Modul: Nekonvenční technologie obrábění - Laser

Název projektu: Sbližování teorie s praxí Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukončení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizovač Ročník: SM 3. ročník MS 4. ročník Zpracoval: Ing. Petra Janíčková Modul: Nekonvenční technologie obrábění - Laser

Obsah BEZPEČNOST PRÁCE PŘI PÁLENÍ NA LASERECH... 3 OCHRANA ZDRAVÍ... 3 TECHNICKÁ DOKUMENTACE... 4 POVINNOSTI PROVOZOVATELE... 5 1. ŘEZÁNÍ LASEREM ÚVOD... 5 1.1 Základní princip laseru... 6 1.2 Schéma řezání laserem... 7 1.3 Řezné plyny... 8 1.4 Výhody a nevýhody dělení materiálu laserem... 8 2. PŘEHLED METOD ŘEZÁNÍ LASEREM... 9 2.1 Laserové tavné řezání... 9 2.2 Laserové sublimační řezání... 9 2.3 Laserové oxidační řezání... 10 3. STROJE PRO PÁLENÍ... 11 3.1 CO 2 lasery... 11 3.3 Kapalinové lasery... 13 3.4 Polovodičové lasery... 13 4. ZÁKLADNÍ ČÁSTI LASERŮ... 14 4.1 Schéma laserového řezacího stroje... 14 4.2 Optika pro laserové řezání... 15 4.3 Systémy polohování pro laserové řezání... 15 4.4 Tlakový regulační ventil řezacího plynu... 15 4.5 Rezonátor... 16 4.6 Laserová řezací hlava... 16 4.7 Regulace odstupu... 17 4.8 Měnič palet... 18 5. FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ŘEZÁNÍ LASEREM... 19 5.1 Konstantnost výkonu... 19 5.2 Průměr paprsku... 19 5.3 Tlak plynu... 19 5.4 Poloha ohniska... 20 5.5 Povrch obrobku... 20 1

5.6 Fokusační čočka... 21 6. VYHODNOCENÍ KVALITY LASEROVÝCH ŘEZŮ... 22 6.1 Řezná spára... 22 6.2 Kvalita povrchu hloubka drsnosti... 22 6.3 Pravoúhlost... 23 6.4 Doběh žlábků... 24 6.5 Tvorba ostrých hran... 24 6.6 Zóna tepelného vlivu... 25 7. POSTUP PÁLENÍ NA LASERU... 26 7.1 Kontrola stroje... 26 7.2 Kontrola a čistota čočky... 26 7.3 Nastavení laserového paprsku k otvoru trysky... 26 7.5 Nahrání programu do stroje... 27 7.6 Vytvoření NC programu... 27 7.7 Naložení materiálu na paletu... 29 7.8 Řezání... 29 7.9 Vyjmutí kusů z odpadu... 29 7.10 Kontrola kvality řezu... 29 8. POUŽITÍ LASERU V TECHNOLOGII... 30 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ... 32 2

BEZPEČNOST PRÁCE PŘI PÁLENÍ NA LASERECH (ČÚBP vyhl. 152/82sb, Směrnice 61/81sb Hygienické předpisy ministerstva zdravotnictví) Každé zařízení s laserem musí být označeno štítkem s údaji o třídě laseru. Pro opravy, údržbu a provoz musí být určen odpovědný pracovník. Při provozu nesmí být odnímány kryty, prováděny úpravy ani měněny vyzařovací parametry laseru. Lasery od druhé třídy musí být provozovány pouze ve vyhrazených prostorách a musí být viditelně označeny. Místnosti musí být vhodně upraveny tak, aby nemohlo dojít k odrazu paprsku. Při opravách laserů nesmí být měněny provozní podmínky. Pokud jsou sejmuty kryty nesmí být laser trvale zapnut. Opravovat lze pouze zařízení, které je zajištěno proti náhodnému zapnutí. Při opravě může být laser uveden do provozu pouze při měření charakteristických hodnot pouze na dobu nezbytně nutnou. OCHRANA ZDRAVÍ Z hlediska kategorizace prací podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví č. 89/2001 Sb. se práce s laserem třídy III zařazuje do kategorie druhé a lasery třídy III a IV do kategorie třetí. Tato vyhláška zároveň ruší platnost až doposud účinných Směrnic o hygienických zásadách pro práce s lasery č. 61/1982. Pro práci s laserem má zásadní význam Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Podle tohoto nařízení se zařazují lasery do následujících bezpečnostních tříd: I. možno trvalý pohled do svazku paprsků, II. kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje je možný, oko chrání mrkací reflex III. a) totéž jako II. ale oko se může poškodit při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy III. b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky, emise nepřekračují výkon 0,5W 3

IV. nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky, emise překračují výkon 0,5W Běžně používaná laserová ukazovátka mají výkon 1-5mW Lasery třídy IIIb musejí být vybaveny signalizací chodu, světelnou nebo akustickou. Důležité je, že při použití světelné signalizace musí být tato signalizace viditelná i přes ochranné brýle. Laser musí být zabezpečen proti uvedení do chodu nepovolanou osobou a prostory určené k provozování označeny výstražnými tabulkami a zákazem vstupu nepovolaných osob. Pokud je to s ohledem na způsob využívání laseru možné, odstraní se z dráhy paprsku všechny předměty, na nichž by mohlo dojít k nekontrolovatelným odrazům paprsku, a jestliže nelze vyloučit, aby paprsek laseru nezasáhl okno, musí se okno zakrýt materiálem, který nepropouští světlo dané vlnové délky (žaluzie, roleta, matný nepropustný nátěr, závěs, paraván). Nestačí-li tato opatření vyloučit zásah očí nebo kůže laserovým paprskem, musejí všechny osoby použít speciální ochranné brýle. TECHNICKÁ DOKUMENTACE Ke každému laseru musí být připojena technická dokumentace obsahující tyto údaje: vlnovou délku režim generování záření (spojitý, impulsní nebo impulsní s vysokou opakovací frekvencí) průměr svazku na výstupu a jeho rozbíhavost (sbíhavost svazku se udává jen u fokusovaných chirurgických výkonových laserů) u laserů ve spojitém režimu nejvyšší zářivý tok u impulsních laserů energie v jednom pulsu, nejdelší a nejkratší trvání jednoho impulsu a rozsah opakovací frekvence zařazení do třídy návod k montáži a instalaci návod k obsluze za běžných i mimořádných situací návod k údržbě výrobce, výrobní číslo, rok výroby, název a sídlo výrobce. 4

