Nekonvenční metody obrábění – 5. díl

5.5.1 Svařování laserem

Svařování materiálů laserem může být (obr. 5.11):

• vedením tepla - vzniklá tepelná energie se v materiálu šíří vedením, svary jsou široké a ploché;
• hloubkové - při překročení určité intenzity přívodu tepla pronikne paprsek hluboko do materiálu, ten se roztaví a částečně odpaří, svary jsou úzké a hluboké.

Svařování laserem má řadu výhod, které nelze dosáhnout žádnou jinou technikou. Výhody svařování laserem oproti dosud používané metodě MIG lze shrnout do následujících bodů:

• vysoká rychlost svařování;
• malé tepelné ovlivnění místa svaru;
• malé délkové deformace svařence;
• možnost provedení svaru i při přístupu pouze z jedné strany;
• malé nároky na jakost povrchu svařovaných součástí;
• vysoká pevnost svaru.

Ke svařování se používají Nd:YAG, CO₂ i diodové lasery. Svařování ve srovnání s dalšími aplikacemi vyžaduje menší intenzitu záření optického svazku a větší délku laserového pulzu. Při svařování laserem se nepoužívá žádný přídavný materiál. Svařovat lze všechny materiály svařitelné konvenčními metodami, včetně titanu, niobu, hliníku, zlata apod.

5.5.2 Vrtání laserem

Poprvé byl laser použit v roce 1965 k vrtání otvorů v diamantových průvlacích pro tažení drátů. Vrtání laserem je založeno na odstraňování materiálu odpařováním. Intenzita svazku musí být vyšší než u svařování, a proto se pro tento účel používá pulzních laserů s délkou pulzu menší než 1ms. Pro vrtání laserem platí: čím je díra delší, tím více se odchyluje tvar díry od geometrie (tj. rozdělení energie) paprsku. Z provedených výzkumů plyne, že kvalitnější díry se získávají při použití krátké doby pulzu. Samotné zkrácení doby pulzu však nestačí, neboť se na stěnách vyvrtané díry tvoří 0,1 mm tlustá vrstva odtaveného materiálu. Zlepšit odstraňování odtaveného materiálu lze použitím vhodné metody vrtání. Vrtání laserem je možné jednotlivými pulzy, opakovanými pulzy, vyřezáváním díry při pohybu stopy po kružnici, vyřezáváním díry při pohybu stopy po šroubovici či laserovou erozí.

Předností laserového vrtání je vytváření malých otvorů o průměru od 10 do 100 mm i v místech, kde je to pomocí jiných metod obtížné nebo nemožné. Díry mohou být kruhové i tvarové. Délka vrtané díry může být až 50 mm. Vrtat lze kovy, plasty, textilie, dřevo, sklo, keramiku a jiné přírodní materiály. Tato technologie se používá pro vrtání kamenů do hodinek, filtrů, vstřikovacích trysek, lopatek proudových motorů apod.

Pro vrtání se používají:

• CO₂ lasery - vyřezávání (kruhových i tvarových) otvorů; nejmenší průměr vyřezávaného otvoru je 5 mm, nejmenší průměr vrtané díry je 0,2 mm;
• Nd:YAG lasery - vrtání děr o menším průměru; nejmenší průměr vrtané díry je 0,025 mm;
• excimerové lasery - vrtání děr do keramiky.

V průmyslu se pro vrtání děr používají především Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 100 až 500 W. Doba vrtání závisí na výstupním výkonu laseru a na tloušťce vrtaného materiálu.

5.5.3 Řezání laserem

Řezání může být:

• sublimační - materiál je odstraňován převážně odpařováním v důsledku vysoké intenzity záření laseru v místě řezu;
• tavné - materiál je v místě řezu působením paprsku laseru roztaven a asistentním plynem odfukován. Tímto způsobem jsou řezány nekovové materiály, jako jsou keramika, plasty, dřevo, textilní materiály, papír a sklo;
• pálením - paprsek laseru ohřeje materiál na zápalnou teplotu tak, že pak může s přiváděným reaktivním plynem (např. kyslíkem) shořet v exotermické reakci, vzniklá struska je z místa řezu odstraňována asistentním plynem. Tímto způsobem lze řezat např. titan, ocele s nízkým obsahem uhlíku a korozivzdorné ocele.

Mezi základní charakteristiky procesu řezání laserem patří:

• rychlost řezání - závisí na způsobu řezání, výstupním výkonu paprsku laseru, požadované kvalitě řezu, tloušťce a druhu řezaného materiálu;
• kvalita řezu - hodnotí se podle jakosti řezané plochy (dosahuje se Ra 3,6 až 12 mm) a tloušťky tepelně ovlivněné oblasti (bývá 0,05 až 0,2 mm);
• šířka řezné spáry - je dána druhem laseru, druhem a tloušťkou řezaného materiálu (bývá 0,02 až 0,2 mm).

