Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I



Yüklə 0,64 Mb.
səhifə4/9
tarix06.03.2018
ölçüsü0,64 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

lézer: olyan eszköz, amely a 180 nm-től 1 mm-ig terjedő hullámhossztartományban elektromágneses sugárzást képes létrehozni indukált emisszió révén

sugárzott energia (Q): sugárzás formájában kibocsátott, felvett vagy átvitt energia, mértékegysége: J

sugárzott teljesítmény (F): sugárzás formájában kibocsátott, felvett vagy átvitt teljesítmény, mértékegysége: W

sugársűrűség (L): a sugárzó felszín egységnyi felületéről a Q irány körüli egységnyi térszögben kisugárzott teljesítmény

, mértékegysége: Wm-2-sr-1

integrált kisugárzás: adott expozíciós időtartam alatt egységnyi sugárzó felületről egységnyi térszögbe kisugárzott energia, mértékegysége: Jm-2sr-1

besugárzott felületi teljesítmény: a felület egy pontjában a pontot tartalmazó felületelemen áthaladó sugárzott teljesítmény és a felületelem területének hányadosa

, mértékegysége: Wm-2

besugárzási vagy expozíciós időtartam (t): impulzus, impulzusvonulat vagy -sorozat, illetve folytonos sugárzás azon időtartama, amíg lézersugárzás éri az emberi testet

folytonos lézer: a lézersugárzás időtartama nagyobb, mint 0,25 s

impulzusüzemű lézer: a lézer az energiát egyetlen, 0,25 s-nál rövidebb impulzus vagy impulzusok sorozata formájában adja le

besugárzottság (H): egy felület adott pontjában a felületegységre jutó sugárzott energia

, mértékegysége: Jm-2

határolónyílás: olyan kör alakú nyílás, amelynek területére a besugárzott felületi teljesítményt és a besugárzottságot átlagoljuk

határlátószög (amin): a lézerforrás vagy szórt visszaverődés szemmel érzékelt azon látószögértéke, amely alapján a nyalábszerű és a kiterjedt forrás megkülönböztethető (az átlagos emberi szem felbontóképességét 1 ívpercnek szokás venni)

kiterjedt forrás: olyan sugárforrás, amelynek szemmel érzékelt látószöge nagyobb, mint a határlátószög. A forrás lehet olyan nyaláb, amelyet akár közvetlenül, akár közvetett módon, tükröződés vagy szórt visszaverődés útján szemlélnek.

nyalábátmérő: Gauss-nyaláb esetén a nyalábátmérő a sugárzási kúp bármely keresztmetszetéhez tartozó azon kör átmérője, melynek kerületén a teljesítmény (vagy energia) a legnagyobb érték e-ed részére csökken

legnagyobb megengedett expozíció (LME): az a legnagyobb lézersugárzási szint, amely üzemi körülmények között az ott tartózkodó személyeket még nem veszélyezteti, a szemet vagy a bőrt nem károsítja; értéke függ a sugár hullámhosszától, az expozíciós időtől, a szöveti érzékenységtől és a recehártyán keletkező kép méretétől

megengedett kisugárzási határérték (MKH): adott osztályú lézergyártmányra megengedett legnagyobb kisugárzási szint, mértékegységei: W, J, Wm-2, Jm-2, Wm-2sr-1, Jm-2sr-1

nyalábba nézés: olyan látóhelyzet, amikor a szemet kiterjedtnek nem tekinthető forrásból (pl. pontszerű forrás vagy párhuzamosított nyaláb) eredő sugárzás éri

szemre veszélyes névleges környezet (SzVNK): olyan terület, amelyen belül a besugárzott felületi teljesítmény vagy a besugárzottság meghaladja a szaruhártyára megengedett legnagyobb expozíciót. Ha az optikai segédeszközön keresztüli nézés lehetőségét is figyelembe vesszük, kiterjesztett SzVNK-ról beszélünk.

szemre veszélyes névleges távolság (SzVNT): olyan távolság, amelyen a besugárzott felületi teljesítmény vagy a besugárzottság a szaruhártyára megengedett legnagyobb expozícióval egyenlő. Az előzőhöz hasonlóan beszélhetünk kiterjesztett SzVNT-ről is.

5.2. A lézersugarak osztályba sorolása

A lézerberendezéseket az általuk kisugárzott teljesítmény vagy energia, az általuk előállított besugárzott felületi teljesítmény vagy besugárzottság, illetve az integrált kisugárzás vagy sugársűrűség alapján soroljuk osztályokba.

1-es osztályú lézerberendezés

Azokat a veszélytelen lézereszközöket soroljuk ide, melyek nem bocsátanak ki az 1.5.2.1. táblázatban megadott határértékeket meghaladó sugárzást.

1.5.2.1. ábra



1M-es osztályú lézerberendezés

A 302,5-től 4.000nm-ig terjedő hullámhosszúságú lézersugarak. Az emberi szemre nem veszélyesek, kivéve ha a sugárzás keresztmetszetét csökkentő optikai eszközből érkeznek (pl. nagyító, lencse, távcső, mikroszkóp stb.).



