Laserové technologie v průmyslové praxi

Problémem ovšem je, kde informace o laserových technologiích získat? Protože například na rozdíl od automobilismu v ČR v podstatě neexistuje oborově orientovaný časopis, který by čtenářům přinášel jak teoretické poznatky, tak i testy a srovnání různých zařízení, metod atp. V zahraničí existuje několik titulů anglických či německých, nicméně lze konstatovat, že i tyto materiály slouží pouze pro orientaci v problematice. Podívejme se proto alespoň v krátkosti na aktuální typy laserů využitelné pro průmyslové technologie a vybavení s tím související.

Výkonové lasery pro technologické a průmyslové aplikace prodělaly během posledních cca 10 let velký skok. Zatímco dříve dominovaly v této oblasti převážně plynové lasery na bázi CO2, v dnešní době jednoznačně převládají lasery pevnolátkové. Tyto mají oproti CO2 laseru několik výhod: Kratší pracovní vlnová délka znamená obecně lepší absorpci v kovech, jinými slovy na dosažení požadovaného výsledku je potřebný laser s menším výstupním výkonem. Hlavní technickou předností je možnost vedení laserového svazku mezi laserem a technologickou aplikační hlavicí pomocí optického vlákna, což zaručuje mimořádnou flexibilitu potřebnou například při využití robotického ramene. V dnešní době se využívají tři následující typy pevnolátkových laserů:

• Vláknový laser. Jeho aktivním prostředím generujícím výkonový laserový svazek je speciální optické vlákno. V dnešní době se i v ČR pro ně používá částečně familiární název „fiber“ lasery. Jejich účinnost přeměny elektrické energie na laserový paprsek dosahuje cca 35 %, výstupní svazek se dá zaostřit do velmi malého průměru. Vzhledem k absenci jakýchkoliv mechanických části v konstrukci má tento typ prakticky nulové nároky na údržbu, což snižuje provozní náklady. Tento typ laseru se používá převážně pro laserové dělení materiálu a laserové svařování.

• Diskový laser. Aktivním prostředím je disk ze speciálního krystalu. Z hlediska energetické účinnosti, vlnové délky, kvality paprsku a technologického využití je tento laser v podstatě stejný jako vláknový laser.

• Polovodičový laser. Někdy se též používá označení diodový laser. Jde v podstatě o baterii několika desítek výkonových diod, které mají své výstupy integrovány do jediného svazku pomocí externí optiky. Díky tomu není optická kvalita svazku na takovém stupni jako u předešlých dvou typů. V poslední době bylo u prototypů dosaženo energetické účinnosti vynikajících 47 % a také se povedlo zvýšit i kvalitu rozložení energie v laserovém svazku, takže tento typ laseru začíná být ve všech svých parametrech minimálně srovnatelný s výše uvedenými dvěma typy laserů.

Co se týče aplikačního zařízení, v podstatě existují následující možnosti realizace.

Centrum vybavené laserem a potřebnou aplikační hlavou – hlavami připevněnými na víceosém průmyslovém robotu. To řešení je velice univerzální a flexibilní, ale má omezení daná dynamickými možnostmi robotického ramene. Hodí se pro menší série a prototypovou výrobu. V tomto případě je nutné velmi pečlivě zvážit návratnost investice.

Laserové centrum s pohybem technologické hlavy zajištěným kartézským systémem, tedy lineárními osami X, Y, Z. Pro dosažení polohování ve 3D jsou nutné další dvě úhlové osy A, B.

Jednoúčelové zařízení šité na míru do výrobní linky. Při správném návrhu jsou v maximální míře využity možnosti laserové technologie (vysoká posuvná rychlost, vysoká dynamika pohybu atp.), takže zařízení je produktivní. Není ovšem dostatečně flexibilní při změně produkce.

Nejčastěji se výkonové lasery používají pro dělení plechů – tedy 2D. To je v dnešní době víceméně standardní technologie. Oblast prostorového dělení plechů – tedy 3D, nejčastěji různých výlisků, je ovšem stále velmi specifickou oblastí, kde je nutné velmi dobře zvážit, jaké typy materiálů a v jakých rozměrech a přesnostech se budou dělit (viz obr. 1).