POVINNOSTI PROVOZOVATELE S laserem může pracovat každý, pokud byl provozovatelem pro tuto činnost řádně zaškolen a je obeznámen s principy činnosti, vlastnostmi laserů a s potenciálním nebezpečím vyplývající z činnosti laseru. Dále musí tato osoba být seznámena s provozním řádem daného pracoviště, a s postupem při zasažení velkými dávkami záření, při nehodě či poruše laseru. Tato osoba musí být pro tuto práci zdravotně i duševně způsobilá podle Směrnice Ministerstva zdravotnictví č. 49/1967 Věstníku MZdr. o posuzování zdravotní způsobilosti k práci, ve znění směrnic ministerstva zdravotnictví č. 17/1970. Před nástupem k práci s laserem se doporučuje absolvovat vstupní oční prohlídku pro práci s lasery. 5

1. ŘEZÁNÍ LASEREM ÚVOD Laser lze z hlediska použitelnosti na širokou škálu materiálů považovat za univerzální prostředek pro řezání. Řezání laserem je umožněno vysokou hustotou energie v místě dopadu laserového svazku na materiál. Hlavní mechanismus při řezání laserem je vypařování materiálu. DRUHY LASERŮ Podle aktivního prostředí a konstrukčního uspořádání můžeme lasery rozdělit: - s pevnou fází pevnolátkové - kapalinové - plynové - polovodičové - chemické - další speciální typy Pro technické využití při dělení materiálu se využívá především plynový laser a laser na pevné fázi. Oba typy mohou pracovat se zářením buď kontinuálním a pulzačním. Výběr optimálního laseru závisí na druhu materiálu, který má být řezán, tloušťce, geometrii řezů a na požadované kvalitě řezu. STRUČNÝ POPIS A POUŽITÍ Řezání laserem je v současnosti nejrozšířenější aplikace výkonných laserů ve strojírenství pro svůj úzký a přesný řez bez ostřin (± 0,1 mm). Laserem lze dělit širokou škálu materiálů jak kovové (uhlíkové a legované oceli), tak i nekovové materiály (např. keramiku, plastické hmoty apod.). 1.1 ZÁKLADNÍ PRINCIP LASERU Název LASER vznikl z anglického popisu samotné podstaty jeho principu činnosti Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation zesílení světla stimulovanou emisí záření. Laserový paprsek vzniká přesunem atomů mezi jednotlivými energetickými hladinami. Atomy se mohou pohybovat následovně: 6

a) Spontánní emise (samovolná) přechod z vyššího energetického stavu E 2 do stavu nižšího s energií E 1, při kterém atom vyzáří foton o frekvenci f 21. Jednotlivé atomy vyzařují nekoordinovaně a fotony mají různou orientaci a fázi. Vzniklé elektromagnetické záření je nekoherentní. Tímto způsobem září např. zahřáté těleso, slunce, žárovka, svíčka. Ob r.1. Por ovn ání zář ení vyv olaného spontánní a stimulovanou emisí b) Stimulovaná emise tento jev dokázal poprvé Albert Einstein v roce 1912. Foton s frekvencí f 21 dopadne na atom ve vyšším energetickém stavu E 2 a přiměje ho k přechodu do stavu nižšího E 1 za vyzáření dalšího fotonu. První foton se přitom nepohltí a oba fotony se pohybují dále stejným směrem jako foton, který emisi vyvolal. Jsou synchronizované, mají stejnou frekvenci i fázi. Jedná se tedy o koherentní záření. Záření se postupně zesiluje a celý proces se stále opakuje s dalšími atomy. Obr. 2. Princip metody řezání laserem 1.2 SCHÉMA ŘEZÁNÍ LASEREM Při řezání spalováním je ohřev řezaného materiálu uskutečněn laserovým paprskem a vlastní řezání je důsledkem reakce řezaného materiálu s kyslíkem. 1 - asistentní plyn, 2 - řezací tryska, 3 - pracovní vzdálenost trysky, 4 - rychlost, 5 - tavenina, 6 - odtavený materiál, 7 - stopy po paprsku laseru, 8 - tepelně ovlivněná oblast, 9 - šířka řezu 7

1.3 ŘEZNÉ PLYNY Kyslík jako řezný plyn se používá pro uhlíkové oceli. Řezané plochy jsou velmi jakostní s přesností do 0,05 mm, rychlost řezu je vysoká a zlepšuje se odstraňování strusky na spodní straně řezu. Kyslík chemicky reaguje s řezaným materiálem, kdy s přispěním exotermické reakce vzrůstá řezná rychlost, která je navíc výrazně ovlivňována čistotou kyslíku. Dusík jako řezný plyn se používá pro vysokolegované oceli a další materiály. Tento plyn má několikanásobně vyšší tlak něž kyslík. Výhoda dusíku je zábrana před oxidací řezných ploch a tvorbě oxidů na spodní straně řezu. 1.4 VÝHODY A NEVÝHODY DĚLENÍ MATERIÁLU LASEREM Hlavní výhody Lze řezat ve všech směrech pomocí robotů s nepatrnými poloměry a s vysokou řeznou rychlostí. Lze řezat rovinné i prostorové tvary. Malá šířka tepelného ovlivnění materiálu a taky možnost řezat téměř všechny technické materiály a i vrstevnaté, poddajné materiály, velmi tvrdé i velmi měkké materiály, apod. Tloušťka řezaného plechu u oceli dosahuje až 25 mm. Přesnost řezání je velmi vysoká cca 0,05 až 0,1 mm na jeden metr délky řezu a kvalita řezných ploch s drsností cca Ra 1,6. Není nutné používat žádné nářadí. Nedochází k silovému ovlivnění obrobku. Hlavní nevýhody Vysoké pořizovací náklady, drahý provoz a taktéž často nutný servis odborných firem, protože se jedná o složité zařízení pro údržbu často neznámou. Na laseru se rovněž obtížně řežou materiály s dobrou tepelnou vodivostí jako jsou zlato, stříbro, mosaz, měď a hliník. 8