2-es osztályú lézerberendezés

Ez az osztály a 400-700 nm hullámhossztartományban működő lézerekre vonatkozik. Rövid idejű (t < 0,25 s) besugárzás esetén az emberi szemre sem veszélyes. A 400-700nm tartományon kívüli sugárzásokra az 1-es lézerosztály előírásai érvényesek.



2M-es osztályú lézerberendezés

Ez az osztály a 400-700 nm hullámhossztartományban működő lézerekre vonatkozik. Rövid idejű (t < 0,25 s) besugárzás esetén az emberi szemre sem veszélyesek, kivéve ha a lézersugarak a sugárzás keresztmetszetét csökkentő optikai eszközből érkeznek. A 400-700nm tartományon kívüli sugárzásokra az 1-es lézerosztály előírásai érvényesek.



3A osztályú lézerberendezés

Erre az osztályra a megengedett kisugárzási határértékek (MKH) az 1.5.2.2. táblázatban láthatók. A 400-700 nm hullámhossztartományban működő lézerek, és rövid idejű (t < 0,25 s) besugárzás esetén az emberi szemre nem veszélyesek, kivéve ha a lézersugarak a sugárzás keresztmetszetét csökkentő optikai eszközből érkeznek. Ekkora sugárzási szintek még a fénytávközlésben is előfordulnak.

1.5.2.2. ábra



3B osztályú lézerberendezés

Az ilyen eszközök folytonos üzemben legfeljebb 0,5W teljesítményt bocsáthatnak ki. Az impulzusüzemmódra vonatkozó határértékeket az 1.5.2.3. táblázat tartalmazza. Az ilyen nyalábba való nézés mindig veszélyes.

1.5.2.3. ábra



4-es osztályú lézerberendezés

Az ide sorolt berendezések teljesítménye meghaladja a 3B osztályú eszközökre megengedett határértékeket. Ilyen teljesítmény már bőrkárosodást és tüzet is okozhat. A szórt visszaverődés is káros a szemre.

5.3. Az osztályba soroláshoz szükséges vizsgálatok

A vizsgálatokat a készülék gyártójának vagy forgalmazójának kell elvégeznie (vagy elvégeztetnie). A mérések során minden körülményt úgy kell beállítani, hogy mind az üzemszerű, mind a hibás működést figyelembe véve előforduló legnagyobb szinteket mérhessük meg (maximális kimenő teljesítmény, tranziensek, legnagyobb intenzitású irányok megkeresése, hatástalanított biztonsági reteszek stb.). Még a szándékos lézersugárba nézés lehetőségét is figyelembe kell venni. A vizsgálatok során figyelembe kell venni a mérési eljárások hibáit és statisztikai bizonytalanságait, valamint a berendezés öregedése során bekövetkező sugárzásnövekedést és a sugárbiztonság csökkenését.



Az osztályozás

Az osztályba soroláshoz szükséges mérések alapján a fentiekben ismertetett határértékek szerinti besorolást is a gyártó vagy forgalmazó végzi (végezteti) a következők szerint.

Az egy hullámhosszon sugárzó berendezést abba az osztályba kell sorolni, amelynek kisugárzási határértékeit nem lépi túl. Ahol kétféle korlátozás is van, legalább az egyiket teljesíteni kell.

Ha a kettő vagy több hullámhosszúságú sugárzás hatásai az 1.5.2.2. és az 1.5.2.3. táblázat szerint összegezhetők, akkor az egyes hullámhosszakhoz tartozó intenzitásokat a rájuk vonatkozó MKH reciprokával súlyozva összegezni kell. A berendezés abba az osztályba tartozik, ahol az összeg nem haladja meg az 1-et. Ha a hatások nem összegezhetők, a készüléket abba az osztályba kell sorolni, ahol egyik hullámhosszon sem haladja meg a MKH-et.

5.4. Példák az osztályba sorolás indokaihoz

Mint a lézersugarak veszélyességi osztályba sorolásánál láttuk, a lézersugarak az emberi szemre a legveszélyesebbek. Ennek oka az emberi szem szerves anyagainak tulajdonságaiban keresendők (1.5.4.1. ábra). A szem egyes részeinek eltérő optikai tulajdonságai vannak.

1.5.4.1. ábra

Az eltérő hullámhosszúságú sugarak kölcsönhatása a szerves anyagokkal eltérő. Jól szemlélteti ezt az 1.5.4.2. ábra.

1.5.4.2. ábra Forrás: Trumpf

Az alapvető problémát az jelenti, hogy a szem a látható és a közeli infravörös (IRA; NIR) sugárzást a retinára fókuszálja, vagyis nő a sugárzás intenzitása, teljesítménysűrűsége. A látóidegek a retinánál vannak, rendkívül kis keresztmetszetű vérerekkel behálózva. Nagyon könnyen károsodhat a szövet, de a vér alkotói is (pl. a hemoglobin), ami a vérerek elzáródásához vezethet, ideiglenes vagy végleges vakságot eredményezve attól függően, hogy az elzáródás idővel felszívódik, vagy sem. Vannak esetek, melyek a szövet látszólagos gyógyulását eredményezik, a látás teljes visszanyerése azonban már nem lehetséges (1.5.4.3. ábra).

