Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I
Yüklə 0,64 Mb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 3. A lézersugaras vágást befolyásoló tényezők
- 4. Különleges vágási technológiák
- 4.2. Szublimációs vágás
- 4.3. Vízsugárral támogatott lézersugaras vágás
| 2. A lézersugaras vágás folyamata
A lemez átlyukasztását követően gondoskodni kell arról, hogy a lézersugár (a vágófej) a munkadarabhoz képest egyenletes, szabályozott sebességgel haladjon, miközben a fúvóka- és a fókusztávolság előírt értéken tartásáról folyamatosan gondoskodunk. A lézersugaras vágógépek többségénél a lézersugarat (vágófejet) mozgatják az álló munkadarabhoz képest, de vannak olyan megoldások is, amikor az álló lézersugár alatt mozgatják a darabot. Az utóbbi a régi nibbelő szerszámgépek átalakításánál vagy a mikromegmunkálások esetén (kicsi a mozgatandó munkadarab tömege) fordul elő. Ekkor a 2.2.1. ábrán látható helyzet alakul ki. 2.2.1. ábra Fontos látnunk, hogy a vágási front nem függőleges. Nem is lehet, mert a lemez vastagsága mentén végig szükség van a lézersugár energiájára, ami az anyagot megolvasztja. Ha megállna a lézersugár munkadarabhoz képesti mozgása, a vágási front rövid idő alatt függőlegessé válna, és lézersugár-elnyelődés nélkül haladna át a lemezen. Legfeljebb a lézersugárnyaláb szélének kis intenzitású része melegítené a vágási rés peremét, de megolvasztani már alig tudná. A fókuszált lézersugár tehát egy ferde felületen nyelődik el. A vágási front felülete nem szabályos. Alakját elsősorban a fókuszon belüli intenzitáseloszlás befolyásolja (ezért nem mindegy, hogy milyen a rezonátorból kilépő sugár intenzitáseloszlása). A lézersugár jellemzőin túl további befolyásoló tényezők a vágott anyag fizikai, elsősorban termikus tulajdonságai, az olvadék viszkozitása és a gázáramlási viszonyok. A többnyire impulzusüzemű vágás miatt a vágási front vonalvezetése látható marad. A lézersugár tulajdonságai és a többi befolyásoló tényező (beleértve a vágott anyag vastagságát is) szabja meg azt, hogy a vágott felület mennyire érdes (ennek mértékét az Ra értékkel jellemzik, minél kisebb, annál simább). Az égetéses (oxigénes) és az olvasztásos (nitrogénes) lézersugaras vágás során tehát a folyékony halmazállapotúvá vált anyag a lemez fonák oldalán (2D-s vágás során lefelé) távozik. Mivel ez az olvadék szinte mindig jól nedvesíti a szilárd halmazállapotú fémet, sajnos jó esélye van annak, hogy a vágási rés alján feltapad a lemez szélére, ott szilárdul meg. Ezt sorja-, illetve a lézertechnikában szakállképződésnek nevezik. Az oxigénes vágásnál a szakáll anyaga vas-oxid, amely könnyen eltávolítható, akár kézzel is le lehet dörzsölni. Nitrogénes vágás során azonban ez újrakristályosodott fém, eltávolítása nehéz (reszelő, sorjázószerszám, rossz esetben forgácsolószerszám). A sorja kialakulásának több oka is lehet. Többnyire az úgynevezett „irányfüggő vágás”, amelynek általában az az oka, hogy a gázáram és a lézersugár tengelye nem esik egybe (2.2.2. ábra). 2.2.2. ábra Forrás: http://www.hoerenberg-ag.ch Amikor a vágás mentén csak helyenként képződik sorja, az mindig a vágási körülmények megváltozását jelenti. Ennek az is lehet az oka, hogy a lézerfejet mozgató motorok gyorsulása és lassulása korlátozott. Éles sarkoknál ezért lecsökken a vágási sebesség, ami sorjaképződéshez vezet, mert lokálisan túlmelegszik az anyag (2.2.3. ábra). 2.2.3. ábra Forrás: http://www.metallzeitung.at 3. A lézersugaras vágást befolyásoló tényezők A lézersugaras vágásnak számos technikai feltétele van. Ezek között kitüntetett jelentősége van a vágófejnek. Ennek több funkciót is el kell látnia. Induljunk ki abból, hogy a rezonátorból kilépő nyers lézersugár polarizált és valamekkora divergenciával rendelkezik. Az első megoldandó feladat abból származik, hogy a nyers sugár divergenciája miatt a rezonátor és a vágófej, illetve annak lencséje közötti távolság a vágás során változik. Ha a lencsére érkező nyaláb átmérője változik, akkor változik a fókusza is. A nyalábátmérő a nyalábderék (a nyaláb legkisebb átmérőjű része) környezetében változik a