Laserové technologie v praxi

25.11.2010
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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 praktické části je podmíněn úspěšným složením zkoušky
za LS s důrazem na bezpečnost práce s lasery.
3
25.11.2010
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 = (E2 –E1) / h
25.11.2010
Vlnová délka záření λ = c / f
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
25.11.2010
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
ÚČINNOST : 3 – 30 % podle typu laseru
zrcadly
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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. TEM00 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
25.11.2010
1.5. Vedení laserového svazku na místo zpracování
Fokusace optickou čočkou
D foc = F
BPP
MD0
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 D0, který může
být před fokusací zvětšen expanderem M-krát
8
25.11.2010
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
25.11.2010
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
lidské činnosti.
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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)
Střední a daleké IČ
(1400 nm – 1 mm)
+
střední UV
(180 nm -315 nm)
Blízké UV
(315 nm – 390 nm)
Ohrožení
sítnice
(retina)
Ohrožení rohovky
(cornea)
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
25.11.2010
1.7. Bezpečnost práce s lasery
Ochranné pomůcky a zařízení:
1. Výstražné tabulky
2. Mechanické zábrany
3. Elektronické zábrany
4. Ochranné brýle
5. Ochranná sluchátka
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 zákonů č.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
25.11.2010
2.1. Interakce laserového záření s látkou
A+T+R=1
Absorpce, transmise, reflexe
Rt0 = 80 – 90 %, Rt1450 = 20 – 10 %
Povrchová stopa = tepelný zdroj
Efotonů = Qztráty + Etepelná
C
∂  ∂T  ∂  ∂T  ∂  ∂T 
∂T
ky
 + kz
=
kx
+
 + Q (x, y , z,τ )
∂τ ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z 
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, nepatrná část 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
25.11.2010
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.
Interakční čas 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
25.11.2010
2.2. Klasifikace laserových technologií
Řezání a vrtání
Značení - popis
Povrchové úpravy
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
25.11.2010
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
Fokusační čočka F = 100 mm
Fokusace svazku
Dfoc = 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. Optické čerpání 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
25.11.2010
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
25.11.2010
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
Model obsahu
feritu v nataveném
vzorku
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 103 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
25.11.2010
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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
25.11.2010
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 CO2 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
25.11.2010
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
25.11.2010
2.5. Exkurze do strojírenských firem – laser job shops
LASER- Tech s.r.o. – založena roku 1991, nabízí laserové řezání 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 CO2 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
25.11.2010
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 CO2 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 CO2 laseru s
podélným prouděním plynu – aktivního prostředí.
Jako alternativa k laserovým technologiím byli studenti seznámení s řezáním
vodním paprskem firem FLOW a PTV, který je využíván hlavně pro sklo,
keramiku a kámen, v případě kovů umožňuje řezání kosých hran.
30