Co rozhoduje při volbě typu laseru

Na současném trhu je pro řezání a svařování nabízena celá řada výkonných laserových zařízení. Uživatelé jsou postaveni před volbu, které zařízení a který druh laseru je pro jejich použití nejvhodnější. Uživatel se často rozhodne pro laserové zařízení, které má velký výkon laseru, nebo pro zařízení s malými pořizovacími náklady. Oba pohledy jsou příliš zjednodušené a často dojde k pozdějšímu rozčarování, které spočívá zejména v tom, že zařízení neplní očekávané požadavky, anebo naopak se nevyužije jeho plný výkon.

Typy laserů

V průmyslu se pro zpracování materiálů používá celá řada typů laserů: CO₂ lasery, vláknové, pevnolátkové a diodové lasery. Ty lze rozdělit podle vlnové délky vydávaného záření do tří základních skupin: CO₂ lasery s vlnovou délkou záření 10,6 µm, pevnolátkové lasery (s krystalem - Slab lasery - a vláknové lasery) s vlnovou délkou záření 1,06 až 1,08 µm a diodové lasery s vlnovou délkou záření 880 až 1 040 nm.

Z hlediska použití laseru pro řezání kovových materiálů jsou vhodné CO₂ lasery o výkonu 1 až 8 kW a lasery pevnolátkové o výstupním výkonu 0,5 až 4 kW. Diodové lasery nehrají v technologii řezání žádnou podstatnou roli, jsou vhodné např. pro tepelné zpracování materiálů.

Vlnová délka záření laseru

Pro účinnou aplikaci laserového systému je důležitá volba vlnové délky záření laseru, která podstatně ovlivňuje pohltivost záření materiálem obrobku, na níž jsou závislé ostatní pracovní parametry (pracovní rychlost, tepelné ovlivnění řezu apod.). U většiny zařízení mají CO₂ lasery větší stopu paprsku a tím i menší hustotu energie paprsku než lasery vláknové (tj. pevnolátkové). Je to dáno především vlnovou délkou záření.

Při řezání dřeva, plastů, kompozitních materiálů, skla, textilu nebo papíru je nutné použít CO₂ laser. U těchto materiálů není vlnová délka záření vláknových laserů prakticky vůbec pohlcována, proto zde jejich použití není vhodné.

Při řezání kovových materiálů je naopak výhodné použít lasery s menší vlnovou délkou záření, která je těmito materiály více pohlcována. Na obr.1 je ukázána závislost absorpce (pohltivosti) záření laseru působícího kolmo na povrch součástí z různých materiálů na vlnové délce záření laseru. Při řezání vláknovými lasery se dosáhne výborných výsledků při menším výstupním výkonu laseru. Materiály na bázi železa je možné úspěšně řezat také Slab lasery. Neželezné a vzácné kovy lze dobře řezat pomocí vláknových laserů. Tento poznatek je důležité zvážit zejména při řezání slitin hliníku a slitin mědi.

Vláknový laser

Při řezání tavným procesem, kdy se jako asistenční plyn používá dusík, je pro plechy do tloušťky 3 mm vhodné použít vláknový laser, který má menší stopu paprsku a lze pracovat s vyšší pracovní rychlostí. Je však nutné zjistit, zda pohony a pohybové mechanismy zařízení umožňují použití vyšší rychlosti pohybů. U plechů tlustších než 3 mm dosahují naopak CO₂ lasery větší pracovní rychlosti než lasery vláknové. Jako další kritérium pro volbu laserového zařízení je tedy nutné zvážit tloušťku řezaného materiálu. Při řezání s kyslíkem jako asistenčním plynem nemá žádný z obou uvedených laserů podstatnou výhodu. Dosažitelnou pracovní rychlost určuje kyslík.

Jakost řezané plochy

Jiným aspektem pro hodnocení výsledků řezání laserem je jakost řezané plochy. Zde jsou mezi CO₂ a vláknovým laserem velmi rozdílné výsledky. Vysvětlení příčin těchto rozdílů je v současné době předmětem výzkumu. V podstatě platí, že při použití kyslíku je u obou laserů kvalita řezu stejná. Drsnost plochy řezané vláknovým laserem se s rostoucí tloušťkou plechu výrazně zhoršuje a na spodní straně řezu vzniká otřep.

