕ relativní vlhkost vzduchu v místnosti λ vlnová délka světla µ... koeficient tření π Ludolfovo číslo Xps odchylka jednoho měření veličiny X od průměru na původním materiálu σ Xp směrodatná odchylka měření veličiny X na původním materiálu Θ, Θ h divergence svazku celková, poloviční ρ hustota materiálu τ doba interakce AFM..... mikroskopie atomární síly (Atomic Force Microscopy) BPP.. součin parametrů svazku (Beam Parameter Product) LFM.. mikroskopie laterálních sil (Lateral Force Microscopy) FMM. mikroskopie modulovaných sil (Force Modulation Microscopy) PDM..... mikroskopie fázových rozdílů (Phase Detection Microscopy) SPM.. mikroskopie skenující sondou (Scanning Probe Microscopy) TDFM.... mikroskopie příčných sil (Transverse Dynamic Force Microscopy) TEMo,p tvar průřezu svazku, neboli mód, (Transverse ElectroMagnetic) 8

9 SLO UP a FZÚ AV ČR... Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky 9

10 1. ÚVOD Opracování a úpravy povrchů kovových materiálů laserovým paprskem nacházejí stále nové průmyslové aplikace. K nejběžnějším z nich patří laserové řezání a sváření. Nově se rozšiřující technologií je například laserové kalení. Využívá se v mnoha různých oborech, nejčastěji ve strojírenství pro tvrzení namáhaných částí řezných nástrojů, nebo v automobilovém průmyslu, kde jsou požadovány povrchové úpravy zvyšující odolnost proti mechanickému opotřebení a korozi. K provádění kvalitních laserových úprav neodmyslitelně patří zkoumání vlastností upravovaného povrchu. Klasické zobrazovací metody, jako například optická mikroskopie, jsou sice dostatečně přesné, ale poskytují pouze velmi málo informací o zkoumaném povrchu. Proto byly vyvinuty metody, které pro měření využívají lokální interakce měřicího zařízení a zkoumaného povrchu. Nejčastěji se jedná o jednoúčelová měřicí zařízení, jako jsou například kontaktní profilometry nebo různé typy tvrdoměrů. Existují však i moderní multifunkční měřicí zařízení mapující povrch až na atomární úrovni. Příkladem takového zařízení je mikroskop NTEGRA. Ten využívá většinu měřicích technik, označovaných jako SPM. Mezi ně patří také mikroskopie atomárních sil (AFM). AFM a její odnože mohou mapovat povrch nejen z hlediska jeho topografie, ale také vyšetřovat jeho další mechanické vlastnosti. Cílem této diplomové práce je prověřit možnosti zařízení NTEGRA při studiu laserem exponovaných kovových vzorků. Pro splnění tohoto úkolu je třeba seznámit se nejen s metodami SPM, ale také proniknout do problematiky laserového opracování materiálů. Znalosti laserového opracování byly využity při plnění první části zadaného úkolu, kterým byla příprava vzorků pro SPM měření. Pro laserovou expozici vzorků byl využit laserový systém LASAG KLS 246. V další části práce byly vzorky podrobeny analýze na zařízení NTEGRA. Během měření se však ukázalo, že dané zařízení není schopno poskytnout očekávané výsledky. Proto bylo nutno nastudovat teorii nanoindentační metody a následně provést doplňující měření na nanoindentoru NT

11 2. TEORETICKÁ ČÁST 2.1 Metody SPM Všeobecné vlastnosti SPM Mikroskopie skenující sondou (Scanning Probe Microscopy) je soubor mikroskopických technik využívajících těsného přiblížení měřicí sondy ke vzorku. Prakticky se tyto techniky začaly rozšiřovat po realizaci tunelového jevu na začátku 80. let 20. století. Pro charakterizaci povrchu vzorku je nutno provádět postupná měření ve více bodech, neboli skenování sondou nad vzorkem. Díky skenování a následnému vyhodnocování měření na počítači vzniká trojrozměrný obraz. Kvůli velmi malé vzdálenosti sondy a vzorku musí být celý systém a řízené posuvy mechanicky stabilní. Jinak by docházelo k mechanickému poškození vzorku. Naopak, pokud je mechanické poškození záměrné, lze celého systému využít například při vytváření nanostruktur až na úrovni jednotlivých atomů. Můžeme tedy modifikovat povrch až na atomární škále, provádět litografické zpracování, mechanické odstraňování, manipulovat s molekulami i jednotlivými atomy atd. Metoda umožňuje zobrazovat výřezy vzorků ve velikostech od stovek mikrometrů do jednotek nanometrů. Principielně je možno získat různé rozlišení v rovině skenování v osách x a y (v rovině povrchu vzorku) a ve směru k ní kolmém (označovaném jako osa z). Techniky SPM je možné také různě kombinovat s mikroskopií optickou a elektronovou. Např. zabudovat optický mikroskop do mikroskopu SPM pro přesnější orientaci sondy nad povrchem, či zabudovat SPM mikroskop jako součást elektronového mikroskopu. Odnože SPM našly uplatnění především ve fyzice povrchů, dále pak v biologii (studium na živých buňkách), při studiu práškových nanočástic, v technologii testování integrovaných obvodů či v metrologii optických povrchů. Zde jsou uvedeny některé významné vlastnosti metod SPM: rozlišení závisí na velikosti sondy a konkrétním vzorku, reakce na fyzikální veličinu, která prudce závisí na vzdálenosti mezi sondou a vzorkem, trojrozměrný obraz v přímém prostoru, 11

12 skutečně lokální interakce, velký rozptyl použitelných prostředí (vzduch, plyny, roztoky, magnetická pole), mnohdy není zapotřebí speciálních úprav povrchu vzorku, ale někdy je náročné vzorek upevnit nebo se k němu se sondou přiblížit, možnost detekce různých vlastností povrchu (elastické, magnetické, třecí, vodivostní, rozložení povrchových nábojů), citlivost zpravidla jen na několik povrchových vrstev vzorku, obtížná interpretace výsledků, nejčastěji porovnáním s výsledky dle předem navrženého modelu a jeho případná korekce, velké množství artefaktů (zobrazení hrotu, zdvojení obrazu), necitlivost na chemickou podstatu vzorku, výsledný obraz musí být sestavován počítačem, je sbírán postupně. Obecné schéma mikroskopu SPM znázorňuje obr. 1. V uvedeném schématu vykonává veškeré pohyby skener se vzorkem. V praxi však často bývá pohyblivá i sonda, a to buď ve všech směrech (vzorek je pak během měření nehybný), nebo jen v ose z. Sonda (hrot) interakcí se vzorkem mění svůj stav, který je snímán senzorem. Prostřednictvím obvodů zpětné vazby je pak ovlivňováno prodloužení piezokeramiky. Změna je přenášena do počítače, který sestavuje výsledný obraz. Každý mikroskop typu SPM je tvořen následujícími součástmi: skenery - piezokeramické pohybové členy, které vytvářejí měřicí rastr a přibližují či oddalují sondu od povrchu vzorku, vlastní sondou - umístěnou v držáku, tvořenou zpravidla ostrým hrotem a nosnou částí, liší se dle typu mikroskopie, zprostředkovávající měřicí interakci, detektorem - snímajícím měronosnou veličinu (proud, posunutí), někdy je přímo sondou, jindy potřebuje ještě aktivní část (např. laser), obvody zpětné vazby řídicí elektroniky, záznamu a vizualizace dat, napájecími zdroji, stolkem pro upevnění a manipulaci se vzorkem (realizace hrubého posuvu), 12