2. PŘEHLED METOD ŘEZÁNÍ LASEREM 2.1 LASEROVÉ TAVNÉ ŘEZÁNÍ Kontinuálním laserovým svazkem se materiál ohřívá na teplotu tavení a proudem neaktivního plynu je tavenina vyfouknuta z řezné spáry. Vzhledem k vysokému povrchovému napětí taveniny (vliv šířky spáry, druhu materiálu a použitého plynu) musí být tlak pracovního plynu velmi vysoký 10 až 15 barů. Vysoký tlak je nutný i pro zabránění ulpívání taveniny na spodní hraně řezu. Povrch řezných ploch je kovově lesklý, bez oxidů i charakteristického oxidového zbarvení. Dosahuje se menší rychlosti řezání než u jiných laserových metod. Typickými materiály pro tavné řezání jsou například vysoce legované oceli, měď, hliník, nikl a nekovové materiály jako je keramika, plexisklo, dřevo atd.. Znaky laserového tavného řezání: o Na rozdíl od sublimačního řezání jsou možné vyšší řezné rychlosti, protože materiál řezné spáry nemusí být zplyňován. o Ve srovnání s oxidačním řezáním se však dosahuje nižších rychlostí. o Nezoxidovaná řezná hrana o Řezná hrana u nerezové oceli bez ostrých hran o U hliníkových slitin o tloušťce materiálu > 3 mm malá tvorba ostrých hran o Bez nutnosti dodatečného opracování obrobku o Vyšší spotřeba plynu. 2.2 LASEROVÉ SUBLIMAČNÍ ŘEZÁNÍ Při sublimačním řezání pulsní laserový paprsek ohřívá materiál na teplotu varu, kdy dochází k intenzivnímu odpařování. V intervalu mezi pulsy je umožněno parám materiálu uniknout mimo kapiláru, nebo jsou odstraněny slabým proudem inertního plynu. Sublimační řezání lze použít pro tenké plechy a používá se především pro řezání a vrtání minerálů. 9

2.3 LASEROVÉ OXIDAČNÍ ŘEZÁNÍ Definice Oxidační řezání se od tavného liší především použitím kyslíku jako pracovního plynu a jeho nižším tlakem cca 3 až 5 barů. Základem řezání je exotermická reakce kyslíku s řezaným materiálem, která probíhá při příslušné zápalné (reakční) teplotě kovu. Teoreticky je tedy ohřev laserem nutný jen do této reakční teploty. Při oxidačním řezání je řezná rychlost i tloušťka řezu výrazně vyšší než u tavného. Oxidační řezání se využívá pro nelegovanou až středně legovanou ocel, u ostatních kovů kyslík způsobuje výraznou oxidaci řezných hran. U nelegovaných ocelí je řezná plocha hladká s tenkou vrstvou oxidů. Použití Laserové oxidační řezání se používá výhradně k dělení kovů nejčastěji uhlíkové oceli. Znaky oxidačního řezání o Při laserovém oxidačním řezání je možné dělení větších tloušťek plechu než při tavném nebo sublimačním řezání. o Rychlosti řezání jsou dvojnásobně až trojnásobně vyšší než u tavného řezání. Oxidační řezání tak umožňuje nejvyšší možnou rychlost řezání sledovaných procesů řezání laserem. o V důsledku použití kyslíku jako řezacího plynu je na řezných hranách oxidační vrstva. U plechů z ušlechtilé oceli tak může v důsledku toho dojít podél řezné hrany ke korozi. Pokud se ocelové plechy řezané kyslíkem následně lakují, je přilnavost laku v místech oxidační vrstvy ztížena. o Větší tvorba rýh na řezné ploše než u tavného řezání. 10

3. STROJE PRO PÁLENÍ Pro řezání jsou v současné době používány dvě hlavní skupiny laserů: - CO 2 lasery - Nd: YAG lasery Výběr optimálního laseru pro dané konkrétní použití závisí především na druhu materiálu, který má být řezán, tloušťce, geometrii řezů a na požadované kvalitě výsledného řezu. Na trhu je řada odlišných laserových systémů, které jsou specifikovány: - kombinacemi vlnové délky - výkonem - energií v pulzu - délkou pulzu - polarizací svazku 3.1 CO 2 LASERY Nejpoužívanější typ laserů pro řezání. První byl zkonstruován v roce 1966. U CO 2 laserů je aktivní médium směs plynů CO 2, N 2, He, někdy s dalšími přídavnými plyny. Toto aktivní prostředí mění přiváděnou elektrickou energii v dutině laseru na laserové záření, které osciluje v optickém rezonátoru, který je tvořen dvěma nebo více zrcadly. Vysílá infračervené záření o vlnové délce 10,6µm. Pro vznik emise záření laser využívá přechody, které nastávají mezi molekulami oxidu uhličitého a dusíku. Principem laseru je tedy VIBRACE CO 2 MOLEKUL. Hlavním účelem helia je odvod tepla. Obr. 3 Schéma CO 2 laseru: 1 zadní zrcadlo, 2 výstupní (přední) zrcadlo, 3 elektrody, 4 aktivní médium 11