Výhody řezání laserem:

• malá šířka řezu;
• malá velikost tepelně ovlivněné oblasti;
• žádné opotřebení nástroje;
• čisté řezy;
• možnost řezání složitých tvarů;
• hospodárnost i při malých výrobních sériích.

Nejpoužívanější lasery v této oblasti jsou kontinuální CO₂ lasery se středním výkonem do 15 kW, kterými je možné řezat konstrukční ocele do tloušťky 20 mm, korozivzdorné ocele do tloušťky 10 mm a slitiny hliníku do tloušťky 5 mm. Pro přesnější řezy s menší šířkou řezné spáry se používají Nd:YAG lasery o výkonu 100 až 1 000 W, kterými lze řezat konstrukční ocele do tloušťky 6 mm, korozivzdorné ocele do tloušťky 3 mm a slitiny hliníku do tloušťky 2 mm.

5.5.4 Dekorace skla laserem

Dekorace skla laserem je modifikací řezání laserem. V místě dopadu fokusovaného záření laseru na povrch skla dojde k částečnému odpaření skloviny a k jejímu povrchovému popraskání. Na vzniklých trhlinách dochází k rozptylu světla, a tím se dociluje zářivého vzhledu dekoru. Pro dekoraci skla se využívá laserů, jejíchž záření je sklem dobře absorbováno, např. CO₂ laseru. Novinkou v dekoraci skla laserem je prostorový popis do skla. Vysoce efektní trojrozměrné objekty ve skle vytváří pulzní Nd:YAG laser o výkonu v pulzu až 1 MW.

5.5.5 Značení, značkování a popis laserem

Značení laserem je založeno na místním odpaření materiálu nebo na změně barvy jeho povrchu. Laser vytváří na povrchu materiálu s vysokou přesností stálý, mechanicky odolný, velmi kontrastní a jinak nenapodobitelný popis. Vše probíhá v jediné krátké operaci bez použití chemických přísad a inkoustů nebo mechanických zásahů do struktury materiálu. Výška znaků je obvykle zlomky až jednotky milimetrů, tloušťka odpařené vrstvy materiálu je v řádu mikrometrů.

Laserem je možné označovat všechny materiály, jako kalené i nekalené oceli a litiny, titan, mosaz, bronz, hliník a jeho slitiny, slinutý karbid, zlato, keramiku, drahé kameny, plasty, dřevo, sklo, gumu, papír, kůži atd. Popisovaný povrch může být broušený, pískovaný, lakovaný, černěný, smaltovaný, opatřený povlakem chromu, zinku, titankarbidu, titannitridu, keramickým povlakem apod. Laserem lze popisovat rovinné, válcové i jinak zakřivené plochy, a to i na málo přístupných místech.

Existují dvě základní metody popisování laserem:

• popis přes masku (obr. 5.28) - celý text popisu je vyříznut v masce, která se vyrábí z mosazi, bronzu nebo ušlechtilé oceli. Paprsek laseru osvítí najednou nebo po řádcích masku, a tím je popis přenesen na výrobek. Místa zakrytá maskou zůstávají nepopsána. Používají se lasery CO₂, Nd:YAG i excimerové. Mezi výhody této metody patří jednoduchý popisovací systém, relativně malé pořizovací náklady a vysoká rychlost popisování (až 3 000 znaků za minutu). Hlavními nevýhodami jsou malé popisovací pole (10 až 40 mm²), poměrně horší kvalita popisu, malá flexibilita a vyšší náklady spojené se změnou popisu, neboť je nutné vždy vyrobit a vyměnit celou masku. Metoda je vhodná především pro velké série popisovaných součástí;

• popis vychylováním paprsku laseru (obr. 5.29) - paprsek vycházející z laseru je vychylován dvěma vzájemně kolmými zrcadly, jejichž pohyby řídí počítač. Upevnění zrcátek a princip jejich vychylování je stejný jako u galvanoměru. Používají se CO₂ lasery o výstupním výkonu 8 až 20 W nebo Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 50 až 100 W. U CO₂ laserů má popisovací pole většinou rozměr 60 x 60 mm a rychlost popisování je maximálně 1 mm.s^-1. U pevnolátkových Nd:YAG laserů má popisovací pole velikost až 260 x 260 mm, rychlost značení je až 4 m.s^-1. Pro přenos paprsku lze použít vláknovou optiku, což umožňuje popisovat součásti také na málo přístupných místech. Při této metodě se dosahuje vysoká kvalita popisu s ohledem na jeho dokonalou čitelnost a kontrast. Významnou předností je vysoká operativnost a rychlost změny psaného textu, neboť jde pouze o provedení změny řídicího programu prostřednictvím počítače, čímž odpadá výroba a výměna masky.