13 optickým systémem pro orientaci na vzorku, pomocnými částmi (tlumení vibrací, vakuové vývěvy, generátory magnetického pole, kryostaty apod.). Obr. 1 Obecné schéma mikroskopu SPM Metoda AFM Tato v současnosti nejrozšířenější odnož SPM využívá malou sondu, která v těsné blízkosti povrchu mapuje topografii vzorku. Její hlavní výhodou oproti tunelové mikroskopii je možno mapovat i nevodivé povrchy. U mikroskopie atomové síly jsou k detekci vzdálenosti sondy od povrchu využity meziatomární síly, které způsobují nepatrné deformace držáku sondy. Pomocí optické detekce laserovým paprskem je pak vyhodnocována poloha této sondy a topografie povrchu je dále softwarově zpracovávána. Kromě toho je možné současně vyhodnocovat tření mezi sondou a povrchem, odezvu povrchu na velikost působící síly (tzv. bodová spektroskopie) a v dalších módech mikroskopie je možné sledovat také magnetické vlastnosti povrchu nebo jeho tepelnou vodivost. To vše v rozlišení blížícím se atomárnímu rozlišení. Princip metody AFM Hlavním prvkem mikroskopu je hrot o délce několika mikrometrů (viz obr. 4), upevněný na volném konci pružného držáku. Hrot s velmi ostrou špičkou (poloměr 13

14 špičky µm) díky uchycení na piezokeramickém skeneru vykonává pohyb nad povrchem vzorku. Přitom na něj působí především krátkodosahové odpudivé síly elektrostatického původu a dlouhodosahové přitažlivé Van der Waalsovy síly. Vliv obou sil je možné modelovat například empirickým Lennard - Jonesovým potenciálem jako na obr. 2. Díky tomu dochází v blízkosti povrchu k vychýlení hrotu z rovnovážné polohy a k deformaci jeho držáku. Pomocí laserového paprsku a tzv. optické páky (viz obr. 3) je detekován pohyb raménka - držáku hrotu. Pomocí zpětné vazby pak může mikroskop na tyto podněty reagovat. Obr. 2 Vliv přitažlivé a odpudivé síly na hrot sondy mikroskopu [1] Obr. 3 Princip detekce pohybu hrotu mikroskopu [1] Detaily konstrukce a výroby skenerů, ramének a jejich hrotů jsou dobře popsány v odkazech [2] a [3], proto se jimi nebudeme hlouběji zabývat. 14

15 V ideálním případě by protažení piezokeramiky skeneru lineárně záviselo na velikosti přiloženého napětí. V praxi je tato závislost narušena výskytem chyb, jako je nelinearita, hystereze a tečení. Jsou více či méně odhalitelné z výsledného obrazu a výrobci mikroskopů se je cíleně snaží eliminovat. Jelikož AFM mikroskop pracuje v několika módech, musí být pro každý z nich použito raménko s hrotem se specifickými vlastnostmi. V kontaktním módu sleduje hrot, který je upevněn na volném konci měkčího a kratšího raménka, přímo topografii povrchu. Při tomto módu lze s topografií detekovat zároveň boční sílu způsobenou třením, různorodostí materiálů či dalšími vlivy. Raménka jsou měkká a ohebná z důvodu minimalizace poškození povrchu vzorku. V kontaktním módu je možno pracovat ve dvou režimech - režimu konstantní výšky a konstantní síly. Obr. 4 Hrot a část nosníku mikroskopu AFM [4] Druhý mód nekontaktní, je založen na poněkud jiném principu. Celková síla působící mezi hrotem a vzorkem je oproti kontaktnímu módu mnohem menší a je potřeba ji detekovat pomocí změny rezonanční frekvence kmitajícího raménka s hrotem. Proto je nutné použít tužší raménko. Dále existuje tzv. poklepový mód (Tapping mode). Je dosti podobný předchozímu nekontaktnímu režimu s tím rozdílem, že hodnota amplitudy kmitů raménka je volena tak, aby docházelo k periodickému dotyku hrotu se studovaným povrchem. Povrch je opět mapován na základě změny rezonanční frekvence. [5] Stejně jako každá fyzikální metoda se i AFM v praxi liší od ideálních teoretických předpokladů. Některým artefaktům je možné se vyhnout při přípravě měření, některé lze z naměřených výsledků odstranit vhodným softwarem (nerovnoběžnost skenovací roviny a povrchu vzorku, nečistoty tažené po povrchu 15

16 hrotem atd.) a některé jsou principielně neodstranitelné (konvoluce povrchu s hrotem). Důraz je také kladen na antivibrační stolek, který částečně odstiňuje vibrace z okolního prostředí Metody příbuzné AFM [2] Pro různé aplikace vznikla celá řada variant, využívajících různých fyzikálních principů. Všechny využívají sondy s ostrým hrotem a skenovacího pohybu. Mikroskopie modulovaných sil FMM (Force Modulation Microscopy) se používá pro měření lokální elasticity povrchu.[6] Metoda vychází z měření AFM v dotykovém režimu s konstantní silou. Během skenování je na z-tovou část skeneru přiváděno modulované napětí. To způsobuje vertikální sinusové oscilace skeneru (viz obr. 5). Lokální elasticitě povrchu vzorku odpovídá změna hloubky penetrace hrotu a ohnutí nosníku. V tvrdších oblastech vzorku hrot sondy vniká méně hluboko, zatímco nosník se ohýbá více. Naopak v měkčích oblastech hrot penetruje hlouběji, ale nosník se ohýbá méně. Celé měření je možno provádět současně s AFM. Obr. 5 Princip metody FMM [6] Tato měřicí metoda se nejčastěji využívá při studiu polovodičů, polymerů, biologických objektů a kompozitů. 16

