Laserové technologie v praxi (nový povinně volitelný předmět bakalářského oboru Přístrojová fyzika)

Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji CZ.1.07/1.3.13/02.0002 Laserové technologie v praxi (nový povinně volitelný předmět bakalářského oboru Přístrojová fyzika) Hana Chmelíčková Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AVČR, 17. listopadu 50a, 772 07 OLOMOUC, ČR 25.11.2010 1 Předmět Laserové technologie v praxi. Přístroje s lasery jsou dnes běžně používány nejen specializovanými odborníky. Předmět seznámí studenty s principy činnosti laseru, rozdělením do bezpečnostních tříd a základními pravidly bezpečnosti práce, ale i klasifikuje laserové technologie a uvede aplikace ve strojírenství, geodézii, stavebnictví, lékařství, vojenské technice, zabezpečovacích systémech, apod. K získání praktických znalostí a návyků budou studenti vedeni v laboratořích SLO (řešitelské pracoviště) při vývoji technologických postupů a zpracování netradičních materiálů. Bude jim umožněno vypracování bakalářské práce s tematikou laserového zpracování materiálů. 1

Laserové technologie v praxi jako nový volitelný předmět LasTech 1 LasTech 2 25.11.2010 2 Studijní program FYZIKA na Přírodovědecké fakultě UP Olomouc zahrnuje v bakalářském prezenčním studiu tyto obory: Aplikovaná fyzika, Biofyzika, Biologie, Fyzika, Matematika, Molekulární biofyzika, Obecná fyzika a matematická fyzika, Optika a optoelektronika, Přístrojová fyzika, Přístrojová optika, Výpočetní technika Nový předmět Laserové technologie v praxi bude mít statut B povinně volitelný předmět pro obory Aplikovaná fyzika a Přístrojová optika a statut C pro ostatní fyzikální obory Vizualizace všech studijních oborů a předmětů jsou volně přístupně na Portálu UP Olomouc: http://portal.upol.cz/wps/portal/ V levém menu položka Studium a výuka 2

Laserové technologie v praxi 1 (2. ročník, ZS) Fyzikální princip činnosti laseru a jeho konstrukce Kategorizace podle různých kritérií Vlastnosti a šíření laserového svazku Využití laserů v praxi (strojírenství, lékařství, vojenství, metrologie, telekomunikace) Bezpečnost práce s lasery Laserové technologie v praxi 2 (3. ročník, LS) Interakce laserového záření s látkou Kategorizace laserových technologií Experimenty na laserovém průmyslovém systému Vyhodnocení vzorků různými metodami Exkurze do laserových job-shopů 25.11.2010 3 Nový předmět bude rozdělen na 1.část teoretickou, vyučovanou v letním semestru 2. ročníku a 2.část praktickou, připadající na zimní semestr ročníku třetího. Zápis praktickéčásti je podmíněn úspěšným složením zkoušky za LS s důrazem na bezpečnost práce s lasery. 3

1.1. Fyzikální princip činnosti laserů 1916 Einstein predikce, 1960 Mainmann realizace Spontánní emise: A* = A + hf Absorpce: hf + A = A* Stimulovaná emise hf + A* = A + 2hf Planckova konstanta h = 6,626.10-34 Js frekvence elektromagnetické vlny f = (E 2 E 1 ) / h Vlnová délka záření λ = c / f 25.11.2010 4 LASER je zkratka anglického názvu Light amplification by stimulated emision of radiation světelné zesílení pomocí stimulované emise záření, která vyjadřuje princip činnosti tohoto zdroje záření. Tento jev teoreticky předpověděl A.Einstein již v roce 1916: Vysvětlení pro jednu částici: Pokud kvantová soustava (atom, molekula, iont) získá energii, obsadí částice povolené vyšší energetické hladiny, kde setrvá dobu kratší než 1 µs. Prochází-li během tohoto okamžiku soustavou záření s energií E = hf,odpovídající kvantovému přechodu částice do základního stavu, je částice z vyšší energetické hladiny stržena a svou energii vyzáří ve formě fotonu o energii E = hf. Původní záření je tedy zesíleno 2x. Další výpočty určují podmínky pro zajištění generace záření v celém aktivním prostředí laseru (viz. M. VRBOVÁ, H. JELÍNKOVÁ, P.GAVRILOV: Úvod do laserové techniky (Vydavatelství ČVUT, 1998) 4