Šíření laserového svazku v řezacím stroji Z rezonátoru (zdroje laserového záření) se svazek šíří optickou dráhou, tvořenou odraznými zrcadly. Většina laserů používá tzv. mobilní optiku, kdy je tabule plechu stacionární a 3D pohyb zajišťuje laserová hlava. Nevýhodou je proměnlivá délka dráhy paprsku a pohyb odrazných zrcadel, v důsledku čehož lze často pozorovat jiné parametry paprsku v různých místech pracovního prostoru laseru. Obr.4 CO 2 laser Aktivní médium musí být udržováno v dokonalé čistotě, aby se zabránilo odrazu paprsku od částic nečistot. Takové prostředí je zajištěno ochrannou atmosférou, která je do trubic vháněna. Dokonalou filtrací se musí oddělit mechanické nečistoty, vlhkost, olejové zbytky a další nečistoty a zajistit pokud možno konstantní teplotu. Dalším faktorem, který ovlivňuje svazek v optické dráze, je nastavení polohy a čistota odrazných zrcadel. Jakákoliv nečistota, která na zrcadle ulpí, absorbuje část energie svazku, která zvyšuje tepelné zatížení zrcadla a snižuje tak jeho životnost. 3.2 PEVNOLÁTKOVÉ LASERY - ND: YAG LASERY Základem je Ytrium-Aluminiový granát, ze kterého jsou vyrobeny tyčky kruhového průřezu. U tohoto typu laseru je čerpání zajištěno kryptonovými výbojkami s bílým světlem, ze kterého je absorbováno jen zelené a modré spektrum. Účinnost laseru je velmi nízká do 5%. Výbojky i krystal jsou chlazeny deionizovanou vodou a jsou uzavřeny v dutině rezonátoru, která může mít různý tvar. Vždy se volí tak, aby většina světla z výbojek dopadala na krystal. Dutina je vakuově pokovena (měď, zlato) ke zvýšení odrazivosti světla a má kruhový nebo eliptický tvar. Do jednoho ohniska se umístí KRYSTAL, 12

do druhého BUDÍCÍ LAMPA. Malá účinnost pevnolátkových laserů (cca 5%) přináší tyto problémy: - musí být velký zdroj energie - přebytečná energie je přeměňována v teplo v aktivním prostředí - vysoké nároky na chlazení POUŽITÍ: pro vrtání, řezání, svařování, popisování součástí. Obr.5 Nd:YAG laser 3.3 KAPALINOVÉ LASERY Aktivním prostředím kapalinových laserů jsou roztoky organických barviv nebo speciálně připravené kapaliny, dopované ionty vzácných zemin. Pro buzení kapalinových laserů se užívá optické záření. Kapalinové lasery se nepoužívají pro řezání. 3.4 POLOVODIČOVÉ LASERY Aktivní prostředí je tvořeno blokem polovodičů, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. Laser může být buzen fotony nebo svazkem elektronů. Nejpoužívanější je galium arsenidový GaAs polovodičový laser. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50 %) a možnost generace záření vlnových délek od λ = 0,3 do 30 μm. POUŽITÍ: pro popisování součástí, řezání a tepelné svařování. Obr.6 Konstrukce diodového laseru 13

4. ZÁKLADNÍ ČÁSTI LASERŮ 4.1 SCHÉMA LASEROVÉHO ŘEZACÍHO STROJE Při řezání materiálu laserem je paprsek přiváděn do místa řezu soustavou zrcadel a v pracovní hlavě j zaostřován čočkou. Pracovní řezací hlava se pohybuje nad materiálem podle CNC programu v obou osách rovnoběžných s tabulí plechu. Obr. 7. Schéma zařízení pro řezání laserem 1 - laser, 2 - zrcadlo, 3 - pracovní řezací hlava, 4 - obrobek, 5 - pracovní stůl stroje, 6 - odsávání zplodin, 7 - CNC řídicí systém, 8 zásobník asistenčního plynu Obr.8 Laserový stroj 14 napájecí zdroj, 15 chladící systém, 16 základní rám stroje 14

4.2 OPTIKA PRO LASEROVÉ ŘEZÁNÍ Optické komponenty vysoce výkonných laserových systémů jsou velmi drahé a kritické součásti. Vysoké výkony musí být přenášeny a odráženy v rezonátoru a v optické cestě k řezanému materiálu bez snížení kvality svazku záření. Schéma optiky CO 2 laseru je na obrázku 9. Mezi komponenty optické soustavy patří zrcadla a čočky. Dva komponenty musí záření propouštět, tj. výstupní zrcadlo rezonátoru a fokusační čočky. Obr. 9 Schéma optiky CO 2 laseru 1 laser 2 výstupní zrcadlo ZnSe nebo GaAs 3 zlatý nebo stříbrný povlak 4 křemík, měď nebo molybden 5 zrcadla směrující paprsek 6 lineárně polarizovaný laserový svazek 7 speciální povlak 8 fázové zrcadlo 9 kruhově polarizovaný laserový svazek 10 zaostřovací čočky ZnSe nebo GaAs 4.3 SYSTÉMY POLOHOVÁNÍ PRO LASEROVÉ ŘEZÁNÍ 2-osý řezací systém Používá se pro řezání rovinných plechů. Existuje řada variant: - tzv. flying optics létající optika, pokud se pohybuje řezací hlava - pohyblivý stůl, na kterém je vzorek umístěn 3-osý řezací systém Varianty jsou následující: - létající optika - kombinace létající optiky, pohyblivého laseru a pohyblivého vzorku 4.4 TLAKOVÝ REGULAČNÍ VENTIL ŘEZACÍHO PLYNU Tlakový regulační ventil řezacího plynu (proporcionální ventil) umožňuje programování tlaku řezacího plynu v tlakových stupních po hodnotách 0,125 bar 15

mezi 0,3 bar a maximálně 20 bar. Digitální displej, který je rovněž integrovaný v obslužném panelu, umožňuje kontrolu aktuálního tlaku plynu. Druh plynu nemá žádný vliv na regulační přesnost ventilu v případě, že jsou zaručeny požadované stupně čistoty. 4.5 REZONÁTOR Je to optická dutina vymezená zrcadly, které jsou obvykle dvě jedno je zcela odrazivé a druhé částečné propustné. Většinou jsou zrcadla dielektrická, někdy může být leštěný kov, např. zlato. Zrcadla v rezonátoru nemusí být rovinná, používají se konvexní i konkávní tvary. Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměru křivosti zrcadel a délce rezonátoru. Rezonátor je optický systém, který se používá ke zformování a zesílení záření. 4.6 LASEROVÁ ŘEZACÍ HLAVA Laserová řezací hlava je centrálním modulem zařízení systém čočky a trysky s přívodem řezacího plynu. Tento systém musí být stabilní, lehce nastavitelný a zajištěný proti změnám v průběhu řezání. Důležité komponenty laserové řezací hlavy jsou tubus pro upevnění čočky s optickými komponenty a plášť řezací hlavy s řezací tryskou a regulace odstupu. Čočka láme paralelní laserové paprsky a spojuje je do ohniska (fokusu), kde dosahuje záření své nejvyšší energetické hustoty. Čočka se chladí proudem řezacího plynu, který je veden koaxiálně k laserovému paprsku do prostoru pod čočkou. Pomocí řezací trysky, která je dodatečně chlazena malým množstvím tlakového vzduchu, se vede záření a řezací plyn k opracování na obrobek. V řezací hlavě, chráněn krycí destičkou, se nachází senzorový systém regulace odstupu. 16