1.5.4.3. ábra

Az élő szövet és a lézersugár kölcsönhatásának vannak gyógyító jellegű vonatkozásai, amit az orvostudomány egyre intenzívebben kihasznál. Ugyanezt teszi a kozmetikai ipar is. Ezek mind kis teljesítményű és teljesítménysűrűségű lézersugarak. Növelve a teljesítménysűrűséget (fókuszálva a lézersugarat) más, visszafordíthatatlan hatások is bekövetkeznek (1.5.4.4. ábra).

1.5.4.4. ábra

Az 1.5.4.4. ábra a valóságot leegyszerűsítve mutatja be, hiszen nem veszi figyelembe a lézersugár elnyelődésének úthosszát, vagyis hogy milyen mélyre hatol a lézersugár az emberi szövetben. Az 1.5.4.5. ábrán már ezt is figyelembe vesszük.

1.5.4.5. ábra

UVC (100–280 nm) → erős abszorpció a felszíni hámrétegben

UVB (280–315 nm) → bőrpír a kapilláris erek kitágulása miatt; határérték: ~0,1 J/cm2

UVA (315–380 nm) → a bőr direkt pigmentesedése; határérték: ~10 J/cm2

Látható (380–780 nm) → legnagyobb behatolóképesség, fotokémiai reakciók, hőhatások

IRA (780–1400 nm) és IRB (1400–3000 nm) → csökkenő behatolási mélység, erős hőhatás

IRC (3000 nm – 1 mm) → elnyelődés a bőrfelszínen, erős hőhatás, égés

Végezetül hasonlítsuk össze egy 100W-os hagyományos izzó (villanykörte) és egy 1mW-os lézerfény hatását a retinára. A lézersugár alapvető tulajdonságaiból kiindulva, a jó fókuszálhatósága miatt a szemlencse lényegesen kisebb foltot eredményez a retinán. Mivel a fény intenzitása exponenciálisan nő a foltátmérővel, a hatás tízmilliószoros, pedig a szemre jutott teljesítmény csak százezred résznyi volt (1.5.4.6. ábra).

1.5.4.6. ábra

A lézersugár károsító hatásaival szemben védő eszközök tárháza óriási. Néhány évtized alatt a semmiből külön erre specializálódott iparág nőtt ki. Elegendő az interneten néhány kulcsszót begépelni: „laser safety”, „laserschutz”, „lézersugár-védelem”.

A lézersugárral kapcsolatos szabályok egyesek szemében talán túl szigorúnak tűnnek. A valóságban a potenciális veszélyhelyzetek miatt nem lehetünk elég körültekintők. A viccesnek szánt szófordulat szerint kétféle lézeres van: akit már megégetett a lézersugár és akit majd fog. Kellő figyelemmel persze mind a kettő elkerülhető (1.5.4.7. ábra).

1.5.4.7. ábra Forrás: Trumpf
2. fejezet - A lézersugaras vágás

A lézersugár alkalmazásának történetében a nagy áttörést a lézersugaras vágás technológiájának kidolgozása hozta. Ugyan nem ez volt az első műszaki alkalmazás, de ez hozta az első széles körű alkalmazási lehetőséget. Korábban az egyenes vonalú vágást lemezollóval, a többit kivágószerszámokkal oldották meg (pl. nibbelés). Mind a kettőnek volt és van gépesített megvalósítása, amit ma is alkalmaznak. Amikor egy vágási feladatot kell megoldani, érdemes végiggondolni, hogy a hagyományos vagy a lézersugaras technológiát érdemesebb alkalmazni. Az „érdemesebb” alatt a gazdaságosságot, a lehetőségeket és a reális műszaki elvárásokat kell érteni. A lézersugaras technológiák elterjedésével persze számos olyan technikai lehetőség vált elérhetővé, amit hagyományos módszerekkel nem lehet megvalósítani. Ezekben az esetekben természetesen nincs min gondolkodni, lézersugárral kell vágni.

1. A lézersugaras vágás alapjai

A lézersugaras vágást legelterjedtebben fémes anyagok esetén alkalmazzák, minden esetben fókuszált lézersugárral, annak érdekében, hogy a lézersugár intenzitása kellően nagy legyen. Az első jellegzetes különbség a lemezollós vágáshoz képest, hogy ebben az esetben a vágás folyamatát nem kell a lemez szélétől kezdeni. Mint később látni fogjuk, a lemez szélétől induló vágást egy kicsit nehezebb megvalósítani, mint a felület egy tetszőlegesen kiválasztott pontjától indulót.

Arra mindenkor legyünk figyelemmel, hogy a vágás folyamata hőhatáson alapul (termikus vágás), és arra is, hogy a lézersugár a fémes anyagba csak nagyon kicsi, a lemezek vastagságánál lényegesen kisebb mélységig hatol be. A vágás tehát a lemez átlyukasztásával kezdődik (2.1.1. ábra). Legyünk figyelemmel még arra, hogy a lyukasztás lézersugárral és a lézersugaras fúrás nem azonos jelentésű. A fúrás a tananyag későbbi részében szerepel.