1.2. Základní konstrukční součásti laserů 1 - Aktivní prostředí 2 - Čerpací zařízení 3 - Optický rezonátor Aktivní prostředí : krystal, diodový přechod, směs plynů, kapalina Čerpací zařízení : elektrický výboj, optické záření, chemická reakce Optický rezonátor: různé konstrukce s rovinnými nebo zakřivenými zrcadly ÚČINNOST : 3 30 % podle typu laseru Průměr vystupujícího svazku : 6 30 mm Vlnová délka: pro danou konstrukci od ultrafialové přes viditelnou do infračervené oblasti spektra 25.11.2010 5 Laser jako zdroj světelného záření se obecně skládá ze 3 základních částí: Aktivní prostředí je pevná, kapalná nebo plynná látka, obsahující dostatečnou koncentraci aktivních částic, technické provedení odpovídá skupenství Pevná látka ve formě krystalu, disku nebo vlákna, Kapalina ve vhodném kontejneru Plyn ve skleněné trubici nebo kovovém kontejneru Čerpací zařízení dodává energii částicím v aktivním prostředí Optický rezonátor zesiluje generované záření a filtruje nežádoucí vlnové délky, Přes přední polopropustné zrcadlo (R = 98 %) vychází záření z laseru, zadní zrcadlo má 100 % odrazivost Průměr výstupního svazku je úměrný rozměrům aktivního prostředí, možný kruhový, eliptický i čtvercový tvar. 5

1.3. Klasifikace laserů podle různých kritérií - podle skupenství aktivní látky : pevnolátkové, polovodičové, kapalinové a plynové, plazmatické - podle vlnové délky: IČ, VIS, UF, RTG - podle typu energetických hladin: molekulární, elektronové, jaderné - podle časového režimu: impulsní, pulsní, kontinuální - podle typu buzení: optické, elektrický výboj, chemická reakce - podle výkonu: nízko výkonové, vysoko výkonové - podle druhu chlazení aktivního prostředí (v závislosti na výkonu): vzduch, voda vzduch, voda voda 25.11.2010 6 Laser ve smyslu konkrétního technického provedení existuje v mnoha podobách od miniaturní laserové diody po terawattové systémy ve velkých halách. Proto je nutná základní kategorizace. Nejčastěji se dělí lasery podle aktivní látky a vlnové délky, tomu odpovídá i způsob buzení. Tím je většinou určen typ energetických hladin. Časový režim se volí vzhledem k požadované aplikaci, je řízen v elektrickém zdroji nebo uvnitř rezonátoru (Q-switch, mode-locking) Klasifikace podle výkonu souvisí s rozdělením laserů do bezpečnostních tříd v souladu s vládními vyhláškami. Typ chlazení je závislé na výkonu a účinnosti laseru, odvádí přebytečné teplo, ve které se promění nevyužitá energie buzení 6

1.4. Vlastnosti laserového svazku Příčný elektromagnetický mód (TEM) Podélný elektromagnetický mód = vlnová délka záření 25.11.2010 7 V objemu aktivního prostředí laseru se šíří elektromagnetické vlnění. Podle konstrukce rezonátoru a výkonu laseru rozlišujeme v příčném řezu tzv. elektromagnetické módy TEM (transversal electromagnetic mode), které lze zachytit na fotografickém papíře nebo zobrazit graficky na monitoru pomocí analyzátoru svazku. TEM 00 s jedním výrazným maximem intenzity v ose svazku se nazývá gaussovský a vzniká v laserech menšího výkonu. Na příkladech kruhově symetrických módů je zřejmý význam indexů p počet nulových hodnot intenzity ve směru radiálním, f počet nulových hodnot intenzity v úhlovém směru. Indexy m,n se používají pro popis módů v kartézské soustavě souřadnic, pokud mají zrcadla čtvercový nebo obdélníkový tvar. 7

1.5. Vedení laserového svazku na místo zpracování Fokusace optickou čočkou D foc = F BPP MD 0 a) Přímé vedení záření z rezonátoru do pracovní hlavy b) Vedení vláknem do flexibilní pracovní hlavy 25.11.2010 8 Laserový svazek vystupující z apertury zdroje záření má minimální rozbíhavost a průměr několika milimetrů. Této vlastnosti se využívá u viditelného záření v metrologii v terénu i v laboratoři, v telekomunikacích. BPP (beam parameter product) je veličina popisující kvalitu svazku a je dána součinem rozbíhavost svazku divergence a jeho průměru. Při zpracování svazku optickými prvky zůstává tento součin konstantní. Pro průmyslové aplikace je třeba energii záření soustředit na velmi malou plochu o průměru 0,05 mm - 0,3 mm optickou čočkou nebo zrcadlem, která jsou umístěna v tzv. laserových pracovních hlavách. Výsledný průměr je přímo úměrný ohniskové vzdálenosti čočky F, parametru kvality svazku BPP a nepřímo úměrný průměru vstupního svazku D 0, který může být před fokusací zvětšen expanderem M-krát 8