17 Mikroskopie laterálních sil (LFM) využívá při měření třecí síly. Podle vztahu pro velikost třecí síly F t = µ F n, (1) při působení normálové síly F n je třecí síla F t úměrná koeficientu tření µ, který závisí na materiálu tělesa. Protože tyto síly působí v rovině vzorku, nezpůsobují ohnutí nosníku nahoru nebo dolů, ale způsobují zkroucení nosníku. Měřením změn velikosti úhlu zkrutu pak můžeme mapovat změny třecí síly. Protože je zkrut nosníku v ideálním případě nezávislý na jeho ohnutí, bude dokonce možné měřit topografii vzorku a variace koeficientu tření zároveň. Výhodou této metody je možnost simultánního použití s AFM. Dalšími příbuznými metodami jsou např. mikroskopie fázových rozdílů (PDM), nebo mikroskopie příčných sil (TDFM). 17

18 2.2 Laserové opracování materiálů Technologické využití laseru představuje především obrábění a opracování materiálů. Využívá schopnosti výkonných laserů soustředit energii optického záření na malém prostoru, v krátkém čase a na interakci záření s látkou. Svazek vystupující z laseru lze pomocí optiky soustředit na malou plochu o průměru 10 až 100 µm. Laserovým svazkem lze dosáhnout velké místní hustoty energie a mimořádně vysoké teploty v místě dopadu za tak krátký čas, že se nestihnou uplatnit pomalé procesy vedení a sálání tepla. V interakci s pevnou látkou to má za následek nejprve její ohřev a tavení a nakonec její odpaření. Proto je možno pomocí záření z výkonového laseru ohřívat tenké povrchové vrstvy nebo odpařovat materiál bez ovlivňování jeho vnitřní struktury. Laserové opracování má mnohé výhody: ohřev lze realizovat i ve vakuu, velmi rychlé zahájení i ukončení procesu, opracování bez mechanického kontaktu s výrobkem, nepřináší do ohřívaného místa žádné nečistoty ani příměsi, možnost opracování obtížně přístupných míst obrobku, počítačové řízení celé operace. Všechny tyto vlastnosti umožňují široké technologické využití laseru, jako je řezání, vrtání, sváření, kalení, využití laserů v mikroelektronice, při popisu materiálů aj. Výhodou některých laserů je jejich univerzálnost. Jediným výkonovým laserem je možno změnou geometrie ozařování, volbou časových prodlev, hustot energie a použitím nutných periferních přípravků provádět většinu tepelných úprav. [7] Přibližné kombinace plošné hustoty výkonu a interakčního času pro některé operace znázorňuje obr

19 Obr. 6 Plošné hustoty výkonu pro laserové opracování kovových materiálů [8] Obecný princip laseru Laser (z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. zesilování světla stimulovanou emisí záření ) je optický zdroj elektromagnetického záření. Optické záření (světlo) je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku a na rozdíl od světla přirozených zdrojů je polarizované, koherentní a monochromatické. Fungování laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky. [9] Laser je tvořen třemi hlavními součástmi: buzením aktivního prostředí, aktivním prostředím a rezonátorem. Budícím zdrojem, který může představovat například výbojka, je do aktivního prostředí dodávána energie. Ta způsobuje excitaci částic (elektronů, iontů, atd.) aktivního prostředí, neboli jejich přechod ze základní energetické hladiny do hladiny vyšší. Takto je do vyšších energetických stavů vybuzena většina částic aktivního prostředí a vzniká tak tzv. inverze populace. Při sestupu částic na nižší energetickou hladinu dojde k vyzáření (emisi) energie ve formě fotonů. Tyto fotony následně interagují s dalšími částicemi inverzní populace, čímž spouštějí tzv. stimulovanou emisi fotonů. Aktivní prostředí laseru je umístěno v rezonátoru. V nejjednodušším případě je optický rezonátor tvořen dvěma zrcadly. U některých typů pevnolátkových laserů jsou odrazné plochy zrcadla naneseny přímo na aktivní prostředí, tedy na optický krystal. Jak už napovídá název rezonátor vybere jen takové vlnové délky, které splňují podmínku rezonance - ty zesílí a ostatní vlnové délky potlačí. Na zrcadlech rezonátoru dochází 19

20 k odrazu paprsku fotonů a jeho opětovnému průchodu prostředím. To dále podporuje stimulovanou emisi, a tím dochází k exponenciálnímu zesilování toku fotonů. Výsledný světelný paprsek pak opouští tělo laseru průchodem skrze polopropustné zrcadlo. V současné době pracují v mnoha oblastech vědy a techniky různé typy laserů. Vzájemně se liší buď konstrukčním uspořádáním a volbou aktivního prostředí, nebo jinou formou energie použité k buzení. Z těchto důvodů jsou lasery rozděleny do těchto základních skupin: pevnolátkové, kapalinové, plynové. Podle svých charakteristických vlastností jsou lasery jednotlivých skupin používány k vybraným účelům. Pro potřeby laserového opracování materiálů jsou používány především lasery pevnolátkové a plynové. [10] Pevnolátkové lasery Jde o typ laserů, jejichž aktivním prostředím je pevná látka obsahující většinou ionty vzácných zemin a někdy některé další prvky. Těmito prvky je v poměrně malých procentech obohacena krystalová mřížka, popř. amorfní matrice nosného materiálu. Aktivní ionty jsou zdrojem stimulovaného záření. Přes absorpční pásy těchto iontů se obsazují příslušné energetické hladiny, mezi kterými dochází k populační inverzi. Existuje velké množství aktivních prostředí. Pro technologické využití má význam laser Nd:YAG a některé typy polovodičových laserů. Nd:YAG laser je patrně jedním z nejpoužívanějších pevnolátkových laserů. Aktivním prostředím je Ytrium Aluminiový Granát (Y 3 Al 5 O 12 ) dopovaný ionty neodymu. Doposud se používá ve formě tyčinky kruhového průřezu. U laserů vyšších výkonů se prosazuje SLAB technologie, t.j. krystaly ve formě seříznutých kvádrů. Čerpací systém je tvořen jednou nebo více výbojkami na bázi kryptonu (pulsní režim) nebo xenonu (kontinuální režim). Výbojky i krystal jsou intenzivně chlazeny deionizovanou vodou a jsou uzavřeny v dutině rezonátoru. Ta může mít různý tvar. Většinou se jedná o kavitu eliptického průřezu, kde v jednom ohnisku se nachází výbojka a v druhém krystal aktivního prostředí. Typická vlnová délka záření Nd:YAG laserů je 1064,1 nm, ale s menší účinností může emitovat i na jiných vlnových délkách (940, 112, 132 nebo 1440 nm). V závislosti na době buzení může generovat záření jak v impulsním tak i v kontinuálním režimu. 20