A 2.1.1. ábrán az átlyukasztás folyamatának öt egymást követő jelenségét láthatjuk. Ezek a



  • lézersugár abszorpciója (elnyelése),

  • hővezetés,

  • megolvadás,

  • elgőzölgés,

  • gőz- és olvadék-visszaáramlás.

Az átlyukasztás vékony lemezek (Lv. < 2mm) esetén a másodperc tört része alatt megtörténik, mondhatjuk, hogy egy szempillantás alatt, de ezek az elemi lépések akkor is lejátszódnak. Vastag lemezek (Lv. > 10mm) esetén ugyanez néhány másodpercig is eltarthat. Természetesen akkor is ugyanezeken az elemi lépéseken keresztül történik meg a lyukasztás, csak az utolsó lépés (gőz- és olvadék-visszaáramlás) tovább tart.

Lássuk, hogy addig, amíg a lemez át nem lyukadt, a lézersugár által felhevített (olvadék- és gőzhalmazállapotba került) anyag a lézersugárral szemben halad, arrafelé, ahol a vágófej van. A levegőben röpülő, apró, izzó olvadékcseppek szikraeső látványát nyújtják, mert a levegő oxigénjével reagálva el is égnek (ahogyan a köszörülés esetén is tapasztaljuk). Az átlyukasztás utolsó lépését fölülről áramló munkagáz segíti, amely, mint később indoklással látni fogjuk, oxigén vagy nitrogén. A munkagáz mintegy kifújja az olvadékot a lyukból.

2.1.1. ábra

Miután a lemez átlyukadt, kezdődhet a vágás. A vágás során számos körülményre kell figyelemmel lenni:


  • a lézersugár teljesítménye

  • a lézersugár teljesítménysűrűsége

  • a fókuszáló lencse fókusztávolsága

  • a lézersugár Rayleigh-távolsága

  • intenzitáseloszlás a sugárnyalábon belül

  • a lézer üzemmódja (impulzus vagy cw), illetve az impulzusparaméterek (az impulzus hossza, frekvenciája, energiája)

  • a lézersugár fókuszának helyzete a lemez fölső síkjához képest

  • a vágandó lemez anyaga és vastagsága

  • az alkalmazott munkagáz (vágógáz) minősége és nyomása

  • a vágógázfúvóka átmérője

  • a vágógázfúvóka és a lemez felszíne közötti távolság

  • a lézersugár nyaláb tengelyének állása a lemez felületi normálisához képest

  • a lézersugár polarizáltsága

Vegyük sorra ezek hatását a vágás folyamatára.

Ad 1.: A lézersugár teljesítménye. A lézersugár teljesítménye alapvetően meghatározza azt, hogy egy adott minőségű (anyagú) lemezből milyen vastagságút lehet vágni. Ez persze nem jelenti azt, hogy ha egy rendelkezésre álló lézersugár-teljesítménnyel pl. 10mm vastag szénacél (ötvözetlen vagy gyengén ötvözött acél) lemezt lehet vágni, akkor ugyanilyen vastag alumíniumot vagy korrózióállót is. Mint látni fogjuk, a vágható anyagvastagságot más paraméterek is befolyásolják. Ebben a tekintetben a legerősebb hatása a vágandó lemez anyagának van. Hozzávetőleg igaz, hogy egységnyi vastagságú szénacél vágására alkalmas berendezéssel korrózióálló acélból annak kb. felét, alumíniumból pedig annál is vékonyabbat lehet átvágni. Vegyük észre, hogy a vágható anyagvastagságot nem az anyag olvadáspontja határozza meg (a három összehasonlított anyag közül a szénacélnak van a legnagyobb és az alumíniumnak a legkisebb olvadási hőmérséklete). Szintén kiemelendő, hogy a lézersugaras vágás esetén a vágandó anyag keménységének nincs szerepe. Ez lényeges különbség, pontosabban előny a hagyományos, nyíráson vagy forgácsoláson alapuló vágáshoz képest. A lézersugaras vágás esetén a szerszám a fény, amely nem kopik a vágás során, tehát nem kell időről időre élezni vagy cserélni. A vágási folyamat pontosságát más paraméterértékek és azok stabilitása befolyásolja.

Ad 2.: A lézersugár teljesítménysűrűsége. Ahhoz, hogy az 1-51. ábrán bemutatott jelenségek lejátszódhassanak, kellően nagy teljesítménysűrűséget kell elérni a lemez felületén. A lemez anyagára és a lézersugár módusára (TEM) jellemző határérték alatt a vágandó anyag hővezető képessége és egyéb termikus veszteségek megakadályozzák, hogy az olvadás vagy a gőzölgés bekövetkezzen. Egy adott teljesítményű lézersugárforrás esetén a teljesítménysűrűséget a fókuszfolt méretével lehet hatékonyan változtatni. A fókuszfolt átmérőjével négyzetesen változik a teljesítménysűrűség. A teljesítménysűrűség növelésének határát a sugárminőségi jellemzők határolják be (lásd 1.3. fejezet).