legkevésbé az optikai tengely mentén, vagyis a fókusz jellemzői itt érzékenyek a legkevésbé a rezonátor és a vágólencse közötti távolságra, a vágófej mozgására. Érdemes tehát a vágófej mozgási tartományát a nyalábderék közvetlen környezetére korlátozni. Ezt persze fordítva csinálják. Optikai elemek segítségével, melyek egységét teleszkópnak nevezik, a nyaláb derékrészét a vágófej mozgási tartományának közepére tolják. A következő megoldandó feladat, hogy a polarizált lézersugarat cirkulár-polarizáltá kell alakítani. Ezt egy úgynevezett fázistoló tükörrel lehet elérni, amely az elektromágneses sugárzás elektromos és mágneses momentumát egymáshoz képest A 2.3.1. ábrán egy olyan vágófej vázlata látható, melyben a saroktükör, amely a lézersugár eltérítését szolgálja, egyben fázistoló tükör is. A vágás során tehát a fókuszáló lencsére jó közelítéssel változatlan átmérőjű, cirkulár-polarizált lézersugár érkezik. Ennek következtében a lencse és a lézersugár fókusza közötti távolság egyértelműen ismert. A jó minőségű vágás érdekében ezt a fókuszpontot kell a vágandó anyag minőségének és vastagságának megfelelő helyre irányítani. Ebből következik, hogy a vágás során a lencse és a lemez felszíne közötti távolság állandó kell hogy legyen. A lencse palástirányú hűtéséről minden nagy teljesítményű lézersugaras vágófejben gondoskodni kell. 2.3.1. ábra A vágófej következő jellegzetes eleme a fúvóka. Ennek furatán együtt lép ki a fókuszált lézersugár és a vágógáz. A fúvóka és a fókuszáló lencse közötti tér zárt, túlnyomás alatt van (a hegesztőfejben ilyen zárt tér nincs). Amennyiben a fúvóka például felfröccsenés, ütközés vagy olvadás következtében nem sérült, a kilépő gázáram körszimmetrikus és a sebesség, illetve nyomáseloszlás fúvókával koncentrikus eloszlású lesz. A fúvóka gázáramlást erősen befolyásoló alakjának négy alaptípusa van (2.3.2. ábra):
Az alaptípusokon belül számos kiviteli alak lehetséges, ami a vágófejgyártók fantáziájának és az alkalmazási körülményeknek a függvénye (2.3.3. ábra). Ezek között két nagy csoportot lehet képezni, a hegyes és a tompa kivitelt. A hegyeset általában 3D-s, a tompát 2D-s vágásnál részesítik előnyben. Ez nem törvényszerű, csupán tendencia. 2.3.2. ábra 2.3.3. ábra A vágófejnek még két fontos része van:
2.3.4. ábra Tekintsük át, hogy a 2.3.1. ábra vázlata szerint készült lézersugaras vágófejjel hogyan lehet vágni. A vágáskor lejátszódó folyamatokat nagy vonalakban a 2.2.1. ábra segítségével már áttekintettük. A 2.3.5. ábra abban lehet segítségünkre, hogy a nyomás- és a termikus viszonyokat befolyásoló tényezőket részleteiben és összefüggéseiben lássuk. Az ábrán az olvadék egy elemi térfogatára gyakorolt hatások szerepelnek. 2.3.5. ábra Amikor a nyomásviszonyok alakulását vizsgáljuk, a vizsgálódásunk középpontjában a vágási fronton lévő olvadék kell hogy legyen. Vegyük sorra a hatásokat, melyek az olvadék viselkedését befolyásolják. 1. A gravitációval összefüggésben, a fémolvadék sűrűségének függvényében változó, lefelé ható erők ébrednek. 2D-s vágás esetén ennek van jelentősége, de nem számottevő. 3D-s vágás esetén nem is szabad, hogy meghatározó szerephez jusson. 2. A felületi feszültségnek már lényegesen erősebb hatása van. A fémolvadék mindig szeretne szétterülni a fém felületén, és ezt nagyon gyorsan teszi. Gázáramlás nélküli esetben ebben két körülmény korlátozza. Egyrészt a szilárd halmazállapotú fémnek az olvadéknál kisebb hőmérséklete, ami hűti, ezáltal viszkozitását növeli, végül kristályosodásra kényszeríti. Másrészt a fémek felületén jelen lévő, eltérő vastagságú oxidréteg (a rozsdamentes acélok felületén is van, csak nagyon vékony). A felületi feszültség szempontjából az oxidréteg vastagságának nincs szerepe. Az oxidréteg léte azonban megváltoztatja a nedvesítési viszonyokat, csaknem minden esetben rontja, tehát az olvadék szétterülését gátolja. Részben a felületi feszültség gondolatköréhez tartozik a lemez felületi tisztasága is. A szennyeződésnek, fajtájától függően, eltérő szerepe van. A könnyen lesöpörhetőt a fúvókán kiáramló gáz elsodorja. Tapadt szennyeződés esetén a