21 Maximální výkon v kontinuálním režimu dosahuje několika stovek wattů. V impulsním režimu se délka impulsu může pohybovat v rozmezí od milisekund až po jednotky pikosekund. [10] Nd:YAG má díky vysokému výkonu a vhodné vlnové délce řadu uplatnění. Hojně je užíván v technologii opracování materiálů, v medicíně (oftalmologie), biologii a ve vojenských aplikacích. [11] Laserové kalení (laser hardening) Ideální konstrukční materiál by měl mít velkou houževnatost při velké povrchové tvrdosti. Houževnatost je možno zvýšit popouštěním, např. pomalým ochlazováním po ohřevu, tvrdost naopak rychlým ochlazením. Dosažitelná tvrdost závisí mimo jiné i na obsahu uhlíku. Laserové kalení využívá pro ohřev materiálu výkon laserového záření. Při klasickém kalení s rychlým ochlazením zároveň bohužel roste křehkost jádra materiálu. Zatímco laserovým svazkem se zakalí jen tenká povrchová vrstva bez prohřátí a změn vlastností jádra materiálu, které si tak ponechá svou houževnatost. V praktické průmyslové výrobě se ke kalení využívá především kontinuálních CO2 laserů o výkonu několika tisíců wattů. Nejčastěji jde o tzv. transformační zpevňování některých namáhaných automobilových součástek (klikové a vačkové hřídele, boky ozubených kol, stěny válců spalovacích motorů apod.). Pro kalení menších ploch se používá impulsních laserů. Jde především o kalení ostří nástrojů z rychlořezné oceli. Jestliže se svazek laseru pohybuje po povrchu materiálu určitou rychlostí, materiál za místem ozáření během několika milisekund rychle zchladne. Zároveň dochází k ovlivnění pouze tenké povrchové vrstvy (několik desítek mikrometrů). Takto zakalený povrch pak získává jemnou martenzitickou strukturu. Dalšími výhodnými vlastnostmi takto upraveného materiálu je obvykle větší odolnost proti korozi a zanedbatelná deformace při kalení, čímž se prakticky odstraňuje nutnost jejich dodatečného opracování. [7] Interakce laserového záření s látkou Při dopadu laserového záření na absorbující povrch pevné látky nastává interakce fotonů dopadajícího záření s atomy krystalické mřížky, což vyvolá ohřev. Vše probíhá velmi rychle (asi až sekundy), a proto ohřev povrchové vrstvy 21

22 sleduje okamžitý výkon zdroje záření. [12] Absorpce zářivé energie ve hmotě se řídí exponenciálním Lambert - Beerovým zákonem ve tvaru I = I e β l 0, (2) kde I 0 je intenzita dopadajícího záření, I intenzita paprsku po průchodu absorbujícím prostředím. Absorpční koeficient β závisí na druhu látky, vlnové délce a intenzitě záření. Samotná tloušťka absorbující vrstvy l se u kovů pohybuje v rozmezí 10 nm - 1 µm. [12] Ohřev hmoty ve větší hloubce pak již probíhá podle teorie šíření tepla ve hmotě. Zjednodušená rovnice tepelné rovnováhy při interakci záření s látkou má tvar [ c p ( TT T0 ) + lt + ck ( TV TT ) + lv ] + Z ( 1 R) Pτ = ρv Q, (3) kde P značí výkon laseru, τ interakční dobu, ρ hustotu materiálu, V objem materiálu, c p (c k ) měrnou tepelnou kapacitu pevné (kapalné) fáze, T 0 (T T, T V ) teplotu počáteční (tavení, vypařování), l T (l V ) skupenské teplo tání (vypařování) a Q z tepelné ztráty. Levá strana vztahu (3) vyjadřuje energii do procesu vloženou a pravá strana energii spotřebovanou. Při výpočtech se obvykle uvažuje reflektivita R = 50 %. Absorpce a reflexe laserového záření Jak bylo již řečeno, podmínkou interakce záření s látkou je absorpce záření. Pojem absorpce souvisí s pojmem reflexe a transmise. Vztah mezi těmito třemi veličinami se dá vyjádřit jako R = 1 ( A + T ), (4) kde R značí reflektivitu, A absorptivitu a T transmisivitu. U nepropustných povrchů vztah (4) přechází v R = 1 A. (5) Pro reflektivitu a absorptivitu při kolmém dopadu platí vztahy 2 2 ( n 1) + k R =, (6) 2 2 ( n + 1) + k 4n A =, (7) 2 2 ( n + 1) + k kde n značí index lomu a k extinkční (absorpční) koeficient materiálu. Některé hodnoty těchto konstant pro různé materiály jsou uvedeny v tab

23 Tab. 1 Optické parametry některých materiálů pro λ = 1064 nm Materiál k n R Hliník 8,50 1,75 0,91 Měď 6,93 0,15 0,99 Železo 4,44 3,81 0,64 Olovo 5,40 1,41 0,84 Titan 4,0 3,8 0,63 Sklo 0 1,5 0,04 Na interakci laserového záření s materiálem má kromě vlastností samotného materiálu samotného vliv i celá řada dalších faktorů. Zde budou uvedeny jen ty nejdůležitější. Reflektivita kovů vzrůstá s vlnovou délkou dopadajícího záření na jeho povrch. [8] Tuto závislost pro některé materiály prezentuje obr. 7. Obr. 7 Závislost reflektivity některých materiálů na vlnové délce dopadajícího záření [8] Dalším faktorem ovlivňujícím reflektivitu a absorpci je teplota povrchu. Při ohřevu materiálu roste jeho absorptivita a klesá reflektivita, (viz obr. 8). 23

24 Obr. 8 Závislost reflektivity některých materiálů na teplotě materiálu [8] Významnou roli při absorpci záření hraje také barva a povrchová úprava materiálu. Jak je známo, tmavá barva více pohlcuje záření, taktéž hladce opracovaný povrch spíše záření odrazí než pohltí. Při jiném než kolmém dopadu hraje svou roli také úhel dopadu a polarizace laserového svazku Vlastnosti laserového svazku Každý laserový svazek je charakterizován souborem parametrů. Protože v experimentální části této práce bude pracováno s pulsním Nd:YAG laserem, budou níže uvedeny jeho významné parametry. Některé z nich vycházejí přímo z konstrukce laseru a je možno je ovlivnit pouze přestavbou zařízení nebo vůbec (např. mód laseru, BPP, průměr svazku nebo vlnová délka). Jiné parametry (např. energie pulsu, délka pulsu, frekvence pulsů) je možno volit v nastavení zařízení. Kvalita laserového svazku vyjadřuje to, jak jsme schopni svazek zaostřit. Za ideální se považuje svazek s malým průměrem v ohnisku a s velkou hloubkou ostrosti. Přitom hloubka ostrosti je definována jako vzdálenost, na které se plocha stopy mění v rozmezí ± 5 % [8], jiné zdroje uvádí i 10 %. V některé literatuře bývá také označována jako dvojnásobek Rayleighovy délky z RF, což je vzdálenost mezi ohniskem a bodem, ve kterém má svazek poloměr roven 2 násobku poloměru v ohnisku (v pase svazku), (viz obr. 9). 24