Ad 3.: A fókuszáló lencse fókusztávolsága. Ebben az esetben is az 1.3. fejezetben leírtakra kell különös figyelmet fordítani. A vágáshoz használandó lencse fókusztávolságának ugyanis optimuma van. Az optimum keresésekor az alábbi szempontokra érdemes figyelni:



  • Csökkenő fókusztávolság csökkenő fókuszfoltméretet, így exponenciálisan növekvő teljesítménysűrűséget eredményez a fókuszban.

  • Csökkenő fókusztávolság csökkenő Rayleigh-távolságot eredményez, vagyis kisebb lesz az a lézersugár irányú távolság, ahol a lézersugárnak a vágáshoz még kellően nagy teljesítménysűrűsége van.

  • Csökkenő fókusztávolsággal egyre közelebb kerül a sérülékeny, a felfröccsenő olvadékcseppektől veszélyeztetett lencse a vágott anyaghoz.

  • Csökkenő fókusztávolság esetén a lézersugaras vágófejnek közel kell kerülnie a vágott anyaghoz, ami 3D-s (térbeli) vágás esetén könnyen eredményezheti a fej és a darab közötti ütközést.

Ad 4.: A lézersugár Rayleigh-távolsága. Amint azt az 1.3. fejezetben láttuk, a lézersugár minőségi jellemzői (M2, K, BPP) szoros kapcsolatban vannak a Rayleigh-távolsággal. Minél jobbak a sugárminőségi mutatók, annál nagyobb lehet a Rayleigh-távolság, adott fókuszfoltméret esetén. A Rayleigh-távolság növekedése a vágható lemezvastagság növekedését eredményezi. Meg kell jegyezni, hogy a vágási minőség vizsgálata során a vágott felület és a lemez síkja közötti szög nem feltétlenül 90°, különösen nem a vastag lemezek esetén. Minél nagyobb a Rayleigh-távolság, annál jobb esélyeink vannak a 90° megközelítésére, elérésére. A túl kicsi Rayleigh-távolság még nagy lézersugár-teljesítmény esetén is meghiúsíthatja a vastag lemezek vágását.

Ad 5.: Intenzitáseloszlás a sugárnyalábon belül. Hétköznapi tapasztalatok alapján azt gondolhatnánk, hogy a tizedmilliméteres átmérőre fókuszált sugár esetén a fókuszban és annak sugárirányú közvetlen környezetében már nincs hatása a nyalábon belüli intenzitáseloszlásnak. Gondoljunk azonban arra, hogy a lézersugár anyagba hatolási mélysége 10-5mm nagyságrendű. A keresztirányú és a sugárirányú méretek között kb. négy nagyságrendnyi különbség van. Ilyen körülmények között viszont logikus az a kérdés, hogy milyen intenzitáseloszlású lézersugár ideális a lézersugaras vágáshoz. Erre a kérdésre nincs egyértelmű válasz. (Arra sem, hogy melyik a legjobb autó. Hiszen a jó válaszhoz tudni kellene azt is, hogy milyen szempontból: ár, sebesség, ápolási igény, férőhelyek száma, méretek, a csomagtartó nagysága, fogyasztás, az üzemanyag fajtája, környezetszennyezés stb.). Általában igaz, hogy vékony anyagok precíziós vágása esetén jó az ideális Gauss-nyaláb. Vastag anyagok esetén kedvezőbb a TEM01* eloszlás. Nagy hővezető képességű anyagokhoz kedvezőbb a Gauss-nyaláb, a rosszabb hővezető képességűekhez megfelelő a rosszabb minőségű is. Egzakt összefüggések nincsenek, csak általánosítható tendenciák.

Ad 6.: A lézer üzemmódja. A lézersugaras vágás mechanizmusának tárgyalásánál látni fogjuk, hogy a vágási fronton, ahol a lézersugár a vágandó anyaggal találkozik, folyamatosan van fémolvadék. A fémolvadék minden esetben jól nedvesíti azt az anyagot, amiből megolvadt, ebből az is következik, hogy közöttük a hőátadás nagyon jó. Az olvadék tehát hővezetés útján melegíti a vágott anyagot, a lézersugaras vágásnak pedig éppen az az egyik előnye, hogy a vágott anyag alig melegszik a vágás hatására (lényeges különbség a lángvágáshoz képest). Ezt koncentrált hőbevitellel, a lézersugár nagy teljesítménysűrűségével lehet elérni. Ha a vágás során folyamatosan fenntartjuk a hőbevitelt, növeljük a vágott darab felmelegedésének mértékét, ami akár termikus eredetű méretváltozáshoz, alaktorzuláshoz, vetemedéshez is vezethet. Ennek mértékét úgy lehet csökkenteni, hogy a lézersugár csak impulzusonként éri, hevíti az anyagot. A vágási résben, a fronton kialakuló és lézerimpulzusonként változó vastagságú olvadékréteget a vágógáz folyamatosan hajtja a lemez fonák (lézersugárral ellentétes) oldalára. A lézersugár-impulzus ideális frekvenciája szintén sok tényezőtől függ (a vágott lemez anyaga, vastagsága, a lézersugár teljesítménye, a vágógáz minősége, nyomása stb.). Szokásos értéke a lyukasztás idején legfeljebb 1 kHz, a vágás során legfeljebb 10 kHz. Minél jobb hővezető képességű a vágott anyag, annál kisebb frekvenciával érdemes vágni.