Obr. 10 Řezací hlava 1 Seřizovací šroub se stupnicí 2 Stupnice Z dělení 1mm 3 Šroub pro seřizování fokusu 4 Nastavovací kroužek se stupnicí 0,1mm 5 Aretační čep 6 Seřizovací šroub se stupnicí 7 Připojení zavzduš. vedení paprsku 8 Horní část řezací hlavy 9 Seřizovací pojistka 10 Dolní část seřizovací hlavy 11 Trubka proudícího vzduchu 12 - Tryska 4.7 REGULACE ODSTUPU Regulace odstupu zajišťuje konstantní vzdálenost řezací trysky od plechu, zabrání se tak kolizím mezi řezací hlavou a obrobkem. Výškové řízení musí být schopno zajistit přesnou vzdálenost čočky a trysky: a) v případě všech možných pracovních podmínek procesu (řezací rychlost, tlak..) b) pro řezání nejrůznějších materiálů v dané výrobní situaci (kovové, nekovové) c) při řezání zvlněného povrchu 17

Nastavení čočky 20mm pro optiku o ohniskové vzdálenosti 127mm, 10mm pro f = 64mm Nastavení trysky 0 2,5mm relativně k řezanému kusu Obr.11 Nastavení trysky 1 čočka, 2 tryska, 3 řezaný kus 4.8 MĚNIČ PALET Zařízení na výměnu palet umožňuje provádět nakládání a vykládání palety paralelně ke zpracování desky s obrobky, která se nachází v základním stroji. Výměna palet se provádí v řádech desítek sekund. 18

5. FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ŘEZÁNÍ LASEREM 5.1 KONSTANTNOST VÝKONU Rovnoměrný výsledek řezání je zaručen pouze konstantností předvoleného výkonu laseru během celé doby opracování obrobku. Laser potřebuje po zapnutí cca 10 minut pro vytvoření konstantního výkonu. Pokles výkonu laseru může mít různé příčiny: Opotřebení výbojek Znečištění interního a externího optického systému Kvalita vody 5.2 PRŮMĚR PAPRSKU Čím větší je průměr laserového paprsku, tím menší je dosažitelný průměr fokusu a tím menší je i řezná spára. Možný průměr fokusu však závisí také na ohniskové vzdálenosti použité fokusační čočky. Fokusační čočky s ohniskovou vzdáleností 5" umožňují průměr fokusu < 0,12 mm, čočky s ohniskovou vzdáleností 7,5" průměr < 0,2 mm (obr.12). obr.12 5.3 TLAK PLYNU Tlak plynu se musí přizpůsobit tloušťce materiálu obrobku. Přitom je třeba mít na vědomí, že tlak plynu při řezání s kyslíkem hraje větší roli než tlak plynu při řezání s dusíkem. Při řezání plamenem se oddělují tenké kovové obrobky s vyšším tlakem plynu než tlustší obrobky. To je zapotřebí k vyrovnání nedostatku kyslíku při vyšších rychlostech řezání zvýšeným přívodem plynu. 19

Při tavném řezání se oproti tomu oddělují tlustší obrobky vyšším tlakem plynu, aby došlo k vypuzení vazké taveniny z řezné spáry. Základní pravidlo: při řezání s kyslíkem klesá tlak plynu s přibývající tloušťkou materiálu, při řezání s dusíkem je tomu obráceně (výjimka: řezání ušlechtilých ocelí kyslíkem!). 5.4 POLOHA OHNISKA Důležitým předpokladem pro dobrý výsledek řezání je přesná znalost polohy ohniskového bodu. Obr.13 f=poloha ohniska V zásadě platí: Řezání konstrukční oceli plamenem: - U tloušťky plechu do 6 mm je nejvýhodnější orientace ohniska na povrch plechu. - U tloušťky plechu 8 mm a více se ohnisko situuje nad povrch plechu. Vysokotlaké řezání: - Ohnisko je umístěno do plechu. - Každá tloušťka plechu si zpravidla vyžaduje jinou polohu ohniska. 5.5 POVRCH OBROBKU Hladké povrchy materiálů jako jsou čistý hliník vedou k silnému odrazu laserového paprsku a k horším výsledkům řezání. Výsledek řezání zhoršuje rovněž vrstva okují na povrchu plechu. Výsledek řezání ovlivňují také vrstvy laků, vrstvy barev a plastové povrchové vrstvy (např. nálepky, popisky). Lehká olejová vrstva, která existuje na velkém množství plechů, nezpůsobuje žádné zhoršení výsledků řezání. 20