25 Obr. 9 Rayleighova délka [8] Svazek s malou šířkou a velkou hloubkou ostrosti zaručuje velkou hustotu energie. Takovýchto svazků se využívá např. při laserovém řezání. V praxi je ale stopa svazku vždy nějakým způsobem rozostřena. Zavádí se veličina označována jako BPP (Beam Parameter Product), která je definovaná vztahem ΘDfoc λ BPP = Θh rfoc = = = konst [mm.mrad], (8) 4 π kde Θ h je poloviční divergence, Θ celková divergence, r foc je poloměr pasu svazku, D foc průměr pasu svazku a λ je vlnová délka záření. Hodnota součinu divergence a průměru svazku je konstantní pro celou délku paprsku a je charakteristikou laseru. Ze vztahu (8) vyplývá, že s rostoucí šířkou svazku divergence klesá, naopak že s rostoucí divergencí klesá šířka svazku. V laserové technice se BPP používá jako indikátor kvality svazku. Menší BPP značí vyšší kvalitu, a tedy i vyšší schopnost zaostření svazku. Vztah (8) platí obecně pouze pro základní gaussovský příčný elektromagnetický mód. Rozšířením vztahu (8) na všechny typy módů je ( 2o + ) 2 λ r + π focθ h = p 1, (9) kde o, p jsou indexy příčného elektromagnetického módu TEM (viz níže). Ze vztahu (9) vyplývá, že schopnost zaostření roste s poklesem vlnové délky a se snížením řádu módu (složitostí módu). Tvar průřezu svazku je významně závislý nejen na vlnové délce fotonu, ale též na souososti, vzdálenosti a zakřivení zrcadel, a na průměru laserové trubice. Tvar průřezu svazku, neboli mód, je označován TEM (Transverse ElectroMagnetic). Teoreticky muže být vytvořeno nekonečné množství módů, ale jen některé mají praktické průmyslové uplatnění. V příčném průřezu paprsek vytváří buď jen 25

26 jednoduchou stopu - základní mód, a nebo složitější obrazce pravoúhle nebo kruhově symetrické. Je to dané tím, že uvnitř laserového rezonátoru získává elektromagnetické pole generované stimulovanou emisí záření určitou konfiguraci v závislosti na okrajových podmínkách rezonátoru. Ukázky různých módů znázorňuje obr. 10. V symbolech TEMo,p vyjadřují indexy o, p počty minim intenzity ve směrech dvou na sebe kolmých os. Obr. 10 Různé módy laseru [13] Jestliže známe BPP laseru a průměr pasu svazku D 0, můžeme vypočítat průměr svazku D(z) ve vzdálenosti z od ohniska podle vztahu BPP z D ( z) = D (10) D0 Vlnová délka vyzařovaná laserem podmiňuje množství materiálem pohlcené energie. Jak bylo uvedeno v kapitole 2.3.2, vhodnou volbou vlnové délky méně výkonného laseru lze dosáhnout vyšší efektivity, než s výkonnějším laserem s nevhodnou vlnovou délkou. Průměr svazku lze teoreticky měnit dvěma různými způsoby. Buď změnit přímo průměr svazku v jeho ohnisku, což by vyžadovalo zásah do optiky laseru. Druhou, jednodušší a prakticky proveditelnou možností, jak dosáhnout širší stopy, je vzdálit pracovní místo od ohniska. 26

27 Při obrábění pulsním laserem hraje velmi důležitou roli energie pulsu E. Tu je možné nastavit prostřednictvím čerpacího napětí výbojky U a délky pulsu t p. V praktickém využití se často setkáváme spíše s plošnou hustotou energie. Ta u materiálového obrábění ovlivňuje, do jaké hloubky bude záření působit. Délka pulsu t p je definovaná jako doba trvání pulsu. Řadíme ji mezi nejdůležitější nastavitelné parametry pulsního laseru, které přímo ovlivňují charakter jeho interakce s materiálem (tepelné ovlivňování, sváření, řezání či vrtání). Délku pulsu řídí elektronika laseru pomocí délky pulsu elektrického napětí. Délka pulsu laserového je zpravidla kratší než délka pulsu elektrického. Dalším parametrem laseru, který lze přímo měnit, je frekvence pulsů f p. Udává počet pulsů, které vyjdou z laseru za jednu sekundu. Její hodnoty pro svařování a kalení se udávají v řádu jednotek hertzů, pro řezání jsou to pak desítky až stovky hertzů. Výkon v pulsu P puls, je často označován jako vrcholový nebo špičkový výkon. Udává okamžitý výkon laseru během pulsu a má vliv hlavně na hloubku penetrace. Lze ho nastavit prostřednictvím energie a délky pulsu, neboť platí vztah E P puls =. (11) t p Průměrný výkon P obecně v materiálovém zpracování přímo ovlivňuje rychlost zpracování. Průměrný výkon lze určit z jednoduchého vztahu P = E f. (12) p 27

28 2.3 Nanoindentace Obecný princip nanoindentace [14] Nanoindentace je experimentální metodou pro vyšetřování elastických a plastických vlastností velmi malých objektů nebo velmi tenkých vrstev a povlaků. Nanoindentor (někdy také ultramikrotvrdoměr) vytváří diamantovým hrotem vtisky do zkoumaného materiálu. Hrot známých rozměrů a geometrie působí tlakem při přesně definované zátěžné síle. Celý proces je kontinuálně monitorován. V první fázi indentačního cyklu probíhá zatěžování, během kterého je na požadovanou hodnotu zvyšována zátěžná síla. Druhou fází je řízené odlehčování, jež spočívá v postupném snižování zátěže až na nulovou hodnotu. Hloubka vniku indentoru se zmenšuje tak, jak materiál elasticky regeneruje Grafické vyjádření závislosti naměřených hodnot polohy hrotu na zátěžné síle se označuje jako indentační křivka. Její charakteristický tvar znázorňuje obr. 12. Z křivky je pak vypočtena tvrdost a modul pružnosti a další charakteristické veličiny. Pro indentaci lze obecně využít několika typů (tvarů) indentorů: [15] Vickersův - čtyřboký jehlan - výška je 7krát menší než úhlopříčka čtvercové podstavy, Knoopův - čtyřboký jehlan - výška je 30krát menší než úhlopříčka čtvercové podstavy - menší hloubka proniknutí do materiálu, Bekrovichův - trojboký jehlan. Námi použité zařízení používá tzv. Berkovich indentor (viz obr. 11), jehož poměr průřezu a indentační hloubky je stejný jako v případě Vickersova indentoru. Jedná se o trojboký jehlan s vrcholovým úhlem 142,3, jehož základnou je rovnostranný trojúhelník. 28