Další možností laserů je vytváření hloubkového popisu, u kterého jsou znaky vytvořeny jednotlivými body a každý bod vytvářející popis má jinou, předem naprogramovanou hloubku. Systém rozdělení hloubek jednotlivých bodů, tj. kód, zná pouze výrobce, takže může velmi snadno rozpoznat padělky od svých výrobků.

5.5.6 Gravírování (mikrofrézování) laserem

Změnou parametrů laseru lze spojitě přecházet od povrchového popisu v několikamikronové hloubce materiálu až po laserové gravírování do větší hloubky. Gravírování se používá pro vytváření jednoduchých i velmi složitých reliéfů, především do kalených ocelí (např. do forem pro stříkání plastů, zápustek apod.), keramických materiálů, dřeva, gumy apod. Podstatou metody je odpařování materiálu v místě, kde působí paprsek laseru. Pro gravírování do kovových a keramických materiálů se používají především Nd:YAG lasery, pro gravírování do dřeva a gumy jsou vhodné CO₂ lasery.

5.5.7 Tepelné zpracování laserem

Tepelné zpracování materiálů laserem je charakterizováno krátkou dobou ohřevu a malým objemem ohřátého materiálu. Metody tepelného zpracování jsou založeny na:

• ohřevu materiálu - žíhání, kalení a popouštění;
• tavení materiálu povrchu součásti - tepelné zpevnění s natavením a amorfizace povrchu;
• odpařování materiálu - rázové zpevnění, založené na mechanismu vypařování.

Kalení laserem je tepelné zpracování kovů, využívající k jejich rychlému ohřevu optické záření laserů. Výhodou oproti jiným způsobům ohřevu je opět možnost lokalizovaného tepelného zpracování i na místech jinými způsoby nepřístupných. Není nutné používat chladicí médium. Zpravidla se používá kontinuálních CO₂ laserů o výkonu několika tisíc wattů. Kalit lze např. vodící plochy, drážku v díře, vnější i vnitřní dosedací plochy apod.

Pro kalení se používá nově vysoce výkonných diodových laserů, které jsou vzhledem ke tvaru emitovaného paprsku (obdélník nebo čtverec) a k rozdělení energie záření v průřezu paprsku velmi vhodné. Prakticky byl diodový laser využit např. pro kalení torzní pružiny, používané u dveřních pantů automobilů.

5.5.8 Nanášení ochranných a otěruvzdorných povlaků laserem

Nanášený materiál (kovy, keramika apod.) je přiváděn do paprsku laseru ve formě prášku nebo drátu. Zde se taví a nanáší na povrch součásti, kde ztuhne. Vznikají pásy naneseného materiálu, které se vzájemně překrývají. Povlak může být vytvořen též reakcí nataveného materiálu s plynem, který je přiváděn do místa ohřevu nebo může být na povrch obrobku předem nanesen vhodný materiál (tvořící povlak) a následně paprskem laseru roztaven (obr. 5.37). Nanesený povlak může mít tloušťku až 1 mm.

Povlak vytvořený laserem má dobrou přilnavost k povrchu obrobku a nemá žádné trhliny. Lze jej nanášet na různé materiály, a to i na velmi tvarově složité součásti. Pro nanášení povlaků se používají CO₂ lasery o výkonu 5 kW, rychlost nanášení je 20 až 100 cm².min^-1.

5.5.9 Soustružení laserem

Pro soustružení obrobků s využitím laseru se používají tři metody:

• obrábění s předehřevem - vychází se z poznatku, že s rostoucí teplotou obráběného materiálu se mění jeho mechanické vlastnosti (snižuje se pevnost a tvrdost, a tím se zlepšuje obrobitelnost). Princip metody spočívá v nasměrování paprsku laseru na obráběnou plochu obrobku bezprostředně před břit řezného nástroje.
• odtavování materiálu z povrchu obrobku: je založeno na intenzivním přívodu tepla na povrch obrobku, který se otáčí proti paprsku laseru. Působením tepla se materiál odtavuje a pomocí asistentního plynu je roztavený materiál odstraňován z místa obrábění.
• odřezávání materiálu dvěma různoběžnými paprsky laseru: dva nezávislé paprsky laseru jsou vzájemně skloněny pod určitým úhlem.

Pro soustružení se používají CO₂ i Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 500 až 2 500 W, resp. 100 až 500 W.

5.5.10 Frézování laserem

Při frézování se používají dva principy, popsané již u soustružení:

• odtavování nebo odpařování materiálu z povrchu obrobku;
• odřezávání materiálu dvěma různoběžnými paprsky laseru.

Pro frézování se používají především CO₂ a Nd:YAG lasery o stejných výstupních výkonech jako pro soustružení. Pracovní parametry jsou při frézování stejné jako při řezání materiálů laserem.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

z.Kerecaninova@rcmt.cvut.cz