Druhou velice užívanou technologií je laserové svařování. Tato technologie má výhodu ve velkých svařovacích rychlostech. Navíc v tzv. penetračním režimu (laser má dostatečně velký výkon) vzniká hluboký závar, neboť laserový paprsek si v materiálu tvoří štíhlou a hlubokou dutinu – tzv. keyhole, díky které se předává energie ze svazku až v objemu materiálu. To je rozdíl oproti obloukovým metodám, kdy elektrický oblouk hoří mezi elektrodou a povrchem materiálu. Laserovým svařováním je proto možné svařovat několik vrstev materiálu nad sebou – tzv. přeplátováním. Vzniklý svar má velkou štíhlost (viz obr. 2), proto i výsledné deformace po svaření jsou malé (oproti obloukovým metodám). Výsledná geometrie svaru ovšem záleží též na vlastnostech svařovaného materiálu. Velkou roli hraje tepelná vodivost a také optická odrazivost.

Jednou z možných cest, jak vybrat optimální způsob a prakticky si ověřit možnosti laserové technologie, je využít služeb centra Laserové technologie při ÚPT. Zde je pracoviště vybavené vláknovým laserem od firmy IPG typu YLS2000 o výkonu 2 000 W (je doplněn o režim pulzního provozu), robotickým ramenem ABB IRB2400 doplněným dvojosým polohovadlem IRBP250 a dvěma aplikačními laserovými hlavami: svařovací hlavou YW30 a řezací hlavou YRC100 (s vlastní, na robotovi nezávislou další osou pro přesné řízení odstupu od materiálu), obě od firmy Precitec. Každá hlava je k laseru připojena vlastním optickým vláknem a v laseru je vestavěn softwarově ovládaný optický přepínač.

K dispozici je i termokamera k ověření rozložení teplotního pole při svařování a vysokorychlostní kamera pro případné snímání detailů procesu. Pro studium geometrie a mikrostruktury svarů je k dispozici metalografická laboratoř a také drsnoměr pro měření drsnosti laserových řezů. Je možné zajistit další mechanické zkoušky (tahová zkouška, tvrdost, mikrotvrdost) i snímky z elektronového mikroskopu včetně chemické a strukturní analýzy. Za poslední roky využilo služeb již mnoho firem, které díky tomu vstoupily do světa laserových technologií.

V oblasti laserového 3D byla řešena problematika odřezávání přetoků na plastových výliscích. V dnešní době má tuto technologii zákazník již zapojenou do své výrobní linky. V oblasti nekovových materiálů byla zaměřena pozornost také na řezání karbonových dílů s dobrou kvalitou řezné hrany. Byla též řešena problematika řezání otvorů do výlisků z plechu, a to v rozsahu tlouštěk 0,5 – 8 mm. Některé výrobky měly průměr kolem 0,8 m a zde bylo s výhodou využito možností doplňkového 2osého CNC polohovadla. Touto technologií se též zhotovují dílce z molybdenu potřebné při vývoji elektronových mikroskopů. Zkoumána byla problematika laserového řezání pod úkosem, kdy testy prokázaly možnost provádění úkosu až do úhlu 30°. Za vyloženou specialitu lze považovat vrtání přesných malých otvorů do prototypů platinových trysek určené pro sklářský průmysl.

V oblasti svařování laserem byla řešena problematika svařování nástrojů pro medicínu, svařování palivových filtrů, ventilových těles nebo tlakových zásobníků (vše ze slitin hliníku). Dále byla vyvinuta technologie svařování částí patra pro chemický rektor, kde se do trubkovnice přivařovalo několik set trubiček, vše ze speciálního nerezu s vysokým obsahem niklu. Požadavkem byla kromě dokonalého průvaru nutnost zachování rovinnosti patra po svaření. Zde se projevila jedna z výhod laserového svařování, neboť po testovacím svařování se potvrdilo dosažení potřebné rovinnosti. Na druhé straně spektra svařování lze zmínit vývoj technologie výroby tlakového senzoru, kde požadavkem od zákazníka bylo přivařit na membránu kapilární trubičky (bez poškození membrány). Zde bylo využito možnosti pulzního svařovacího režimu s tvarováním pulzu. Také (opět pro sklářský průmysl) bylo řešeno svařování platinových plechů. Jako zajímavá se jeví spolupráce při vývoji pokročilých typů solárních absorbérů, pro něž byla vyvinuta technologie přeplátovaného svařování struktur o rozměru 1 000 x 1 000 mm.

V rámci smluvního výzkumu pracoviště zajišťuje i odborné školení v oboru výkonových laserů i jednotlivých technologií, vždy s ohledem na požadavky a potřeby zákazníka. Pracovníci centra mají certifikát svářečského operátora/seřizovače na metodu 521.

Skupina Laserové technologie se zabývá také základním výzkumem v oblasti laserového svařovacího procesu, jeho on-line diagnostikou, hybridními svařovacími procesy a speciální optikou pro modifikaci výkonového laserového svazku.

Doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

Ústav přístrojové techniky

mrna@isibrno.cz

www.isibrno.cz