29 Obr. 11 Hrot indentoru typu Berkovich [14] Analýza dat z nanoindentoru Sběr dat a následný výpočet hodnot tvrdosti a modulu pružnosti je řízen počítačem, potažmo jeho softwarem. Program používá metodu podle Olivera a Pharrea uvedenou v roce Výchozími jsou data získaná během cyklu zatížení a odlehčení, podobně jako znázorňuje graf na obr. 12. Zde je nezávisle proměnnou zatížení F a závisle proměnnou je hloubka h - relativní průnik indentoru do vrstvy vzhledem k počátečnímu nedeformovanému povrchu. Z indentačních křivek je třeba odvodit další veličiny: F max - maximální zatížení, h max - maximální hloubku, C s - kontaktní poddajnost vzorku definovanou jako převrácená hodnota měřené odlehčovací tuhosti S vztahem 1 = S = C s df dh Další důležitou veličinou je h f - permanentní hloubka penetrace (plastická deformace) po úplném odlehčení indentoru, je dobře patrná z obr. 13. Pro další výpočty je třeba odlehčovací křivku aproximovat, k čemuž slouží mocninné pravidlo F ) (17) m = α ( h h f, (18) kde α, h f a m jsou konstanty. 29

30 Obr. 12 Příklad indentační křivky [14] Kontaktní hloubku h c při použití indentoru Berkovich, určujeme ze vztahu h c = h 0 C F, (19) max hs = hmax, 75 s kde h c značí kontaktní hloubku, h max maximální hloubku penetrace indentoru. max Obr. 13 Proces odlehčování indentoru [14] Postup k určení tvrdosti H a modulu pružnosti E p je založena na odlehčovacím procesu znázorněném schematicky na obr. 13. Jedním ze základních předpokladů je kalibrovaná tvarová funkce indentoru, neboli vztah mezi plochou vtisku A c a kontaktní hloubkou h c. Může být vyjádřena ve tvaru 2 Ac k1 hc + k2 = h (20) c 30

31 Následující vztahy jsou užity k výpočtu H a E p F H =, (21) max A c E r π 1 1 =, (22) 2 A C c s r p i 2 i v 1 v = +, (23) E E E kde E r je redukovaný modul. Ten zahrnuje skutečnost, že k pružným deformacím dochází jednak ve vzorku s Youngovým modulem E p a Poissonovým číslem ν, ale také v indentoru s elastickými konstantami E i a ν i. 31

32 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1 Ocel třídy Vlastnosti oceli Pro náš experiment byl záměrně vybrán ocelový materiál třídy , což je označení dle normy ČSN Po prostudování jeho vlastností (viz níže) bylo zjištěno, že právě tento materiál se bude hodit pro laserové opracování kalení. V našem případě jde o ušlechtilou nástrojovou ocel, zpracovanou žíháním naměkko a nepřeválcovanou. [16] Od takových materiálů se obecně požaduje řada základních vlastností, jako např. vysoká tvrdost, pevnost, dostatečná houževnatost, stálost vlastností za tepla, odolnost proti opotřebení, prokalitelnost atd. Optimální kombinace vlastností se dosáhne volbou materiálu nástroje a jeho tepelným zpracováním. [17], [18] Nástrojové materiály lze dělit podle několika různých hledisek, např. podle druhu nástroje a technologického pochodu, k němuž nástroj slouží. V tomto dělení rozeznáváme oceli např.: [19] na řezné nástroje, na nástroje pro stříhání, na nástroje pro tváření, oceli na měřidla, atd. Nástrojové oceli se vyrábějí z vybraných surovin většinou v elektrických pecích nebo SM-pecích a vyznačují se vysokým obsahem uhlíku. Nejčastěji jde o nadeutektoidní nebo eutektoidní oceli. Podle chemického složení nástrojové oceli dělíme na: uhlíkové, slitinové, rychlořezné, oceli na lité nástroje. 32

33 V našem případě označení materiálu vzorku značí uhlíkovou nástrojovou ocel. Většina těchto ocelí má obsah uhlíku od 0,65 do 0,75 %. Uhlíkových ocelí se používá na výrobu nástrojů, které nejsou vystaveny vlivu vyšších teplot, jako jsou méně namáhané řezné nástroje (nože, frézy, vrtáky, závitníky) a nástrojů namáhaných rázem (dláta, důlčíky, průbojníky). Přesné složení oceli je uvedeno v tab. 2. Prokalitelnost nástrojových uhlíkových ocelí zvyšuje již malá přísada dalších prvků, jako je Mn, Si a Cr. Nástroje z takového materiálu mají po zakalení na povrchu martenzitickou strukturu jen v povrchové vrstvě. Jádro je tvořeno jemným perlitem. Tepelnému zpracování nástrojů z uhlíkových či slitinových ocelí se věnuje zvláštní péče. Kvůli vysokému obsahu uhlíku jsou nástrojové oceli náchylné k oduhličování povrchu. To by mohlo vést k snížení její tvrdosti a praskání. Proto je potřeba přesně dodržovat stanovenou technologii, která zahrnuje správné předehřátí před kalením, ohřev v ochranném obalu a stejnoměrné kalení. Po kalení je třeba materiál neprodleně popouštět. Tab. 2 Složení oceli v % [20] C Mn Si P S Cr 0,65 0,75 0,20 0,45 0,15 0,35 max 0,035 max 0,035 max 0,25 Pro přibližné stanovení hmotnosti vzorku byla vypočtena hustota materiálu ρ. Hustota oceli ρ závisí na chemickém složení oceli, struktuře a teplotě. Pro běžné teploty a běžné typy ocelí lze hustotu vypočítat podle vztahu [21] ρ = C 16Mn 73Si 164S 117P + 11Cu + kg 4Ni + Cr + 95W 120Al + 100As m, (13) + 3 kde C, Mn, Si atd. jsou obsahy příměsí v hmotnostních procentech. Pokud jde o vliv struktury oceli, tak přibližně platí, že ρ austenit > ρ perlit > ρ sorbit. ρ bainit > ρ ferit > ρ martenzit. Po dosazení do (13) pro náš materiál vychází ρ = m kg3 33