Ad 7.: A lézersugár fókuszának helyzete a lemez fölső síkjához képest. Ez a változó nagy hatással van a vágás teljesítményére és minőségére. Annak ellenére, hogy a vágott lemez vastagsága a Rayleigh-távolságnál kisebb is lehet, fontos szerepe van a fókuszhelyzetnek. Az ideális fókuszhelyzetet leginkább az befolyásolja, hogy milyen vágógázt alkalmazunk. Oxigén vágógázt többnyire ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok esetén használnak. Ekkor a lézersugár által felhevített és megolvasztott acél a tiszta oxigénáramban hevesen oxidálódik, praktikusan ég, ami nagy fajlagos hőfejlődéssel jár. Ebben az esetben tehát a termikus vágás hőigényének csak egy része származik a lézersugár energiájából. Vele összemérhető az égésből származó energia nagysága. Az ekkor keletkező vas-oxid olvadáspontja kisebb, mint az acél olvadási hőmérséklete, hígfolyós, tehát a vágási résből könnyen ki lehet fújni. A lézersugár fókuszát a lemez fölső síkjához kell közelíteni, hiszen lefelé haladva folyamatos az égésből származó hőfejlődés. Nem lehet azonban minden anyagot oxigén munkagázzal vágni. Az alumínium esetében például a fémhez viszonyítva nagy az égési termék olvadáspontja (Alop: 660°C, Al2O3op: 2072°C). Ha meg akarnánk olvasztani az Al2O3-at is, akkor az alumínium jelentősen túlhevülne. Szintén a jelentős mennyiségű és nagy olvadáspontú fém-oxid képződése miatt nem lehet a rozsdamentes (krómmal erősen ötvözött) acélt sem vágni oxigénnel. Ilyen esetekben nitrogén vágógázt használnak. Hőenergia ebben az esetben csak a lézersugár segítségével jut a vágási frontra. Ahhoz, hogy a vágórésből a fémolvadékot a gázáram ki tudja fújni, a lefelé haladó olvadékot folyamatosan hevíteni kell. Ekkor a lemez alja felé kell a fókuszt eltolni.

Ad 8.: A vágandó lemez anyaga és vastagsága. A lézersugaras vágás során lejátszódó folyamatok ismeretének hiányában azt gondolhatnánk, hogy abból nem lehet baj, ha az ideálisnál nagyobb teljesítményű lézersugárral vágunk. Valójában ez nem igaz. A lézersugaras vágás paramétereinek optimuma van. A paraméterek értékét a termikus viszonyok határozzák meg. Nagy szerepe van a vágandó anyag abszorpciós képességének, hővezető képességének, fajhőjének és olvadáshőjének. Az abszorpciós képességre vonatkozó adatok többnyire csak szobahőmérsékleten ismertek, a többi már a hőmérséklet függvényében is. Rossz abszorpciójú anyagot rövid, de nagy energiájú lézerimpulzusokkal lehet könnyebben vágni. Az anyag vastagságának növekedtével nő a vágott anyagban maradt hőmennyiség, jobban felhevül, mint a vékonyabb anyag. Ez annak következménye, hogy egységnyi hosszúságú vágási vonal esetén a vékony lemeznél összességében kisebb felületen érintkezett az olvadék a lemezzel, mint a vastagabb esetén (az érintkező felület nagysága = vágási hosszúság * lemezvastagság).