Dobře se dají řezat plechy s povrchem následující kvality: - válcované za studena, mořené, otryskané pískem. Plechy potažené ochrannou fólií lze úspěšně řezat za předpokladu, že fólie je použita pouze jednostranně a že se jedná o fólii přímo určenou pro laserové řezání (většina výrobců toto běžně nabízí). Je třeba počítat s tím, že okraj fólie je mírně opálen, ale na výrobku to nezanechává stopy. V případě nejasností je opět lepší provést řezací test konkrétního materiálu. Obr. 14 Výsledek řezání nerezového broušeného plechu s ochrannou fólií Laserové řezání je velmi citlivé na kvalitu materiálu a to především u konstrukčních ocelí, závisí na: o chemickém složení vyšší obsah Si je škodlivý o způsobu výroby válcování za tepla či studena o vadách v materiálu (dutiny, vměstky) o povrchové rzi, nánosech barvy apod Obr. 15 Laserový řez na nekvalitním plechu Proto je vhodné použití plechů speciálně výrobci upravených pro laserové řezání (příklady viz výše), kde je vyšší cena materiálu kompenzována rychlejším a levnějším řezáním a lepší kvalitou řezu. Povrch některých plechů je nutno před řezáním upravit obroušením či naolejováním apod. U plechů nejasného složení či původu se doporučuje provedení řezacích testů před vlastní realizací řezání. Obr.16 Porovnání kvality laserového řezu na speciálně upraveném plechu (Raex - horní vzorek) a běžné oceli tl. 15 mm Laserem nelze řezat více plechů na sobě ani u nízkých tloušťek, dochází ke svařování dílců k sobě a jiným komplikacím při řezání. 5.6 FOKUSAČNÍ ČOČKA Znečištěná fokusační čočka se v důsledku zvýšené absorpce laserového záření zahřívá. Toto zahřívání vede k tomu, že se mění její lomivost. 21

6. VYHODNOCENÍ KVALITY LASEROVÝCH ŘEZŮ V DIN 2310 jsou popsána kritéria stanovování kvality řezných ploch. Pro hodnocení laserových řezů se používají následující kritéria: řezná mezera hrubost pravoúhlost doběh žlábků tvorba ostrých hran zóna tepelného vlivu 6.1 ŘEZNÁ SPÁRA Při řezání laserem vzniká řezná spára, která se zpravidla od horní hrany řezu k dolní hraně řezu zužuje. Řezná spára (šířka řezné mezery) se udává v [mm]. Měření řezné spáry U tloušťky materiálu do s = 3 mm : Řezná spára se měří v zářezu obdélníku. Pomocí spároměru se přitom stanovují dvě hodnoty: 1.hloubka zapíchnutí s/3 (viz obr.17) 2.hloubka zapíchnutí s (viz obr.17) Příčiny příliš velkých řezných spár jsou: špatná poloha ohniska znečištěná čočka poškozený povlak čočky tepelné chování laserového paprsku v důsledku znečištěné optiky rezonátoru Obr.17 Princip měření řezné spáry 6.2 KVALITA POVRCHU HLOUBKA DRSNOSTI Průměrná hloubka drsnosti Rz je aritmetickým průměrem jednotlivých hloubek drsnosti pěti vzájemně sousedících reprezentativních samostatných tras měření. Hloubka drsnosti se měří v [µm]. 22

Měření hloubky drsnosti Hloubka drsnosti se měří u laserových řezů podle normy (DIN 2310) u plechů o síle do 2 mm ve středu řezné hrany, u plechů o větší tloušťce ve 2/3 hloubky místa vstupu paprsku (viz obr.18). Obr.18 Měření drsnosti řezné plochy u různých tloušťek plechů Hloubka drsnosti řezných ploch kovových obrobků je ovlivňována: špatným tlakem plynu (příliš vysoký nebo příliš nízký) špatnou řeznou rychlostí (příliš vysoká nebo příliš nízká) špatným výkonem laseru (příliš vysoký nebo příliš nízký) 6.3 PRAVOÚHLOST Tolerance pravoúhlosti u je vzdálenost dvou paralelních přímek, mezi nimiž musí ležet profil řezné plochy pod teoreticky správným úhlem u svislých řezů tedy pod 90. V toleranci pravoúhlosti je obsažena jak odchylka od přímkové rovnosti, tak odchylka rovinnosti (viz obr. 19). Měření tolerance pravoúhlosti Tolerance pravoúhlosti se měří pomocí číselníkového úchylkoměru. Obr.19 Měření pravoúhlosti, 1 oblast stanovení tolerance pravoúhlosti, s tloušťka plechu, u tolerance pravoúhlosti, Δs hodnota, o kterou se oblast stanovené tolerance pravoúhlosti zmenší. Tato hodnota je závislá na tloušťce plechu. 23

Příliš velká odchylka tolerance v pravoúhlosti může být způsobena: špatnou polohou ohniska špatným tlakem plynu špatnou řeznou rychlostí 6.4 DOBĚH ŽLÁBKŮ U řezání drážek získává řezná hrana typický drážkovaný vzor. V případě nízké řezné rychlosti je průběh těchto drážek téměř paralelní s laserovým paprskem. Čím vyšší je řezná rychlost, tím intenzivněji se drážky otáčejí proti směru řezání. Obr.20 Znázornění doběhu žlábků Jako doběh drážek nebo doběh žlábků se označuje největší vzdálenost mezi dvěma řeznými drážkami ve směru řezání. Možné příčiny: vysoká rychlost řezání nízký výkon laseru poloha ohniska příliš nízko nízký tlak kyslíku 6.5 TVORBA OSTRÝCH HRAN Při tvorbě ostrých hran se může jednat o silně přilnavé kovové výčnělky, které nelze bez dodatečného opracování odstranit, nebo o ulpělou struskovitou hmotu, kterou lze snadno odstranit bez dodatečného opracování. Hrany kovových materiálů řezané laserem by měly být převážně nebo zcela bez ostrých hran. a) b) c) Obr. 21 a)zrnkovitá kovová ostrá hrana b)střapatá kovová hrana s oxidovaným povrchem, c) struskovitá ostrá hrana 24