34 3.1.2 Příprava vzorků Materiál, ze kterého byly připraveny vzorky byl získán ze skladových zásob Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky (SLO UP a FZÚ AV ČR) v Olomouci. V původním stavu se ocel nacházela v tyčích délky cca 2 m a průměru 20 mm. Z této tyče byl nejdříve uříznut kus o délce cca 25 cm, který byl dál nařezán na disky tloušťky 5 mm. Tak vzniklo celkem 19 disků. Každý z nich po řezání prošel ještě broušením, které zjemnilo jeho povrch. Broušení probíhalo ve společnosti Meopta - optika, s.r.o. na fréze TOS Hostivař, BU K broušení byl použit brusný kotouč Tyrolit s označením 98A 46 J 9 V C40 dle normy EN Šlo o kotouč [22] z umělého světle růžového korundu, s keramickým pojivem, střední zrnitostí, malou tvrdostí, velmi otevřenou strukturou a obvodovou rychlostí do 40 m/s. Podobu vzorků před laserovou expozicí prezentuje obr. 14. Hmotnost jednoho disku byla vypočtena dle vztahu: m = ρv, (14) což po dosazení vychází: m = 49, 1g. Obr. 14 Vzorky z oceli před laserovou expozicí 34

35 3.2 Laserová expozice vzorků Popis systému LASAG KLS KLS výrobce LASAG (viz obr 15), je pulsní Nd:YAG laser určený pro laboratorní či průmyslové zpracování materiálů. Kovy umožňuje řezat a svařovat do tloušťky 2 mm, vrtat až do hloubky až 6 mm. Mezní hodnoty pro nekovové materiály jsou vyšší. Vyznačuje se vysokou kvalitou svazku a velkou flexibilitou v oblasti materiálového zpracování. Emituje optické záření v blízké infračervené oblasti na vlnové délce 1064 nm. Mód svazku tohoto zařízení je TEM 2,0. Jeho tvar je zachycen na obr. 10. Základní parametry laseru uváděné výrobcem jsou shrnuty v tab. 3. Obr. 15 Laserový systém LASAG KLS 246 Vlnová délka [nm] Tab. 3 Technická specifikace KLS 246 [23] Průměr svazku [mm] Délka pulsu [ms] Frekvence [Hz] , , Max. energie v pulsu [J] Max. výkon v pulsu [W] Průměrný výkon [W] Čerpací napětí [V]

36 Víceúčelovost systému je zajištěna variabilitou vnitřního uspořádání optického systému. Lze použít různé clonky, různé tvary zrcátek a také různé vzdálenosti mezi těmito optickými prvky a krystalem. Takto lze získat šest různých rezonátorů s rozdílnou hodnotou BPP, která se pohybuje v rozmezí od 4 mm.mrad do 24 mm.mrad. Z těchto hodnot lze určit průměr svazku v jeho pase, neboli v ohnisku fokusační čočky D 0 podle vztahu f BPP D = 4 0, (15) M D in kde f je ohnisková vzdálenost čočky v pracovní hlavě, M je zvětšení expanderu (viz níže) svazku, D in je průměr svazku vstupujícího do expanderu (6 mm). Platí nepřímá úměra mezi kvalitou a průměrem svazku. Energie laserového svazku je řízena čerpacím napětím, jehož hodnotu lze volit od 150 V do 400 V. Přitom platí, že pro každou energii existuje limitní hodnota frekvence pulsů, která vyhovuje vztahu P = E, (16) max f max kde P max je maximální průměrný výkon. Součástí laserového systému je také chladící zařízení. V něm proudí deionizovaná voda kolem krystalu a výbojky a tím je ochlazuje. Zařízení dále obsahuje ovládací jednotku počítač s komunikačním softwarem výrobce LASAG. Částečné ovládání je umožněno také pomocí ručního terminálu. Optický systém Optický systém zahrnuje elementy zajišťující generaci, zesílení a fokusaci laserového svazku. Standardní uspořádání optických prvků je schématicky znázorněno na obr. 16, popis jednotlivých prvků pak v tab. 4. Po výstupu z rezonátoru projde svazek nejprve částečně propustným zrcadlem a 2 % záření jsou odkloněna do detektoru. V detektoru dochází k transformaci světelné intenzity na elektrický signál, který je následně kontrolním systémem přepočítán na energii pulsu. Další součástí je elektromagnetická závěrka, která brání nežádoucímu výstupu záření z optického systému. Závěrka je v podstatě elektromagneticky ovládané zrcadlo, které v uzavřené poloze odklání svazek do vodou chlazeného absorberu. Po průchodu otevřenou závěrkou prochází svazek expanderem (teleskop s dvojnásobným zvětšením). Rozšířením svazku expanderem je možno podle vztahu 36

37 (15) dosáhnout menší průměr svazku v ohnisku fokusační čočky. Z expanderu odchází svazek do distribučního zařízení, které propouští svazek do pevné hlavy nebo přes optické vlákno do svařovací hlavy. Obě pracovní hlavy obsahují fokusační čočky. Obr. 16 Schématické uspořádání optického systému pro přímé vedení svazku Tab. 4 Popis součástí optického systému z obr Pilotní laser 8 Závěrka a absorber svazku 2 Koncové zrcátko 9 Expander 3 Clona 10 Odrazné zrcadlo 4 Krystal 11 Čočka 5 Výbojka 12 Ochranné sklíčko 6 Polopropustné výstupní zrcátko 13 Pracovní rovina 7 Detektor svazku 14 Pozorovací objektiv 37

38 3.2.2 Expozice a výběr vzorků Před samotnou expozicí vzorků pro experiment bylo potřeba zjistit operační nastavení systému LASAG KLS 246. Následovala tedy náročná cesta pokusů a omylů, vedoucí k zjištění optimálních parametrů pro laserové zakalení výše popsaného materiálu. Jako první byl proveden pokus o výpočet potřebné energie. Ten vycházel z velmi hrubého odhadu objemu tepelně ovlivněné oblasti vzorku. Tento postup se ihned jevil jako neobjektivní. Bylo tedy třeba orientovat se hlavně podle zkušeností obsluhy laserového systému. V další fázi byla vyrobena zkušební série exponovaných vzorků. Na dvou discích (viz obr. 17) byla vytvořena matice exponovaných oblastí - laserových teček. Pro zjednodušení všech dalších úvah byl zvolen postup, kdy každá oblast byla vystavena pouze jednomu pulsu laseru. Pohyb svazku nad vzorkem je realizován za pomoci posuvného stolku (viz obr. 18). Posuv stolku stejně jako laser samotný je řízen uživatelským rozhraním softwaru osobního počítače (viz obr. 19 a 20). Obr. 17 Zkušební série exponovaných vzorků ( pořízeno optickým mikroskopem Leica MZ8) 38