Ad 9.: Az alkalmazott munkagáz (vágógáz) minősége és nyomása. A munkagáz fajtáját a vágandó anyag milyensége határozza meg. Igaz, hogy ötvözetlen és gyengén ötvözött acélt lehet nitrogénnel is vágni, csak nem érdemes (lassabb, drágább és nagyobb lézersugár-teljesítményre van szükség). Lényeges a vágógáz tisztasága is. Az oxigénes vágás kevésbé érzékeny a gáz tisztaságára, mint a nitrogénes (égetéses és olvasztásos vágás). Az oxigén estében elegendő az N3.5 tisztaság, a nitrogén estében viszont szükség van az N4.0 tisztaságra. Különösen fontos a gázok nedvességtartalmának minimalizálása. A rozsdamentes acél vágásakor a vágás peremén a barnás elszíneződés mértéke mutatja a vágógáz tisztaságát, ha egyébként a többi vágási paramétert helyesen állították be. Lényeges különbség van a vágógáz nyomásában az oxigénes és a nitrogénes vágás során. Az oxigén vágónyomása mindig kisebb, mint a nitrogéné. Ez azzal van összefüggésben, hogy az oxigén alkalmazása esetén a vágási résben hígfolyós salak (vas(II)-oxid, wüstit) van, a nitrogén esetében gyorsan hűlő, könnyen sűrűsödő fémolvadék. Nehezíti a helyzetet, hogy a kényszerből megnövelt vágógáznyomás miatt a fúvókából kilépő gáz hirtelen kitágul, tehát inkább hűt, mint fűt, intenzívebb a hűtőhatás, mint az oxigén esetén. Az oxigén vágógáz nyomása hagyományos lézersugárforrások esetén kisebb, mint 3 bar, a szállézerek esetén meghaladhatja az 5 bart is. A nitrogén esetében 10 bar fölötti nyomásra van szükség, ami akár a 20 bart is meghaladhatja. Ehhez speciális fókuszáló lencsére van szükség, amely torzulás nélkül viseli ezt a nyomást. Gondoljunk arra, hogy a megnövelt nyomás miatt vastagabb lencsére van szükség, amelyben a lézersugár hosszabb utat tesz meg, így benne több energia nyelődik el, jobban melegszik. Nagy teljesítményű lézerek esetén gondoskodni kell a lencsék hűtéséről, ami csak a palástjuk irányából lehetséges.

Ad 10.: A vágógázfúvóka átmérője. A vágógázfúvóka furatának átmérőjét a vágógáz minőségéhez és a vágott lemez vastagságához kell igazítani. Ez az állítás persze csak meghatározott lézerparaméterek esetén igaz, vagyis ha ugyanazt a darabot másik lézerberendezéssel kell vágni, nem feltétlenül lehet azonos geometriájú fúvókát használni. Tendenciájában azonban igaz, hogy nagyobb lemezvastagsághoz nagyobb átmérőjű fúvókára van szükség, hiszen nagyobb gázmennyiség kell a megnövekedett olvadékmennyiség kifúvásához. Az oxigén és a nitrogén összehasonlításában az oxigénhez kell a kisebb fúvóka. A hétköznapi szóhasználat szerint egy K = 0,5 körüli sugárminőségű lézersugárral történő oxigénes vágáskor 6 mm lemezvastagság fölött csak lehelni kell az oxigént. A szállézerek 1-hez közeli K-faktora esetén ez már nem igaz, mert a Gausshoz közeli sugárminőség olyan keskeny vágórést eredményez, hogy abból az olvadék sikeres kifújásához nagyobb nyomásra van szükség. Ide tartozik az is, hogy a fúvókának nem csak a furatátmérőjét kell alkalmasan megválasztani. A fúvóka alakjának is jelentős szerepe van abban, hogy a vágási feladatra minél inkább alkalmas legyen. Hegyes fúvókát, kis homlokfelülettel, főleg a vékony lemezek 3D-s vágásához használnak, különösen a jó hozzáférhetőség érdekében. Nagy homlokfelületű, úgynevezett lapos fúvóka főleg vastag, sík lemezek nitrogénes vágásánál előnyös. Mivel a lézersugaras vágófejek többnyire kapacitív elven működő, automata távolságszabályozóval vannak felszerelve, a fúvóka alakjának megválasztásakor gondolni kell a fúvóka körül kialakuló térerő hely szerinti változására is, ami a vágandó lemez és a fúvóka között kialakul, hiszen a távolságszabályozó elektronika egy meghatározott nagyságú kapacitásra szabályoz, még akkor is, ha mi a vezérlőprogramba a vágás során tartandó távolság nagyságát írjuk be. Még egy fontos dolgot meg kell említeni. Lehet, hogy a körülmények azt kívánják, hogy a fúvóka átmérőjét csökkentsük, de gondolnunk kell arra, hogy a lézersugárnak a furaton maradéktalanul át kell jutnia, ellenkező esetben a fúvóka melegedni fog, oxidálódik, nő az abszorpciós képessége, még gyorsabban melegszik, majd elolvad. És ekkor még nem is volt arról szó, hogy a lézersugár optikai tengelye mennyire koncentrikus a furat tengelyével. Induljunk ki abból, hogy tökéletes egytengelyűség nincs, csak a befektetett munka nagyságától függő mértékben meg tudjuk közelíteni.