Výhody jednotlivých laserů

Pro praktické aplikace lze konstatovat, že použití vláknových laserů je výhodné pro řezání tenkých plechů (do tloušťky 3 mm) při použití dusíku, kvalita řezané plochy je vyhovující. V této oblasti se předpokládá v budoucnu dominantní postavení vláknových laserů. Pro řezání tlustších plechů (více než 3 mm) s asistenčním plynem dusíkem je výhodné použít CO₂ lasery, a to zejména s ohledem na výkon řezání i na kvalitu řezané plochy. Při řezání s podporou kyslíku nejsou mezi oběma druhy laserů podstatné rozdíly, uživatel se může rozhodnout podle pořizovací ceny a podle provozních nákladů.

Při svařování umožňuje vláknový laser - analogicky jako u řezání - svařovat s vyšší rychlostí, ale při menší tloušťce svaru. Aby se prokázaly rozdíly mezi oběma druhy laserů, musí se vzít v úvahu také celková kvalita svaru. Při stejné kvalitě paprsku laseru může u vláknových laserů vzhledem k menší stopě paprsku nastat vyšší intenzita záření. Tím nedojde nevyhnutelně ke zlepšení kvality svaru, ale naopak často vzniká nepravidelný povrch housenky svaru a dochází k tvoření kapek na povrchu součásti. Intenzita tohoto nežádoucího jevu závisí na tvaru svaru, přípravě svařovaných ploch, druhu styku svařovaných součástí a na jejich materiálu. Dosud není známo žádné vysvětlení, proč kapky vznikají. Obecně je možné konstatovat, že intenzivněji se kapky tvoří při použití laseru s menší vlnovou délkou záření (pod 1 µm).

Vzhledem k lepší absorpci záření vláknových laserů kovy dosahuje se obecně stejné hloubky provaření jako u CO₂ laseru, ale menším výkonem. Toto se jeví jako výhoda pří použití vláknových laserů pro svařování, ale vzhledem k horší kvalitě housenky svaru a tvoření kapek se tato výhoda může ztratit. Z pohledu průmyslové aplikace obou laserů (CO₂ a vláknového laseru) mají oba své přednosti. Je-li požadována velká hloubka provaření (do cca 8 mm), je výhodné použít CO₂ laser. U vláknového laseru by bylo nutné pro takovou hloubku provaření použít vyšší výkon.

Pořizovací a provozní náklady

Pří rozhodování o nákupu laseru je nutné, vedle již uvedených technických parametrů, vzít v úvahu také pořizovací a provozní náklady. Zatímco čisté pořizovací náklady jsou u CO₂ laserů nižší než u vláknových laserů, u provozních nákladů je tomu naopak. Vláknové lasery jsou energeticky méně náročné, mají větší účinnost a nepotřebují laserové pracovní plyny. Spotřeba asistenčních plynů je u různých zařízení různá, ale podstatné rozdíly nejsou.

Při dalších krocích je nutné zvážit kromě nákladů na nákup laseru též pořizovací náklady na vlastní strojní zařízení, upínače, manipulátory a způsob přenosu paprsku od laseru na obrobek (tj. optickou cestu). Pro vlastní strojní zařízení je u vláknových laserů je třeba uvážit také vysoké pracovní rychlosti používané při řezání tenkých plechů. Aby se tato přednost uplatnila i ve zvýšení produktivity při výrobě součástí, musí mít strojní zařízení vyšší dynamiku než u CO₂ laserů. U CO₂ laserů je nutná častá kontrola a seřízení optických prvků použitých na optické cestě.

Paprsek vystupující z vláknového laseru musí být po celé své cestě chráněn krytem. Kryt musí být plechový, natřený předepsanou barvou. Může být opatřen pouze malými okénky vyrobenými z materiálu, který nepropouští záření o vlnové délce vystupující z laseru. U CO₂ laserů je kryt z PMMA a stroj nemá stropní kryt, čímž je dostatečně zajištěna bezpečnost práce. Z tohoto pohledu nemá použití vláknových laserů žádnou výhodu.

Z provedeného výzkumu vyplývá, že oba druhy laserů mají z hlediska použití své opodstatnění, i když se částečně překrývají. Pro uživatele je při rozhodování, který typ laseru použít, důležité zvážit celkové provedení laserového systému, ne pouze otázku, zda volit CO₂, nebo vláknový laser. Je nutné vzít v úvahu jak technické parametry, tak také parametry ekonomické. Konečné rozhodnutí by mělo vždy vycházet z velikosti nákladů na výrobu dané součásti, tedy z nákladů jednicových.

Marus Rütering

MM Das Industriemagazin 19/ 2011

Zpracoval -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete zakoupit v digitální trafice PUBLERO.COM