Tvorba ostrých hran u Popis chyby Možné příčiny chyby Rst 37-2: standardní řezání kyslíkem Ostrá hrana po straně se struskovitou hmotou (snadno odstranitelná, lámavá) - nízký tlak kyslíku - špatná rychlost řezání - nevhodná poloha ohniska Kovová ostrá hr. (těžko odstranitelná) - vysoká rychlost řezání - špatný výkon laseru - znečištění kyslíku 1.4301: standardní řezání kyslíkem Ostrá hrana se struskovitou hmotou (snadno odstranitelná, lámavá) - tlak kyslíku příliš nízký - špatná poloha ohniska - nevhodná rychlost řezání 1.4301: vysokotlaké řezání s dusíkem Tvorba dlouhých ostrých hran Kovová ostrá hrana těžce odstranitelná Tvorba dlouhých ostrých hran (odstranitelné rukou) - příliš nízká rychlost řezání - ohnisko moc vysoko - nízký tlak dusíku - přehřátí materiálu u úzkých obrysů, je-li zvolen příliš malý posuv - vysoká rychlost řezání - poloha ohniska příliš hluboko 6.6 ZÓNA TEPELNÉHO VLIVU U tepelných opracování laserovým paprskem dochází k tepelnému ovlivnění materiálu vlevo a vpravo od řezné spáry, resp. kolem místa zapíchnutí. Toto tepelné působení má za následek změnu struktury materiálu, jejíž míru lze posoudit nejlépe mikroskopicky na jemném řezu. Příčiny tepelného ovlivnění příliš vysoký výkon laseru příliš nízká rychlost řezání příliš malý tlak plynu Obr. 22 Tepelné ovlivnění okrajů součásti při pálení na laseru 25

7. POSTUP PÁLENÍ NA LASERU 7.1 KONTROLA STROJE Před samotným řezáním je důležité u stroje zkontrolovat: Množství plynu v bombách (plyny He, N 2, CO 2 ), uvolnění plynových ventilů Množství destilované vody u chladícího zařízení. Žádné chybové hlášení apod. UVEDENÍ STROJE DO PŘÍPRAVNÉHO STAVU Stroj po zapnutí hlavním vypínačem je natlakován 1000 bar tento tlak se pak upraví na 125 bar. Následně se stroj nastaví na referenční bod, od kterého se všechny hodnoty budou počítat. 7.2 KONTROLA A ČISTOTA ČOČKY Podle tabulky rozhodneme kterou řezací hlavu použít s označením 5 nebo 7,5 (funkce a rozdíl byl popsán již dříve). Vymontujeme řezací hlavu, kterou rozšroubujeme a z ní vezmeme čočku, kterou popřípadě vyčistíme lihem pomocí sady na čistění této čočky a vložíme ji nazpět. Je také důležité dát čočku do hlavy ze správné strany! 7.3 NASTAVENÍ LASEROVÉHO PAPRSKU K OTVORU TRYSKY Fokusační čočka musí být nastavena tak, aby byl zaostřovaný laserový paprsek uprostřed otvoru trysky. Zaostřený laserový paprsek smí být mimo středu trysky maximálně o 0,05 mm (obr.23). Pro toto nastavení se používá tryska s nejmenším průměrem (většinou 0,8mm), jejichž otvor přelepíme lepící páskou, do které pak pomocí softwarového nastřelovacího programu vypálíme otvor, který pak zkontrolujeme pomocí lupy a v případě potřeby provedeme nápravu pomocí seřizovacích šroubů. Obr.23 Nastavení paprsku a) paprsek ve středu b) paprsek mimo střed 26

7.4 OTVOR TRYSKY Výběr správné trysky pro dané opracování je velmi důležitý. Při vysokotlakém řezání se používají trysky s větším otvorem než u standardního řezání. Deformovaný otvor trysky, např. oválně zdeformovaný po kolizi, může stejně jako excentričnost vést ke směrově podmíněným chybám řezání. Tab. Rozdělení a použití trysek: Průměr trysky 0,8mm 1mm 1,4mm 1,7mm 2,3mm Tloušťka plechu nejtenčí až 3mm 3mm až 6mm 6mm až 10mm 10mm až 15mm 15mm až nejtlustší 7.5 NAHRÁNÍ PROGRAMU DO STROJE Program vhodný pro řezání většinou programuje k tomu určený programátor. Tento vytvořený program s určitým označením je tedy nutno do stroje nahrát. Je tu více možností: Z centrálního počítače nahrajeme daný program na disketu a tu pak vložíme do speciálního čtecího zařízení u stroje Počítač je propojený se strojem a pomocí k tomu určeného programu jednoduše převedeme daný program Stroj je napojený přímo na firemní síť, po které může programátor přímo posílat dané programy do stroje VYTVOŘENÍ VLASTNÍHO PROGRAMU NA STROJI Některé jednodušší tvary je možné si vytvořit přímo na stroji pomocí pomocného programu, který může být různých typů (podle používaného softwaru často systém Bosh nebo Siemens). Lze tedy vytvořit při zkušenostech každý tvar, ale obsluze stroje by to zabralo spoustu času. 7.6 VYTVOŘENÍ NC PROGRAMU NC program si vytvoří obsluha stroje postupným správným nastavením určitých hodnot: 7.6.1 Výběr tabulky pro řezání Nejprve je nutné vhodně vybrat tabulku pro daný typ materiálu a tloušťku tabule plechu (tabulky jsou nahrány ve stroji). V tabulkách je možné si všimnout hlavní 27

rozdíly v použití hlav, trysek, různých autolasů, mezery, odstupu apod. Některé hodnoty se zase shodují výkon nebo propalovací tlak. 7.6.2 Vytvoření makra nebo automatické rozložení kusů Makro Tato část softwaru stroje slouží pro umístnění jednotlivých tvarů do stanoveného formátu plechu. Součást(ti) se uloží do zvláštního adresáře a z něho se pak podle potřeby vybírají potřebné tvary. S nimi je potom možné provádět různé činnosti : Posouvání v osách X a Y Otáčení v určených stupních kolem nastaveného středu Zrcadlové převrácení Kopírování označeného tvaru nebo i více tvarů v různých směrech Takto se umístí jednotlivé součásti pokud možno co nejvhodněji a toto makro se uloží pod vybraný název. Makro následně v případě potřeby použijeme. Automatické rozložení kusů Používá se pro rychlé nastavení jednodušších tvarů, které není potřeba různým způsobem rozmísťovat. Postup : Nastavení formátu tabule ( např. 3000 mm x1500 mm) Okraje od konce tabule levý, pravý, spodní viz. Obr.24 Mezery mezi jednotlivými kusy v ose X a potom a ose Y Program potom automaticky nabídne počet kusů v jednotlivých osách, které se do daného formátu naskládají podle stanovených hodnot Obr.24 Souřadnice na tabuli plechu 28