Ad 11.: A vágógázfúvóka és a lemez felszíne közötti távolság. Ezt az értéket a 7. pontban tárgyalt fókuszhelyzettel együtt kell értékelni. A lézersugaras vágófejben van a fókuszáló lencse és a vágófej testéhez rögzített helyzetű fúvóka. A fókuszáló lencse helyzetét sugárirányban lehet mozgatni a vágófejtesthez, vagyis a fúvókához képest. Ez azt jelenti, hogy a vágási folyamatot vezérlő programban hiába adjuk meg a fúvókatávolságot, azzal a fókuszhelyzetről nem rendelkeztünk. Meg kell jegyezni, hogy a vágófej szerkezeti kialakítása olyan, hogy az egyébként is nagy bonyolultság és jelentős súly csökkentésének érdekében a fókusz állítása kézzel történik, vagyis nem minden berendezés esetén programozható. Jó, ha a berendezés kezelője maga előtt látja a fúvókát és hozzá képest a fókuszált lézernyalábot, illetve mindkettőhöz képest a vágandó anyag felszínét. A fúvókatávolságnak a vágás folyamatában a vágógáz áramlási viszonyainak befolyásolása miatt van szerepe. A nitrogénes vágás során a lemez felületéhez közeli lapos fúvóka segíti az olvadék vágórésből történő kifúvását. Gondolni kell azonban arra is, hogy a vágórésből felpattanó szikrák a vágáshoz közeli fúvókafuraton akkor is keresztülrepülhetnek, ha a furaton keresztül nagy sebességgel áramlik ki a vágógáz. Ez azért baj, mert ezek a szikrák a fókuszáló lencsébe/lencsére tapadhatnak, így kitakarják a lézersugár egy részét. Ez a kellemetlen következményeknek csak egy része. Az is biztos, hogy a feltapadt szikra a lézernyalábban melegszik, beleég a lencse felületébe, tönkreteszi azt. A folyamatban a lencse egyre növekvő mértékű hőterhelést kap, geometriája a hőtágulási együttható következtében megváltozik, és a lézersugár ellenőrizetlen geometriájúvá vált fókusza ismeretlen helyre vándorol. Ezt leginkább úgy tapasztalhatjuk, hogy a korábban kiváló minőségű vágást eredményező program és beállítás nem működik helyesen. Az ilyen jellegű lencsemeghibásodások esélyének csökkentése érdekében a lyukasztás során, amikor a szikrák csak hátrafelé, a lencse irányában tudják a lyukasztandó lemezt elhagyni, a fúvókát, egyben a lézerfejet elemelik a lemeztől, még akkor is, ha ezzel a lézersugár geometriai helyzete a lemez felszínéhez képest romlik.

Ad 12.: A lézersugár nyaláb tengelyének állása a lemez felületi normálisához képest. Általános esetben arra kell törekedni, még a 3D-s vágás esetén is, hogy a lézersugár optikai tengelye merőleges legyen a vágandó anyag felületére, vagyis az adott pontban párhuzamos legyen a felületi normálissal. Ebben az esetben a lézersugár eredetileg körszimmetrikus intenzitáseloszlása a munkadarabon megmarad. Ellenkező esetben a kúp ferde síkú, zárt görbéjű metszetének megfelelően ellipszis alakú lesz a lézerfolt. A legnagyobb intenzitású rész az ellipszis főtengelyeinek metszéspontjában lesz. Ez a vágás haladási irányához képesti szögállástól függő, úgynevezett irányfüggő vágási helyzetet eredményez. Ez a nem szokásos helyzet lehet tervezett is, amikor a vágott felülettől elvárjuk, hogy a lemez síkjával ne 90°-ot zárjon be. Ugyanez a helyzet kényszerűségből is bekövetkezhet, ha a 3D-s alkatrész adott pontjánál a vágófej nem fér el, mert a merőleges irányt és az optimális fúvókatávolságot tartani akarjuk. Mivel a vágógáz áramlási iránya a fúvókából kilépésének helyén egytengelyű a lézersugárral, a vágógáz áramlási sebessége is elveszíti körszimmetrikus jellegét. Mindezekből következik, hogy a merőlegesből a ferde vágásra áttérés esetén nem tarthatjuk meg a korábbi vágási paramétereket, szükség szerint a vágás előrehaladtával folyamatosan kell változtatni. Erre már csak azért is szükség van, mert a vágási mélység a dőlési szöggel 1/cosa függvény szerint nő. A helyzetet tovább bonyolítja, hogy az automatikus távolságszabályozás következtében megváltozik a fókuszhelyzet és a fúvókatávolság is.

Ad 13.: A lézersugár polarizáltsága. A lézersugár energiájának elnyelődését az anyagban a lézersugár haladási iránya és polarizáltságának síkja együttesen határozza meg. Amennyiben általános görbe mentén kell vágni, célszerű a cirkulár-polarizált lézersugár alkalmazása, mert ebben az esetben a vágási minőség és az elérhető vágási sebesség irányfüggetlen lesz. Ettől az esettől kedvezőbb körülmények teremthetők, ha a lézersugár vágási iránya a lézersugár polarizációs síkjával egybeesik. Ekkor a vágási rés nagysága csökken, az elérhető vágási sebesség nő. Ebben az esetben azonban a munkadarabot forgatni kell a vágófej alatt, mint annak a mitfárernek a térképet, aki egyébként nem tudja a vezetőnek megmondani, hogy balra vagy jobbra menjen, ha az autó haladási iránya a kezében lévő térkép szerint nem fölfelé van. Neki a térképet minden kanyarodás esetén forgatnia kell. A haladási irányra merőleges polarizációs síkú lézersugárral megnő a vágási rés és lecsökken a vágási sebesség. Polarizált lézersugarat vágásra csak nagyon ritka esetben használnak.




Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə