Spracovanie materiálov laserom

1 SPRACOVANIE MATERIÁLOV LASEROM
V princípe laser transformuje nejakú externú formu energie (elektrický výboj alebo žiarenie výbojovej lampy alebo laserovej diódy) do svetla jednej vlnovej dĺžky. To je možné dosiahnuť niekoľkými cestami, napríklad laserové médium môže byť plyn alebo pevná látka. Odtiaľ pochádzajú názvy "plynový laser" alebo "pevnofázový laser". V laserovom rezonáte je laserové médium dané medzi dve zrkadlá. Laserové svetlo je odrážané tam a späť medzi zrkadlami a tak dochádza k zosilneniu, pričom časť lúča je emitovaná cez čiastočne reflektujúce zrkadlo. Táto časť lúča je použitá pre laserové spracovanie.
Pre spracovanie materiálov v priemyselných aplikáciách sú používané hlavne dva typy laserov – Nd:YAG laser a CO2 laser. Nd:YAG laser je pevnofázový laser, kde laserové médium je tyč z Ytrium-Aluminium-Granátu dopovaného kovovým neodymom (chemická značka Nd). CO2 laser je typom plynového lasera, v ktorom oxid uhličitý (CO2) je aktívne médium. Nd:YAG lasery poskytujú výstupné výkony až do približne 5kW pre zváranie, značenie, vŕtanie atď. Jednou výhodou žiarenia Nd:YAG laserov je možnosť prenášať laserový lúč cez optické vlákna, ktoré sú ľahko manipulovateľné robotom.
CO2 lasery ponúkajú oveľa vyššie úrovne výkonov až do približne 50kW. Systémy do približne 4kW sú často používané pre laserové rezanie s fokusačnou šošovkou. Ďalej šošovky nemôžu vydržať vyššie výkony lúča, preto sa pre rezanie, zváranie a povrchové spracovanie používajú vodou chladené zrkadlá pri vyšších výkonoch lasera. Proces generovania laserového lúča, proces CO2 lasera, je založený na plynoch pre laser- CO2 , dusík a hélium. Tieto plyny musia byť pravidelne obnovované, s prísne položenými požiadavkami na kvalitu samotného plynu pre CO2 laser a na zásobovací systém. Obidva typy laserov generujú svetlo v infračervenej oblasti, čo znamená, že samotný laserový lúč nie je neviditeľný. Obsluha preto musí používať zodpovedajúce bezpečnostné opatrenia používaním bezpečnostných okuliarov a ďalší pracovníci musia byť chránený krytmi stroja. Počas nastavenia obrobku sa často zapína nízkovýkonový laser vo viditeľnej oblasti spektra pre lepšie nastavovanie.
Mnoho iných typov lasera vyrába široké pásmo vlnových dĺžok, pokrývajúc skoro celé spektrum od infračerveného až po viditeľnú oblasť svetla a ultrafialového rozsahu. Každý z nich ponúka výhody v špecifických aplikáciách.

V spracovaní materiálov však CO2 a Nd:YAG lasery sú dominantné vzhľadom na poskytované výkony laserového lúča. 2 PLYNY PRE LASER
2.1 Zloženie laserových plynov
Plynové lasery potrebujú laserové plyny za účelom generovania laserového lúča. Laserová zmes požadovaná pre prácu CO2 lasera obsahuje 60-85% hélia, 13-55% dusíka a 1-9% CO2 .
Presné zloženie je premenlivé v závislosti na type a výrobcovi lasera. Niektoré typy laserov požadujú tiež malé množstvo ďalšieho plynu ako napríklad kyslík, vodík alebo xenón. Laserové zmesi pre TEA lasery na druhej strane často obsahujú malé percento CO. CO je jedovatý a agresívny, vyžadujúci prídavné bezpečnostné zariadenie v zásobovacom systéme. Laserový plyn potrebný pre Excimer laser pozostáva z 0,05-0,3% halogénu (fluóru alebo chlorovodíka), 1-10% vzácneho plynu (kryptón, xenón alebo argón) a 90-99% vyrovnávacieho plynu (hélium alebo neón). Z bezpečnostných dôvodov je halogén vždy rozriedený héliom alebo neónom.
2.2 Dodávka laserových plynov
Väčšina plynov pre CO2 lasery je dodávaná v osobitných plynových fľašiach a miešané sú v lasery.
Niekedy sú plyny pre CO2 lasery a väčšina TEA laserov objednávané ako zmesi. Plyny pre Excimerové lasery sú dodávané vo zvláštnych fľašiach pre priemyselné aplikácie. Pre medicinálne Excimer lasery sú, na druhej strane, najčastejšie dodávané zmesi v jednej fľaši.
2.3 Čistota laserových plynov
Výrobcovia laserov požadujú v súčasnosti relatívne vysoké čistoty laserových plynov. Nečistoty v laserovom plyne brzdia výkon lasera znížením výstupného výkonu, narušením rovnomernosti elektrického výboja a vyžadujú časté servisné zásahy a údržbu laserovej optiky. Ako najviac nebezpečné nečistoty boli identifikované vodné pary a uhľovodíky. Nečistoty v laserovom plyne však neprichádzajú len zo samotnej plynovej fľaše, ale môžu vojsť cez zle navrhnutý a vykonaný rozvod plynu. Výber vhodných komponentov pre zásobovanie plynom a odborná inštalácia sú preto, pre spoľahlivú a vyhovujúcu prácu lasera, kritické.
3 PLYNY PRE CO2-LASER
CO2 lasery sú v najväčšej miere používané pre spracovanie kovov, t.j. rezanie, zváranie a povrchové spracovanie. Laserové plyny pre CO2 lasery normálne obsahujú zmes hélia, dusíka a kysličníka uhličitého - CO2. Niektoré typy laserov vyžadujú tiež malé množstvo CO, H2 alebo Xe v laserovej zmesi. Zloženie laserovej zmesi je rôzne v závislosti na type lasera, výkone a výrobcovi. Laserové plyny sú obvykle dodávané v jednotlivých plynových fľašiach alebo zmiešané v jednej fľaši.