Následuje umístění jednotlivých propalů (počátků řezání) a nastavení jejich dráhy. U tvarů s rohem obr.25, u tvarů s rádiusem obr.26. Obr.25 Propaly v rozích Obr.26 Propaly v oblých tvarech Dále můžeme ještě nastavit posloupnost pálení jednotlivých kusů nebo nechat automatické nastavení. Pak už jen zvolíme číslo programu a NC program je hotový. 7.7 NALOŽENÍ MATERIÁLU NA PALETU Na tuto paletu naložíme požadovaný materiál např. pomocí: o o o přísavného podavače na jeřábu pro plechy s velmi kvalitním povrchem magnetu omezená hmotnost, nelze použít na nerezový plech jeřábu s přídavnými háky pro přenos plechů Plech je nutné dát na paletu pokud možno co nejvíce přesně, protože stroj má nastavený referenční bod, na který jsou nastaveny na paletě dorazy pro plechy. 7.8 ŘEZÁNÍ Při řezání je možné regulovat rychlost a tlak (pomocí regulačních ventilů). Řezání je možno kdykoli přerušit a zkontrolovat průběh řezání. 7.9 VYJMUTÍ KUSŮ Z ODPADU Jednotlivé kusy je možné vyjmout magnetem nebo odpad odstraníme pomocí háků a dáme na místo pro odpad. Jednotlivé kusy je pak možno jednoduše posbírat a označit někde popisem, jindy čárovým kódem (modernější). 7.10 KONTROLA KVALITY ŘEZU Pokud jsou u vypálených kusů zvýšené požadavky na kvalitu a geometrickou či rozměrovou přesnost, musí se provést kontrola těchto parametrů. Tyto jsou popsány v kapitole 6. 29

8. POUŽITÍ LASERU V TECHNOLOGII V technologii se laser začal používat od druhé poloviny 60. let. Vývoj laseru i jeho aplikace procházejí neustálou inovací. Sledují se jak nové technické možnosti, tak i příznivější ekonomie provozu. Laserovou technologii definujeme jako opracování materiálu založené na: - využití schopnosti laseru koncentrovat optickou energii v prostoru, čase a spektrálním intervalu; - interakci optického záření s látkou. Základní předností laserových technologických operací je: - možnost opracování bez mechanického kontaktu s výrobkem, - možnost opracování obtížně přístupných částí materiálu, - technologické zpracování těžkoobrobitelných materiálů. V technologii se laser používá pro svařování, vrtání, řezání, tepelné zpracování, značení a gravírování, povrchové úpravy, povlakování, metody tvorby modelů a prototypů (Rapid Prototyping) a pro laserovou podporu konvenčního obrábění. Každá z těchto oblastí má svá specifika, pokud jde o typ laseru a způsoby jeho užití. Obrobitelnost materiálu laserem je dána zejména těmito vlastnostmi: - pohltivostí, tj. schopností pohlcovat světelnou energii a měnit ji na kinetickou energii neuspořádaného pohybu molekul nebo atomů absorbující látky, tzn. na tepelnou energii; - tepelnou vodivostí; - odrazivostí, která je dána poměrem množství odražené energie k energii dopadající. Obrobitelnost materiálu laserem je tím lepší, čím větší je pohltivost materiálu a menší jeho tepelná vodivost a odrazivost. Obr.27 Procentní využití laserů v technologii 30

OTÁZKY K OPAKOVÁNÍ 1. Čím musí být vybaveny lasery skupiny III b) z hlediska bezpečnosti práce? 2. Vypište druhy laserů. 3. Popište obrázek schéma řezání laserem. 4. Jaké jsou řezné plyny pro řezání laserem (druhy, použití, tlak plynu) 5. Uveďte výhody a nevýhody řezání laserem. 6. Laserové tavné řezání princip. 7. Laserové oxidační řezání princip, výhody, nevýhody. 8. Schéma CO 2 laseru. 9. Co znamená pojem mobilní (létající) optika? 10. K čemu slouží výstupní plynová tryska a jak se volí její průměr? 11. Jaký plyn (směs plynů) se používá u CO 2 laseru. 12. Popište, k čemu se používá rezonátor. 13. Vypište druhy aktivního prostředí u laserů. 14. K čemu se používá funkce AutolasPlus? 15. Popis laserové řezací hlavy. 16. Vypište faktory ovlivňující kvalitu řezání laserem. 17. Jak ovlivňuje kvalitu řezání povrch plechu: - hladký povrch součásti? - olejová vrstva? 18. Jak ovlivňuje kvalitu řezání znečištěná fokusační čočka? 19. Co může být příčinou kovových ostrých hran? 20. Jaké jsou příčiny vzniku zářezů do materiálu v místě řezu? 21. Co se musí u stroje kontrolovat před započetím řezání? 31

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. Návod k provozu, vydáno firmou TRUMPF Praha, březen 1999 2. NOVOTNÝ, J.; DUBENSKÝ, R. Progresivní metody svařování a tepelného dělení materiálu. Technickoekonomický výzkumný ústav hutního průmyslu, Praha4, 1986 SIP 41093/04867 3. HOUŠA, J. Stavba vysoce dynamických obráběcích strojů a použití laseru v obrábění. ČVUT v Praze, 2001 ISBN 80-238-6787-3 4. Kolektiv autorů: Moderní způsoby tepelného dělení materiálů. KV komitétů pro svařování. Dům techniky Pardubice, 1985 Evidenční číslo 60/712B/85. 5. MINAŘÍK, V. Tepelné dělení materiálu. ČVUT v Praze, Fakulta strojní. Praha 1993 ISBN 80-01-01028-7. 6. HLUCHÝ, M.; KOLOUCH, J. Strojírenská technologie 2, Polotovary a jejich technologičnost, 1. díl. Scientia, spol. s r.o. Praha, 2001 ISBN 80-7183-244-7. webové stránky www.lasertech.cz, www.mmspectrum.cz, www.rezanivodnim-paprskem.cz, další obrázky byly speciálně pro tuto učebnici vytvořeny programem AutoCAD 2009. 32