1.6. Využití laserů v praxi Základní součásti laserového průmyslového systému Laserová hlavice (laser): zdroj záření Zdroj elektrické energie a ovládací zařízení: Chlazení: vzduchem nebo vodou podle výkonu Vedení laserového svazku: optické prvky nebo optické vlákno Vzájemný pohyb zpracovávaného objektu vůči laserovému svazku: Pohyb laserové pracovní hlavy na portálu nebo robotu + stacionární objekt nebo motorizovaný pracovní stůl s fixačním zařízením pro objekt 25.11.2010 9 Výstupní záření laseru je monochromatické, koherentní s nízkou rozbíhavostí. V této podobě se využívá ve viditelné oblasti pro holografii, metrologii a geodetické aplikace. Zdroj elektrické energie je podle výkonu laseru napájen z jednofázové nebo třífázové sítě, mění střídavý proud ze sítě na stejnosměrný. Nastavení pracovních parametrů laseru a ovládání je umístěno v ovládacím panelu přímo na laseru nebo ve zvláštní skříni. Podle výkonu a účinnosti laseru je potřeba aktivní prostředí chladit, ventilátorem nebo kombinace vnitřní vodní chladicí okruh ventilátor (jako u automobilu) nebo napojení externího chladiče, ochlazující vodu ve vnitřním okruhu. Pro průmyslové aplikace je nutno laserový svazek navést na zpracovávaný objekt a řídit vzájemný pohyb vysoce přesné a CNC řízené polohování, Nutno zajistit dokonalou fixaci obrobku. 9

1.6. Využití laserů v praxi Makro mikro průmyslové zpracování materiálů Lékařství oční, kožní, zubní, kardiochirurgie, 25.11.2010 10 Jedinečných vlastností laserového záření se používá v nejrůznějších oborech lidskéčinnosti. Ve strojírenství pro dělení, svařování kovových i nekovových materiálů od 0,1mm do tloušťky až 25 mm, dále pro povrchové úpravy a popisování výrobků. V elektrotechnice pro výrobu tištěných obvodů, oddělování kontaktů, vrtání mikro otvorů pro vodiče apod. V textilním průmyslu pro dělení syntetických tkanin, v chemickém pro řezání a svařování plastů. V lékařství umožňují lasery operace bez krevních ztrát tkáň je odpařena. Dále lasery v IČ oblasti spektra urychlují hojivé procesy. Korekce očních vad pomocí ultrafialového laseru metodou studené ablace (tkáň se nezahřívá, ale záření ruší vazby mezi částicemi) zlepšila život mnoha lidem, kteří museli nosit silné dioptrické brýle. Metoda Trans-myokardiální laserové revaskularizace vytváří nové cévy v postižených částech srdce. 10

1.6. Využití laserů v praxi metrologie geodézie komunikace vojenské obranné systémy (COIL laser) elektronika 25.11.2010 11 Metrologie kontrola přesnosti výrobků skenováním a srovnáváním s ideálním tvarem Geodézie a stavebnictví vyměřování v terénu, odměřování rozměrů staveb, vytyčování horizontálních rovin při výkopových pracích. Komunikace přenos informací na velké vzdálenosti, možnost zabezpečení šifrováním Bezpečnostní systémy světelné bariéry a alarmy (laserové diody) Vojenství např. COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser) mega wattové lasery pro sestřelování nepřátelských raket při přeletu nad hranící státu. Elektronika výroba CD a DVD přehrávačů,. 11

1.7. Bezpečnost práce s lasery ochrana živých organismů a životního prostředí před účinky záření, úrazem elektrickým proudem a nebezpečí výbuchu. Viditelné a blízké IČ záření (400 nm -1400 nm) Ohrožení sítnice (retina) Střední a daleké IČ (1400 nm 1 mm) + střední UV (180 nm -315 nm) Ohrožení rohovky (cornea) Blízké UV (315 nm 390 nm) Ohrožení čočky (lens) 25.11.2010 12 Účinky záření: Oko - Míra ohrožení lidského oka je závislá na vlnové délce a výkonu laseru. Viditelné záření a blízké IČ je fokusováno oční čočkou na sítnici, vysoká plošná hustota způsobí nenávratné poškození. Střední a daleké IČ způsobí poškození rohovky. Ultrafialové záření narušuje oční čočku při řízeném procesu využito pro korekci. Kůže absorpce laserového záření v různých vrstvách kůže rovněž závisí na jeho vlnové délce Sluch je ohrožen nepřímo a to hlukem ze zdroje, ventilátorů, chladičů a zvukových efektů při zpracování materiálů. Další rizika: Úraz elektrickým proudem, úraz pohyblivými součástmi laserového systému, Výbuch pracovních a ochranných plynů. 12

