Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej Zakład Obróbki Skrawaniem	Techniki wytwarzania
Nazwisko i imię: Kędzierski Kamil		Semestr 6		Wydział WFT	Kierunek FT		Grupa lab. 3
Temat ćwiczenia: Skoncentrowane źródła energii w obróbce użytkowej - obróbka laserowa
Data wykonania ćwiczenia: 28,04,2008			Data i podpis prowadzącego:			Ocena:

Podstawy teoretyczne funkcjonowania urządzenia laserowego zostały określone przez Alberta Einsteina na początku XX w., ale do końca lat 60-tych nie znalazły praktycznego zastosowania. Dopiero stworzenie w latach 70-tych urządzeń do obróbki materiałów otworzyło drogę do szerokiego wykorzystania laserów.

Laser przekształca pewną zewnętrzną formę energii (wyładowanie elektryczne, promieniowanie lampy błyskowej lub diody laserowej) w promieniowanie świetlne o jednorodnej długości fali. Medium (ośrodkiem) laserowym może być gaz lub ciało stałe, stąd te dwa rozwiązania stosowane są w konstruowanych współcześnie urządzeniach. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.
Laser składa się z trzech podstawowych grup elementów. Są to: komponenty optyczne, elektroniczne oraz źródło światła (rezonator).

Do komponentów optycznych lasera zaliczamy:

- soczewki

- lustra

- beam expander

W skład elektroniki wchodzą elementy sterujące pracą lasera, układem luster oraz oprogramowanie (interfejs).  

Drogę promienia lasera od rezonator bezpośrednio `na produkt', pokazano niżej.

 

 

W przemyśle stosowane są dwa podstawowe typy laserów: lasery Nd:YAG, i lasery CO2. Lasery Nd:YAG są laserami, w których medium laserowym jest ciało stałe - pręt o kompozycji: itr-aluminium-granat z uszlachetniającym dodatkiem neodymu (Nd). Lasery CO2 są laserami gazowymi, gdzie CO₂ jest gazem generującym promieniowanie.
Lasery Nd:YAG dają moc do ok. 5kW. Stosowane są do spawania, wiercenia, znakowania itp. Tego typu lasery dają możliwość przesyłania promienia za pomocą tzw. miękkiej optyki, co umożliwia np. operowanie wiązką przez robota przemysłowego.
Lasery CO2 zapewniają znacznie większą moc - do 50kW. Lasery tej konstrukcji wykorzystywane są głównie do cięcia, ale również do spawania i obróbki powierzchni. W laserach o mocy do 4kW wiązka laserowa skupiana jest za pomocą soczewki, a w laserach o wyższej mocy, ze względu na ograniczoną wytrzymałość termiczną soczewek, za pomocą lustra chłodzonego wodą.
Oba typy laserów emitują światło w zakresie podczerwieni, co oznacza, że promień laserowy jest niewidoczny. Operator musi więc zachować odpowiednie środki ostrożności i stosować okulary ochronne. Chronione muszą być również inne osoby pracujące w pobliżu urządzenia.
Istnieją lasery, które wytwarzają szeroki zakres promieniowania od podczerwieni przez światło widzialne do ultrafioletu. Każdy z nich posiada swoje zalety lecz w przemyśle do obórki materiałów dominującą rolę odgrywają lasery CO2 i Nd:YAG z racji oferowanej wysokiej mocy wiązki.

Sukces w obróbce materiałów za pomocą lasera w istotny sposób zależy od gazów.

Nie chodzi tu tylko o właściwą jakość samych gazów, ale również o jakość wykonania

instalacji zasilającej, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowanej armatury redukcyjnej. Wysoki stopień czystości gazów do laserów CO2 ma decydujący wpływ na moc wyjściową wiązki lasera, koszty eksploatacji oraz niezawodność pracy urządzenia. W przypadku laserowych procesów cięcia, spawania i obróbki powierzchni, system zasilania w gazy gwarantujący właściwą ilość gazu i odpowiednie ciśnienie, wpływa na niezawodność procesu i na efektywność ekonomiczną.

Lasery przemysłowe obecnie wykorzystuje się w bardzo wielu dziedzinach takich jak poligrafia, medycyna, telekomunikacja, technologie wojskowe czy obróbka materiałów.

Laserową obróbkę materiałów można podzielić na cięcie, spawanie i obróbkę powierzchni.

Cięcie laserowe

Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna i ceramiki. Istotnym elementem procesu cięcia jest gaz tnący. Wybór gazu zależy od obrabianego materiału, wymaganej jakości i prędkości cięcia jak również ekonomiki procesu. Podczas cięcia gaz usuwa ze szczeliny ciekły metal i produkty spalania. W pewnych przypadkach reaguje egzotermicznie z ciętym materiałem, powodując przyspieszenia procesu cięcia. Chłodzi także krawędzie zmniejszając rozmiary SWC, chroni dyszę i soczewkę przed zanieczyszczeniem gazowymi produktami spalania.
Cięcie stali niestopowych i niskostopowych z zastosowaniem tlenu jako gazu tnącego jest procesem egzotermicznym. Zachodząca reakcja dostarcza 40% energii potrzebnej do procesu, pozostałe 60% dostarcza promień lasera. Ciśnienie tlenu tnącego przy cięciu tego typu stali nie przekracza 6 bar. Cięcie wysokociśnieniowe z zastosowaniem tlenu do 20 bar stosowane jest dla takich materiałów jak brąz. Przepływ tlenu tnącego zależy od ciśnienia i średnicy dyszy. Dla cięcia niskociśnieniowego jest to przedział 20-110 l/min. Prędkość cięcia jest bardzo duża i sięga nawet 10 m/min.

Gdy do cięcia stosujemy gaz obojętny np. azot, cała energia musi pochodzić od promienia laserowego. Wymagana jest więc większa moc urządzeń. Taką metodę stosujemy do cięcia stali wysokostopowych. Tutaj materiał jest topiony przez promień i wydmuchiwany przez strumień gazu obojętnego. Ciśnienie gazu tnącego jest zdecydowanie większe niż przy cięciu tlenem. Ciśnienie azotu wynosi 5-25 bar. Konsekwencją większego ciśnienia jest też większe zużycie gazu. Wynosi ono od 100-600 l/min. Średnice dysz tnących są również większe.

Spawanie laserowe

Do spawania używane są zarówno lasery CO2 jak i Nd:YAG. Lasery CO2 dużej mocy (2-12kW) są stosowane do spawania karoserii samochodowych, elementów przekładni, wymienników ciepła. Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Głównym obszarem ich zastosowania jest łączenie elementów karoserii samochodowych.
Proces spawania prowadzi się dwoma sposobami. Dla spawania laserami Nd:YAG małej mocy charakterystyczne jest nagrzewanie powierzchni łączonych części, a ciepło wnika w głąb dzięki przewodności cieplnej materiału. Tak wykonuje się płytkie spoiny.
Spawanie laserami CO2 dużej mocy odbywa się metodą “z oczkiem”. Taki sposób ułatwia wnikanie energii lasera głęboko w materiał. W ten sposób powstają grube i wąskie spoiny. Spawanie “z oczkiem” nazywa się też spawaniem z głębokim wtopieniem.
Podobnie jak w innych metodach spawania również i w tym przypadku jeziorko spawalnicze musi być chronione przed szkodliwym wpływem powietrza atmosferycznego. Ważne jest by kontrolować ilość plazmy tworzącej się nad powierzchnią jeziorka spawalniczego. Dotyczy to szczególnie spawania z wykorzystaniem laserów CO2. Podstawowymi gazami osłonowymi dla laserów CO2 są hel i mieszanki helu z argonem. Hel dzięki dużemu potencjałowi jonizacji ułatwia kontrolę tworzenia się plazmy, argon przeciwnie, dlatego nie stosuje się go z laserami o mocy powyżej 3 kW.
Do spawania aluminium zalecane są mieszanki helu z argonem.
W niektórych zastosowaniach sprawdzają się mieszanki argonu z tlenem lub CO₂. W laserach dużej mocy wykorzystuje się mieszanki helu z tlenem. Zapewnia to wysoką wydajność procesu z zachowaniem odpowiedniej jakości. Do spawania stali austenitycznych stosowane są również mieszanki argonu z wodorem. Uniwersalnym gazem osłonowym wykorzystywanym z laserami Nd:YAG jest argon. Używane są też dodatki azotu i CO₂. Z uwagi na małą moc lasera stosowanie helu jest nieekonomiczne.

Laserowa obróbka powierzchni

Duża moc promienia laserowego umożliwia osiąganie bardzo wysokich temperatur w krótkim czasie. Pozwala to na stosowanie tych urządzeń nie tylko do procesów spawania i cięcia, ale takżewiercenia i obróbki powierzchni.

Mikrowiercenie
Impulsy promienia laserowego pozwalają odparowywać kolejne warstwy materiału. W ten sposób można wykonywać (wiercić) bardzo precyzyjne otwory o średnicy mniejszej niż 0,1mm. Laserami stosowanymi do wiercenia są lasery Nd:YAG. Gazami towarzyszącymi w tym procesie są tlen, argon lub sprężone powietrze.

Utwardzanie powierzchni (hartowanie)
Promień lasera przesuwając się po powierzchni np. stali ferrytycznej nagrzewa w krótkim czasie cienką warstwę materiału do temperatury przemiany austenitycznej. Po przejściu promienia ciepło jest gwałtownie odprowadzane w głąb materiału dzięki czemu na powierzchni powstaje twarda struktura martenzytyczna. Należy unikać nadtapiania powierzchni gdyż może to powodować konieczność przeprowadzenia obróbki mechanicznej. Do ochrony przed utlenianiem w czasie procesu stosuje się gazy osłonowe, głównie argon lub azot.

Platerowanie
Proces jest wykorzystywany do nakładania powłok w celu zwiększenia odporności na zużycie mechaniczne lub korozyjne. Metoda znalazła zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym.

Znakowanie
Laserem możemy znakować prawie wszystko. Począwszy od materiałów organicznych, poprzez tworzywa a skończywszy na bardzo twardych metalach.

Lasery gazowe (CO2) stosowane są głównie do znakowania na podłożach `lekkich'. Do podłoży lekkich można zaliczyć: drewno, szkło, papier, karton, skórę oraz inne podłoża organiczne. Niestety znakowarki CO2 nie pozwalają znakować nam na metalach (ze względu na stosunkowo małą moc). Jednym wyjątkiem znakowania laserem CO2 małej mocy są metale powlekane, np. aluminium anodowane. W przypadku metali powlekanych, nie dochodzi do bezpośredniej ingerencji w metal; usuwana jest tylko warstwa farby.
Do znakowania na metalach, gęstych tworzywach oraz powierzchniach, które charakteryzuje duży procent odbicie stosowane są lasery Nd:YAG.

Znakowanie laserem to głównie ingerencja w podłoże. Ingerencja ta może przyjmować różne formy. Podstawowe `typy' znakowania przedstawiono na ilustracji poniżej.

 

źródła:
http://www.linde.com/international/web/lg/pl/likelgpl.nsf/0/B825A4A0044B7307C1256AFC00429E25
http://pl.wikipedia.org/wiki/Laser#Zasada_dzia.C5.82ania
http://www.laserforum.pl/

---