Nečistoty v laserovej zmesi môžu znižovať výkonnosť CO2 laserov znížením výstupného výkonu, nestabilným elektrickým výbojom alebo zvýšením spotreby laserových plynov. Ďalej nečistoty napádajú vnútornú optiku, napríklad vytváraním kondenzátu na chladenej optike a zmenou reflektivity. Výsledkom je, že väčšia časť laserového lúča je absorbovaná optikou a tým ju poškodí. Samozrejme, tento proces štartuje veľmi pomaly a môže byť kompenzovaný až do určitého rozsahu zmenou nastavenia stroja až kým sa systém nezrúti. Nákladné opravy môžu byť nepríjemným následkom, ale náhle prestoje a oneskorenie výroby bude skutočná "bolesť hlavy".

Ako výsledok hodnotenia laserových plynov nie je možné zvažovať len celkovú čistotu, ale aj typ a množstvo nečistôt, ktoré zostávajú vo fľašiach. Už pred niekoľkými rokmi bola dobre známa skutočnosť, že vodná para a uhľovodíky sú najviac škodlivé nečistoty pre vysokovýkonové lasery a preto množstvo vodných pár a uhľovodíkov v laserovom plyne musí byť minimalizované. Ale je aj možné kontaminovať pôvodne čistý laserový plyn v plynových fľašiach na ich ceste do lasera, ak je použitý neštandartný systém napájania plynmi. Predstavte si, čo všetko zlé môže urobiť zlý materiál hadičiek s vašimi čistými laserovými plynmi!
4 PLYNY PRE ZVÁRANIE LASEROM
Laserové zváracie plyny sú používané pre laserové zváranie a povrchové spracovanie. Nahriaty povrch materiálov a tavný kúpeľ musia byť chránené pred reakciou s okolitým vzduchom. Ďalej pre vysoko-výkonové CO2 – laserové zváranie je požadované riadiť formovanie rozširujúcej sa plazmy. Principiálne zváracie plyny pre CO2-laserové zváranie sú hélium a hélium – argónové zmesi. Hélium je požadované ako komponent za účelom riadenia formovania plazmy nad "kľúčovou dierkou". Argón má tendenciu podporovať vytváranie plazmy a preto by nemal byť používaný s laserovými výkonmi nad 3 kW. Pre hliník je zásadne doporučovaná zmes hélium – argón.
Pre niektoré aplikácie sa používajú zmesi argónu s kyslíkom alebo CO2, ale aby sa predišlo rozšírenému vytváraniu plazmy, CO2 nesmie byť vedené cez centrálnu dýzu. Pre vyššie laserové výkony zmes hélium/kyslík umožňuje vyššiu produktivitu s akceptovateľnou kvalitou zvaru. Argón/vodík dovoľuje vysokú produktivitu a vytvára stabilnú zvarovú húsenicu na zváranej nehrdzavejúcej oceli. Musí sa však zisťovať, či vodík nespôsobuje krehnutie feritických ocelí. Plyny a zmesi sú dodávané vo fľašiach. Najlepším plynom pre zváranie Nd:YAG laserov je argón, hoci N2 a CO2niekedy tiež vytvárajú akceptovateľné zvary (CO2 zvary sú zásadne zľahka oxidované).

Ak je požadovaná náležitá ochrana zvaru, hélium nie je preferovaným plynom, nakoľko vysoký prietok veľmi ľahkého plynu v porovnaní s argónom spôsobuje turbulencie vo zvarovom kúpeli.
4.1 Ochranné plyny pre povrchové spracovanie
V princípe, ochranné plyny pre povrchové spracovanie sú obdobné ako pre laserové zváranie. Vzácne plyny úplne chránia povrch od atmosféry, t.j. argón a hélium. Niekedy môže byť použitý aj dusík. Argón/vodíkové zmesi vytvárajú vysokokvalitné zvarové húsenice, spôsobené dobrou ochranou a schopnosťou vodíka riadiť plazmu.
4.2 Preplachovací plyn pre dráhu laserového lúča
Dráha laserového lúča obsahuje zrkadlá vedúce laserový lúč do priestoru procesu. Nečistoty v dráhe lúča sami ovplyvňujú laserový lúč, t.j. rozširujú lúč a môžu tiež vytvárať kontamináciu na vodou chladených zrkadlách. Argón, kyslík, vodné pary a uhľovodíkové nečistoty ovplyvňujú lúč a optiku a treba tomu predchádzať. Laserový, rezací dusík alebo laserový dusík sú doporučené pre preplachovanie dráhy lúča, spotreba: 2,0-5,0 m3/h.
5 INŠTALÁCIA PLYNOVÝCH ROZVODOV
5.1 Armatúry a inštalácie
Vysoko čisté plyny vyžadujú adekvátne plynové rozvody. Najdôležitejšie faktory, s ktorými sa musí počítať pri adekvátnych plynových rozvodoch sú:
- materiál potrubného rozvodu
- typy spojov potrubného rozvodu
- typ a kapacita regulátorov (redukčných ventilov)
5.2 Regulátory pre laserové plyny, rezací plyn kyslík a zváracie plyny
Vysokočisté regulátory s kovovou membránou a mosadzným telesom. V porovnaní so štandartnými zváracími regulátormi sú tam niektoré výhody v používaní vysoko čistých regulátorov. Membrány sú vyrobené z kovu (Hasteloy) namiesto gumy, ktorá nie je odolná difúzii. Naviac výrobný postup pre vysokočisté regulátory je prísnejší, vyplývajúci do lepšej presnosti regulátorov. Celkove, reprodukovateľnosť a funkcie schopnosť vysoko čistých regulátorov je lepšia ako u štandartných regulátorov. Pre laserové plyny sú často požadované od výrobcov laserov 2-stupňové regulátory. To môže byť ponúknuté v jednom bloku alebo v samostatných blokoch, napríklad jednostupňový regulátor na vysokotlakej strane a jednostupňový regulátor na odbernom mieste. Pre laserové rezanie hrubých konštrukčných ocelí musí byť tlak kyslíka redukovaný pod 1 bar. Proces je preto vysoko citlivý na zmenu tlaku, a preto by mali byť použité 2-stupňové regulátory pre napájanie laserového rezacieho kyslíka poniže 1 baru.
5.3 Regulátory pre rezací plyn dusík
Regulátory s vysokou kapacitou a konštantným výstupným tlakom. Požiadavky na čistotu pre laserový rezací plyn dusík nie sú až také vysoké ako požiadavky na kvalitu laserových plynov. Vplyvom veľkého prietoku plynu je riziko znečistenia rezacieho dusíka relatívne malé. Výstupný tlak vysokotlakých regulátorov by mal byť vyše 30 bar.

Kapacita má byť najmenej 50 m3/hod – súčasné aplikácie už požadujú až do 150 m3/hod a viac.
5.4 Uvoľňovacie zariadenie
Každý vysokotlaký regulátor by mal mať možnosť uvoľňovania. Počas výmeny fliaš, vysokotlaková hadica je otvorená voči atmosfére a prach a vlhkosť a plyny vstupujú do napájacieho systému. Pred pripojením čerstvej fľaše k napájaciemu systému, musia byť tieto nečistoty vypláchnuté niekoľkými uvolneniami (preplachmi).
5.5 Filtre nečistôt
Filtre nečistôt by mali byť nainštalované na mieste použitia. Filtre nečistôt chránia laserový systém pred vniknutím častíc, častice môžu prísť z inštalácie plynového napájacieho systému. Ak nie sú inštalované filtre, musia byť tieto častice kompletne vypláchnuté dusíkom predtým, ako sa plynový napájací systém pripojí k laseru.
5.6 Materiál rozvodov
Nerezové a medené trubky bez oleja a mazadiel. Kovové rozvody zabezpečujú najvyšší odpor proti preniknutiu nečistôt a znečisteniu čistých plynov.
5.7 Dimenzovanie trubiek
Minimálny priemer pre:
• laserové plyny: 8 mm x 1 mm
• rezacie plyny: 12 mm x 1 mm - O2, 18 mm x 1 mm - N2
• zváracie plyny: 8 mm x 1 mm

Priemer trubiek je určený hlavne požadovaným prietokom plynu, ale tiež dĺžkou systému, počtom fitingov, ohybov atď., spôsobujúcich tlakové straty.
5.8 Spoje potrubného rozvodu
Nerezové trubky by mali byť zvárané orbitálne TIG-om a preplachované formovacím plynom počas zvárania. Medené trubky by mali byť spájkované za pomoci formovacieho plynu, počas spájkovania za účelom zamedziť vytváraniu oxidov medi v trubkách.
Oxidy medi ničia optiku a elektródy v rezonátore. Pre nerezové a medené spoje sú tiež doporučované fitingy SWAGELOK. Štandartným skrutkovacím fitingom tesnených teflónom sa treba vyhnúť.
5.9 Hadicový materiál
Hadice vôbec nie sú najlepším riešením. Hadice nie sú difúzne nepriepustné, ako kovové trubky. Ak sa nedá vyhnúť hadiciam, je polyetylén preferovaný materiál pre hadice.