Ochranné pomůcky a zařízení: 1. Výstražné tabulky 2. Mechanické zábrany 3. Elektronické zábrany 4. Ochranné brýle 5. Ochranná sluchátka 1.7. Bezpečnost práce s lasery 25.11.2010 13 Pro zajištění bezpečnosti práce s lasery jsou vydány zákony a vládní nařízení, na jejichž dodržování dohlíží příslušné Krajské hygienické stanice. (Zákon o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonůč.258/2000 Sb.), (Nařízení vlády ze dne 29. března 2010, kterým se mění nařízení vlády č.1/2008 Sb. Ochraně zdraví před účinky ionizujícího záření) Na výrobu ochranných pomůcek a zařízení se specializuje řada firem u nás i v zahraničí (Medicom, Kentek, Uvex.) Většina průmyslových systému je dodána v boxu s dveřmi s bezpečnostním uzávěrem. Kolem manipulačního prostoru s tabulemi plechu jsou navíc optické bariéry. V laboratořích jsou prostory odděleny zástěnami nebo závěsy z nepropustného materiálu a vstupní dveře opatřeny čidlem pro nouzové vypnutí laseru. Ochranné brýle jsou nezbytnou podmínkou práce s jakýmkoli laserem, druhy reflexních vrstev jsou přesně spočítány pro každou vlnovou délku o oblast používaných výkonů 13

2.1. Interakce laserového záření s látkou T C = τ A + T + R = 1 Absorpce, transmise, reflexe R t0 = 80 90 %, R t1450 = 20 10 % Povrchová stopa = tepelný zdroj E fotonů = Q ztráty + E tepelná T T T k x + k y + k z + Q x x x y y z z (, y, z, τ ) Parciální diferenciální rovnice šíření tepla řešení pomocí numerických metod konečných diferencí nebo prvků matice teplot grafické výstupy Kde: C je tepelná kapacita, Q (x,y,z,τ) je teplo generované uvnitř materiálu v bodě (x,y,z) a čase τ kx, ky, kz jsou tepelné vodivosti v daných směrech T (x,y,z,τ) je teplotní pole v bodě (x,y,z) a čase τ. 25.11.2010 14 Obecně při dopadu záření na povrch materiálu je část pohlcena, část odražena, část prochází, nepatrnáčást je rozptýlena. U kovových materiálů je laserové záření absorbováno volnými elektrony, které se dají do pohybu a vytváří ohmické proudy tím dojde k prudkému ohřevu v tenké povrchové vrstvě. Tato se stává zdrojem tepla, které se dále materiálem šíří podle zákonů vedení tepla. Pro vysoké hodnoty plošných hustot výkonu a energie dojde k dosažení teplot tavení a odpařování. U vysoce odrazných materiálů (měď, mosaz, hliník) je třeba zajistit počáteční absorpci záření aplikací antireflexních vrstev. U dielektrik záření způsobí excitaci valenčních elektronů, které po relaxaci vyzáří energii ve formě fotonu, která se opět přemění v teplo. Řešením PDR šíření tepla lze předem stanovit vhodné parametry procesu, modelovat rozložení teplotního pole v materiálu a data použít pro další výpočty (deformace, fázové přeměny) 14

2.2. Klasifikace laserových technologií Podle plošné hustoty energie a výkonu Q E(P) = E(P)/S Podle interakčního času T = S/v 25.11.2010 15 Laserové průmyslové technologie se dělí do kategorií podle hodnoty plošné hustoty výkonu, plošné hustoty energie a interakčního času. Hustotu energie nebo výkonu lze ovlivnit jednak nastavením hodnot E a P na zdroji laseru, jednak průměrem svazku, dopadajícím na povrch materiálu. Interakčníčas je dán délkou pulsu (pulsní lasery) a vzájemným pohybem svazku a materiálu pro kontinuální lasery. Názorný graf je interpretován v mnoha publikacích v nejrůznějších grafických provedeních. Rozlišují se základní skupiny řezání, svařování, vrtání a povrchových aplikací. Transformační zpevňování odpovídá procesu klasického kalení s tím rozdílem, že tepelně ovlivněná je jen malá část výrobku. 15