39 Obr. 18 Sestava pro laserovou expozici 1 tryska laseru; 2 vzorek; 3 posuvný stolek Obr. 19 Okno softwaru pro řízení posuvného stolku 39

40 Obr. 20 Okno softwaru pro řízení laseru Účelem prvotního exponování disků bylo zjištění vhodných parametrů laserového systému. Proto byly mezi každými body matice (tečkami) systematicky měněny parametry systému. Jednalo se o změnu: délky pulsu, čerpacího napětí laseru, vzdálenosti povrchu vzorku od ohniska svazku. Prvotní vzorky byly analyzovány s cílem zjistit, které nastavení systému se jeví jako nejlepší. Analýza probíhala na optických mikroskopech společnosti Meopta - Optika, s.r.o. v Přerově: Leica MZ8 (ev.číslo: ), objektiv 1,5x, okulár 10x; Zeiss Axiotech Vario 100 HD (ev.číslo: ), objektiv 2,5x 20x, okulár 10x. Veškerá fotodokumentace byla pořízena skrz okulár digitálním fotoaparátem Panasonic Lumix, DMC - LS80. Ze všech exponovaných oblastí (teček) byla vybrána jedna, která jevila známky zakalení. Její povrch na celé své ploše vykazoval pouze změnu barvy, nikoli změnu 40

41 struktury povrchu. Při nastavení zařízení pro expozici finálních vzorků se tedy vycházelo z parametrů této tečky, které shrnuje tab. 5. Frekvence f [Hz] Tab. 5 Parametry vybrané exponované tečky zkušební série Délka pulsu t [ms] Vzdálenost z [mm] Napětí U [V] Energie E [J] Výkon P [W] 7, ,2 85 Po pečlivé úvaze bylo rozhodnuto, že výsledkem finální expozice budou 3 vzorky - kovové disky, z nichž na každém bude řada deseti exponovaných oblastí - teček. Všechny tečky budou opět výsledkem působení pouze jednoho pulsu laseru. V každé řadě teček bude systematicky měněn vždy pouze jediný parametr: - délka pulsu t, - vzdálenost povrchu od ohniska laseru z, - čerpací napětí U. Zároveň všechny tři řady teček budou přibližně ve svém středu obsahovat tečku, jejíž parametry se blíží oné exponované tečce ze zkušební série vzorků. Protože laserový systém Lasag slouží pro potřeby výzkumu SLO UP a FZÚ AV ČR, je velmi pracovně vytížen. Mezi výrobou zkušebních a finálních vzorků tedy došlo k několika změnám v justáži zařízení, které se projevily v mírné změně operačních parametrů pro výrobu finálních vzorků. Konečným důsledkem je, že nebylo možno zpětně reprodukovat nastavení laseru pro výrobu přesné repliky tečky ze zkušební série. Po výrobě finálních vzorků byly tyto opět podrobeny analýze na optických mikroskopech ve společnosti Meopta - optika, s.r.o. Jejich fotografie jsou uvedeny na obr. 21. Výsledkem pozorování byl výběr jednoho disku, tedy série teček (na obr. 21 na disku 1 číselně označeny) s jedním proměnným parametrem. 41

42 1 2 3 Obr. 21 Finální série exponovaných vzorků 1 změna vzdálenosti; 2 změna napětí; 3 změna délky pulsu Na prvním vzorku číselně označeny jednotlivé exp. oblasti (tečky) (pořízeno optickým mikroskopem Leica MZ8) Při detailnějším pohledu na jednotlivé vzorky (disky) a jejich ovlivněné oblasti (tečky) byl jako první z dalšího posuzování vyřazen disk 3 s proměnnou délkou pulsu t. I při pozorování pod větším zvětšením (až 50x objektiv a 10x okulár) nebylo možno zjistit žádné zásadní změny mezi jednotlivými tečkami. Změny v délce ozařování se pravděpodobně projevily ve změně objemu ovlivněné oblasti ve směru pod povrch vzorku. Bohužel však nedisponujeme metodou zkoumající materiál pod jeho povrchem. Mikroskop AFM mapuje pouze povrch a změny jeho vlastností. Proto se tento vzorek jeví jako nejméně vhodný. V tab. 6 jsou uvedeny hodnoty parametrů nastavených při expozici disku 3 s proměnnou délkou pulsu. 42

43 Tab. 6 Parametry expozice disku 3 Označení Frekvence Délka pulsu Vzdálenost Napětí Energie Výkon tečky i f [Hz] t [ms] z [mm] U [V] E [J] P [W] 1 7,0 13, ,2 78,4 2 7,0 13, ,5 80,1 3 7,0 14, ,7 82,1 4 7,0 14, ,0 84,4 5 7,0 15, ,3 85,8 6 7,0 15, ,6 88,1 7 7,0 16, ,8 89,3 8 7,0 16, ,0 91,0 9 7,0 17, ,3 93,0 10 7,0 17, ,6 95,0 Při dalším pozorování byl vyřazen disk 2 s proměnným čerpacím napětím laseru U. Parametry nastavené při expozici disku 2 jsou uvedeny v tab. 7. Na tomto vzorku (na obr. 21 uveden označen číslem 2) byla pozorována mírná změna ve velikosti ozářené plošky. Zároveň při větším zvětšení byla patrná změna struktury. U teček 6 10 došlo vlivem velkého zahřátí k přetavení střední oblasti. Pro vyřazení tohoto vzorku hovořila i praktická využitelnost získaných dat. V průmyslové praxi se během kalení laserem [24] nevyužívá změny čerpacího napětí potažmo energie svazku. Při kalení členitějších předmětů jistě daleko častěji nastává změna vzdálenosti kaleného povrchu od ohniska laseru. Tato skutečnost a výsledky optického pozorování rozhodly pro výběr disku 1 s proměnnou vzdáleností z. Právě na něm budou provedena měření na AFM mikroskopu NTEGRA Prima, jehož popis se nachází v následující kapitole 3.3 této práce. Na disku 1 (viz obr. 21) je možno pozorovat největší množství změn závislých na jednom parametru. S rostoucí vzdáleností od ohniska se paradoxně zmenšuje velikost ztmavené oblasti. Zároveň na prvních dvou tečkách je ve střední části zřetelná přetavená oblast, zatímco na ostatních je vidět pouze zakalení. Výčet parametrů expozice disku 1 je opět přehledně uveden v tab