2.2. Klasifikace laserových technologií Řezání a vrtání Povrchové úpravy Značení - popis Svařování 25.11.2010 16 Řezání a vrtání: materiál je ohřát na teplotu tavení až odpařování, nutné koaxiální vedení pracovního plynu (dusík, kyslík, stlačený vzduch) pro odstranění taveniny ze spáry řezu, otvoru. Zvláštním případem je studené odpařování ablace, záření UV laserů ruší molekulární vazby v materiálu. Povrchové úpravy: dělíme dále na transformační zpevňování (lokální kalení), plátování a povlakování konstrukčních součástí ušlechtilými kovy formou zapékání prášku, nebo jen přetavování povrchu bez příměsi. Značení a popis: svazek o průměru 20 100 mikrometrů vytváří na povrchu výrobku jakékoli naprogramované značení, široká oblast použití (reklama, stupnice měřících přístrojů, čárové a maticové kódování výrobků ochrana proti falsifikátů). Svařování: s přídavným materiálem i bez něj za přítomnosti ochranné atmosféry argonu nebo směsi dusíku a helia. Úzký a hluboký svar, malé tepelné ovlivnění výrobku, vysoká rychlost, opakovatelnost procesu. 16

2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Pevnolátkový pulsní Nd:YAG (Yttrium Aluminum granát) laser s vlnovou délkou λ = 1064 nm, Výrobce: LASAG AG, Thun, Švýcarsko,1999 Parametry: Průměrný výkon P = 150 W Energie v pulsu E = 0,1-30 J Délka pulsu t = 0,1-20 ms frekvence f = 0.1-1000 Hz Průměr svazku D = 6 mm Fokusačníčočka F = 100 mm Fokusace svazku D foc = 0,16-0,75 mm 25.11.2010 17 Laser švýcarské výroby je menší průmyslový laser, vhodný pro zpracování kovových materiálů od 0,1 mm do 2 mm a nekovových do 10 mm. Je vybavený pevnou pracovní hlavou s fokusační optikou a tryskou pro pracovní plyn, pohyb obrobku je zajištěn posuvným XY stolem. Rovněž lze záření odklonit do optického vlákna s mobilní pracovní hlavou, která může být uchycena a vedena robotem. Nastavením zadního zrcátka rezonátoru lze volit vlastnosti laserového svazku podle požadované aplikace ( větší průměr pro svařování a povrchové aplikace, malý průměr a ostré maximum intenzity pro řezání a vrtání). Patří do kategorie pevnolátkových laserů, generující záření v blízké IČ oblasti a pulsním režimu. Optickéčerpání aktivní látky krystalu - zajišťuje kryptonová výbojka. Dnes jsou výbojky nahrazovány monochromatickými laserovými diodami (vyšší účinnost čerpání) Pro průměrný výkon platí vztah : P = E*f, vysoké frekvence se používají v kombinaci s nízkými energiemi v krátkých pulsech pro řezání, a naopak nízké frekvence s vysokými energiemi v delších pulsech pro svařování a povrchové aplikace. 17

25.11.2010 2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Optimalizace parametrů laserového řezání tenkých plechů: volba dostatečné energie a délky pulsu Ppeak = ( Ppeak - vrcholový výkon) E t volba vhodné rychlosti pro danou tloušťku plechu a materiál ( ocel, mosaz, bronz, hliník) v = fd (1 pp ) volba vhodného tlaku pracovního plynu editace CNC programu pro různé tvary 25.11.2010 18 Rychlost posuvu v a energie v pulsu E jsou hlavními parametry, které ovlivňují kvalitu řezání. Pro správně provedený řez jsou typické vertikální drážky po výfuku taveniny pracovním plynem a hladká spodní hrana bez okují. Pokud je rychlost příliš velká nebo tlak pracovního plynu příliš malý, vytvoří se na spodní straně řezu shluky okují. Začátek řezu tzv. propal, který trvá desetiny sekundy, má vždy větší průměr než spára řezu, proto bývá naprogramován vně tvaru. Software TURBO step řídí pohyb pracovního stolu a současně ovládá závěrku laseru spolu s ventilem ochranného plynu, studenti se naučí programovat libovolné tvary složené z úseček a částí kruhu, příští rok bude uvedena do provozu nová verze TURBO stepu, která převádí data ze souborů, vytvořených v AutoCADu do řídícího programu posuvů. 18

25.11.2010 2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Optimalizace laserového svařování: Predikce a ověření parametrů procesu (energie v pulsu, délka pulsu, frekvence pulsu, rychlost pohybu vzorku, procento překrytí, poloha ohniska vůči povrchu vzorku, tlak ochranného plynu) Zobrazení povrchu svaru, metalografické analýzy v příčném směru 25.11.2010 19 Pulsními lasery se v průmyslu provádí buď bodové svařování nebo s překrytím laserových stop. Do procesu vstupuje mnoho parametrů, kromě energie, délky pulsu a frekvence také procento překrytí laserových stop, které závisí na zvolené rychlosti posuvu a průměru svazku, pohybuje se od 50 % do 75 %. V příčném řezu má svar přibližně lichoběžníkový tvar, je důležité, aby byla tavenina znatelná i na spodní straně svaru. Kritickým parametrem je také geometrické uspořádání svaru. Mezera mezi díly a výškový rozdíl nesmí být větší než 0,1 mm. Poloha ohniskové roviny laserového svazku významně ovlivňuje plošnou hustotu energie, svazek musí být zaměřen přesně na linii svaru. Ochranný plyn argon zabraňuje oxidaci svaru. 19

2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Aplikace výsledků experimentu v praxi: svařování plášťů elektromotorků do modelů závodních aut. Přesný fixační přípravek kompletní motor umístění motorku v konstrukci podvozku - karoserie 25.11.2010 20 Významnou aplikací našich experimentů je svařování plášťů elektromotorků. Polotovar je řezán na drátové pile z ocelového plechu 0,4 mm silného a zohýbán do žádaného tvaru. Při klasickém svařovacím postupu elektrodou byl tepelný vstup příliš velký a docházelo k deformaci tvaru. Byl vyvinut speciální přípravek s trnem pro nasazení pláště a následnou fixaci. Kvalitní uchycení a přesné navádění laserového svazku na spáru umožňuje svařit jeden plášť za 20 vteřin. Svařený tvar je u výrobce automobilových modelů dále vybroušen v místě svaru a poniklován, poté montován do modelu. Profil svaru byl měřen na profilometru. 20

2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Optimalizace laserového povrchového natavování: Technologie pro zkvalitnění povrchu materiálu zvýšení mechanické a chemické odolnosti. The melted trace width energy dependence trace width [mm] 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 7,8 9,4 10,6 12,7 energy [J] Volba vhodné energie a délky pulsu při použití defokusovaného svazku o průměru 1,2 mm. Model obsahu feritu v nataveném vzorku Model obsahu martenzitu v nataveném vzorku 25.11.2010 21 Laserové natavování laser melting změní metalografickou strukturu v tenké povrchové vrstvě materiálu. U ocelí rychlým ochlazením tekuté austenitické fáze vznikne martenzit, vyznačující se vysokou tvrdostí a pevností. Souvislé plochy se vytváří postupným překrýváním natavených stop. Optimální plošná hustota energie 10 3 W.cm -2 je obsažena v průměru svazku 1,2 1,6 mm, tj. 3 5 mm pod ohniskovou rovinou svazku. Délka pulsu je řádově v jednotkách milisekund. V praxi jsou pro tuto aplikaci vhodnější diodové lasery s rovnoměrným rozložením intenzity v průměru svazku. Cílem experimentů je předem odhadnuté hodnoty doladit, a dokázat závislosti rozměrů přetavené vrstvy na energii, délce pulsu, rychlosti posuvu a průměru svazku. 21

2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Optimalizace laserového povrchového natavování: Zobrazení povrchu stopy pomocí profilometru TALYSURF a software TALYMAP: Prostorová foto-simulace a axonometrické zobrazení, extrakce příčného a podélného profilu. 25.11.2010 22 Ukázky možnosti zobrazení profilu povrchu: V prostoru lze vytvořit černobílou foto-simulaci nebo axonometrický obraz se širokým výběrem barev pro pozadí, objem pod povrchovou sítí, podklad sítě, hustotu čar a stupnici výšek. Barevná stupnice vpravo se vždy naformátuje podle maximální a minimální změřené hodnoty. Z rovinného zobrazení profilu lze v libovolném příčném i podélném řezu extrahovat profil stopy. Vlevo patrný propad stopy v intenzitním maximu laserového svazku, vpravo pravidelné střídání maximální a minimální výšky překrytých stop. 22

25.11.2010 2.3. Vybrané experimenty na laserovém systému KLS 264-102 Možnosti laserového opracování nekovových materiálů: Ferity, slinuté karbidy, syntetické diamanty, poly-krystalický křemík pevné ale křehké materiály, mechanicky těžko opracovatelné laserové řezání odpařováním nebo orýsováním. 25.11.2010 23 Metoda laserového orýsování feritových hranolků spočívá ve vytvoření řady tenkých a hlubokých vrtů. Mezi jednotlivými vrty vznikne povrchová trhlina, podél které se hranolek rozdělí. Význam pro praxi má metoda pro dodatečné úpravy rozměrů průmyslových polotovarů pro speciální účely. Plátky syntetického diamantu o tloušťce 0,1 mm 1 mm se vytváří chemickou depozicí na substrátu ve speciální aparatuře. Pro další výzkumy je potřeba vytvořit menší tvary. Kromě optimálních parametrů bylo nutno vytvořit speciální podtlakový nosič pro uchycení drobných tvarů Poly-krystalický křemík je nepostradatelný v elektrotechnickém průmyslu. Do destiček o tloušťce 0,3 mm 2 mm jsem demonstrovali možnosti drážkování (pro elektrické kontakty) nebo texturizaci povrchu ( zvýšení absorpce záření u fotovoltaických článků) 23

2.4. Hodnocení výsledků experimentů Měření profilu povrchu na přístroji TALYSURF kontaktní profilometr Rozsah měření v ose X : 0,1 mm 120 mm, minimální krok 0,25 µm Rozsah měření v ose Y: 0,1 mm 100 mm, minimální krok 1 µm Rozsah měření v ose Z: 0,8 mm s rozlišením 16 nm 0,16 mm s rozlišením 3 nm a 0,033 mm s rozlišením 0,6 nm 25.11.2010 24 TALYSURF je unikátní přístroj pro měření profilu povrchu, výrobce firma Taylor Hobson, Velká Británie. Diamantový hrot na speciálním ramínku rastruje povrch vzorku v předem definovaných krocích. Získaná data jsou ukládána do paměti pro další zpracování softwarovým nástrojem TALYMAP, který umožňuje mnoho způsobů zobrazení povrchu v rovině a prostoru, měření rozměrů vybraných oblastí apod. 24

2.4. Hodnocení výsledků experimentů Bezkontaktní měření povrchu laserovým konfokálním řádkovací mikroskopem LEXT OLS 3100 výrobce Olympus laser λ = 408 nm (UV) zvětšení 120 x až 14 400 x rozlišení v rovině XY: 120 nm rozlišení ve vertikální ose: 40 nm 25.11.2010 25 Konfokální mikroskop je vhodný pro aplikace v mikro- a nanotechnologických odvětvích, která kladou vysoké nároky na nestandardní způsoby měření a kontrolu materiálů, miniaturních součástek, velmi jemných spojů a také na kontrolu drsnosti povrchu. Navíc na rozdíl od SEM (skenovací elektronová mikroskopie), popř. AFM (rastrovací mikroskopy na principu měření atomárních sil) se v LEXTu vzorky umisťují přímo na mikroskopický stolek, bez použití vakuové komory a dalších úprav. Pozorování vzorku probíhá v reálném čase a rovněž není zapotřebí tzv. zvodivění povrchu součásti.lext OLS 3100 využívá laserový paprsek o vlnové délce 408 nm s optickými prvky uzpůsobenými pro tuto krátkou vlnovou délku tak, aby se optimalizovala kvalita zobrazení a omezily se případné odchylky. Ovládací software poskytuje jednoduché, uživatelsky velmi příjemné rozhraní s pokročilou analýzou obrazu. Vlevo lomná hrana křemíku při dělením metodou laserového orýsování. Vpravo natavená stopa, zvětšeno 240 x. 25

2.4. Hodnocení výsledků experimentů Metalografická analýza strukturálních změn v příčném řezu: Natavená oblast Zakalená oblast Základní materiál 25.11.2010 26 Profil, hloubku a mikro-tvrdost, natavené oblasti lze zjistit metalografickou analýzou v příčném řezu. Vzorky jsou mechanicky rozřezány a zality do epoxidové pryskyřice ve speciálních formičkách. Poté je plocha řezu postupně broušena řadou smirkových papírů a dokonale vyleštěna diamantovou pastou. Po leptání vystoupí odlišné struktury jednotlivých oblastí v kontrastu se základním materiálem. 26

2.4. Hodnocení výsledků experimentu Modelování metodou konečných diferencí (SHARP) svařování, kalení Metoda konečných prvků (FEM) Komerční software SYSWELD 25.11.2010 27 Matematické modelování před experimentem slouží k zúžení intervalu zkoumaných parametrů procesu a predikci výsledků. V modelu anglického fyzika M.Sharpa pro kontinuální vysoko-výkonový CO 2 laser je nastavena rovnoměrná prostorová mřížka s krokem 0,2235 mm. Podle volby modové struktury svazku je možné modelovat laserové svařování gaussovským svazkem nebo transformační zpevňování (kalení) modem vyššího řádu - prstencovým. Výstupem modelu je rozložení teplot v rovině příčného řezu XZ. Vybrané izotermy teplot vypařování, tavení a kalení lze přehledně graficky znázornit. Fialová, červená a zelená křivka : izotermy pro prstencový mód Modrá, tyrkysová a žlutá křivka: izotermy pro gaussovský mód SYSWELD je komerční softwarový nástroj (ESI-group, Francie) pro simulaci fyzikálních a chemických procesů v zadaném objektu, při kterých dochází k vedení tepla, tepelným ztrátám a následným deformacím. V technické praxi se používá pro modelování tepelného namáhání velkých konstrukčních součástí při svařování karoserií, chladicí techniky, vlakových kol, leteckých součástí a v jiných aplikací, kde je hlavním kritériem bezporuchový dlouhodobý provoz a bezpečnost uživatelů. 27

2.4. Hodnocení výsledků experimentu Výstupem termických výpočtů jsou 3D matice teplot pro každý časový krok, navazují výpočty mechanické: zobrazení deformací svarů a zbytkových napětí v různých časech a osách t = 15 s t = 18 s t = 1200 s Deformace kruhového svaru během svařování v čase t = 73 s a po ochlazení v čase t = 250 s 25.11.2010 28 Pomocí programu Visual Mesh je v objektu generována mřížka pro výpočet. V pre-procesoru jsou definovány fyzikální vlastnosti materiálu a jejich závislost na teplotě, počáteční a okrajové podmínky, vlastnosti tepelného zdroje a jeho poloha vůči objektu. Data jsou uložena jako projekt. V části SOLVER je řešena parciální diferenciální rovnice metodou konečných prvků výsledkem jsou 3 D matice teplot pro každý časový krok od počátku působení tepelného zdroje po ochlazení objektu na okolní teplotu. V post- procesoru je možné prohlížet zobrazení teplotních polí, deformací a zbytkových napětích v mnoha geometrických podobách. T-svar: v post-procesoru je modelován časový průběh deformace a vývoj napětí ve zvoleném směru, obrázky pro jednotlivé časy lze spojit do video sekvence. Kruhový svar: Během svařování se vlivem tepelné roztažnosti materiál deformuje směrem ven, po opětném ztuhnutí a ochlazení je patrná deformace směrem dovnitř. 28

2.5. Exkurze do strojírenských firem laser job shops LASER- Tech s.r.o. založena roku 1991, nabízí laserovéřezání na systémech TRUMATIC L3050 a Trulaser L5030 s navazujícím komplexním opracování plechů profilů, laserový popis na systému Scriba II D40 25.11.2010 29 V České republice podniká v oblasti laserového zpracování materiálu několik desítek firem Nabízí laserové řezání, svařování a popisování, tomu odpovídá i strojový park: Pro řezání kovových nebo nekovových materiálů do tloušťky 20 mm využívají laserové systémy (TRUMF, AMADA, ROFIN), v provedení pevný pracovní stůl a pohyblivá hlava. Pro svařování CO 2 laserem se používají systémy s pevnou pracovní hlavou a svařenci na pohyblivém stole. Záření diodových a Nd:YAG laserů je naopak vedeno vláknem do pracovní hlavy, upevněné na robotickém rameni Při popisování je stacionární laserová hlava i předmět, laserový svazek je rozkmitáván po povrchu dvěma navzájem kolmými zrcadly tzv. skenerem. Naše pracoviště spolupracuje s olomouckou firmou Laser-tech, s.r.o., která umožňuje studentům fyzikálních oborů exkurze a provedení experimentů na zjištění závislosti řezné rychlosti na materiálu.. 29

2.5. Exkurze tématická návštěva MSV Brno 25.11.2010 30 Návštěva Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně se zaměřením na výrobce a uživatele laserových systémů pro řezání, vrtání, svařování a popisování materiálů. Akce se zúčastnili studenti oborů Přístrojová fyzika a Aplikovaná fyzika v rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky. Studenti byli seznámeni s vysoko-výkonovými CO 2 lasery, jejichž exponáty vystavovaly firmy AMADA a TRUMPF s ukázkami řezání ocelí do síly 24 mm. Dále shlédli u stánku firmy ADIGE exponát laserového systému pro vyřezávání trubek a profilů, využívající jako zdroj záření nejmodernější typ laseru vláknový Yterbium:YAG. Velmi je zaujal popis laserovým paprskem, který nabízelo mnoho firem, např. MEDICOM, TROTEC, FOBA. V nejrozsáhlejší expozici firmy TRUMF byli studenti seznámeni s kompletním sortimentem strojů na zpracování plechu ražení, řezání, ohýbání, svařování. (Na fotografii rezonátor CO 2 laseru s podélným prouděním plynu aktivního prostředí. Jako alternativa k laserovým technologiím byli studenti seznámení sřezáním vodním paprskem firem FLOW a PTV, který je využíván hlavně pro sklo, keramiku a kámen, v případě kovů umožňuje řezání kosých hran. 30