hatás attól függ, hogy hogyan viselkedik intenzív hőközlés hatására. Egy részük megolvad és salakként távozik a vágórésből, vagyis kis mennyiség esetén alig játszik szerepet. Más részük gázhalmazállapotúvá válhat, és ebben a folyamatban a fémolvadékra fúvóhatást gyakorol. Ennek a fúvóhatásnak nem szabad a fúvókán kiáramló vágógáz hatását megzavarnia, mert a vágási folyamat ellenőrizetlenné válhat. Talán meglepő, de acéllemezek esetén a nagyon enyhén olajos felület mégis segíti a vágást, éppen a folyamatos és egyenletes gázfejlődés következtében, ami gátolja, hogy az olvadék a vágórés mentén, a lemez tetején vagy inkább az alján megtapadjon. Acélok esetén a rozsdának külön szerep jut, annak léte rontja a vágás minőségét, fröcsköléshez vezet. 3. A vágógáz nyomásának és áramlási sebességének van, illetve kell, hogy meghatározó szerepe legyen, ugyanis a vágórésből ennek kell kihordania a képződött fém- és egyéb gőzöket, valamint sok fémolvadékot. Első közelítésben tekintsünk el a vágógáz kémiai hatásától, és koncentráljunk az áramlási viszonyokra. Ebben a tekintetben azt hihetnénk, minél nagyobb a gáz áramlási sebessége, annál könnyebben kifújja a résből. Növekvő nyomás és áramlási sebesség esetén azonban vannak gátoló jelenségek is. Egyrészt a növekvő nyomás az olvadékot szétterülésre készteti, másrészt a nyomás és a sebesség az olvadék felszínének fodrozódásához vezet, így csökken a haladási sebessége, tehát a hatás kedvezőtlen. Az olvadékot úgy kell kifújni a résből, hogy a rés alján olyan nagy sebességgel lépjen ki, hogy a nedvesítőképessége ellenére se tudjon a lemez alsó síkjánál megkapaszkodni. Az acélok oxigénes vágásakor azonban a kémiai – ezen keresztül a termikus – hatásra is figyelemmel kell lenni. Az intenzív oxigénáram túl sok hőt fejleszt a vágórésben. A vágórés és a hőhatásövezet megvastagszik, a vágás minősége erősen romlik, csúnya lesz. A lézersugaras vágás egyik legfontosabb része, hogy a vágórés környezetének termikus viszonyait precízen kézben tudjuk tartani. Mint láttuk, ebben a tekintetben két esetet kell megkülönböztetnünk: az inert gázas (nitrogénes vagy másképpen olvasztásos) és az oxigénes (égetéses) vágást. Ez a csoportosítás persze csak a fémes anyagokra vonatkozik. Mint később látni fogjuk, a nemfémes anyagok vágásának más mechanizmusai vannak. Az inert gázas vágás termikus viszonyai Ebben az esetben a vágáshoz szükséges hőenergia csak a lézersugár energiájából származik. Persze szó sincs arról, hogy a vágófej fúvókáján kilépő lézersugár energiája maradéktalanul elnyelődne a vágórésben és csak a vágásra fordítódna. Ennek több oka van:
A vágandó lemez anyagában elnyelődött lézerteljesítmény több jelenség és folyamat energiaigényét fedezi. Vegyük most ezeket sorra. 1. A fémet fel kell hevíteni az olvadási hőmérsékletére. Ennek energiaigénye a szilárd anyag olvadási hőmérsékletétől, fajhőjétől, a felhevített anyag mennyiségétől és a rendelkezésre álló időtől függ. Itt újra hangsúlyozni kell, hogy a nagy hővezető képességű anyagot azért nehéz vágni, mert a betáplált energia nagy része gyorsan szétoszlik a lemezben, csak kevés marad az olvadékképzésre. 2. Az olvadáspontra hevített anyag megolvasztásához további energiára van szükség (olvadáshő). Azok a fémek, melyeknek a többihez viszonyítva nagyobb az olvadáshőjük, szintén nehezebben vághatók. Az alumínium anyagtulajdonságai mind a hővezetés, mind az olvadáshő tekintetében kedvezőtlen hatásúak a termikus vágásra. 3. Ahogyan az 1. pontban láttuk, a hővezetés miatt veszendőbe ment energia mennyisége az időtől is függ. Ennek csökkentése úgy lehetséges, ha az energiabecsatolás intenzív, a hevítés rövid időre korlátozódik. A lézersugár alkalmazásának éppen ez az előnye (ennél intenzívebb energiaközlést csak elektronsugárral lehet elérni). Ennek azonban az a következménye, hogy az olvadék túlhevül, ami szintén energiafelhasználással jár. A túlhevülés mértéke akkora is lehet, hogy a fém egy része elpárolog. Ekkor még a párolgási hőenergiával is számolnunk kell. (Idevonatkozó megjegyzés, hogy van olyan vágási technológia is, amelyben a nagy lézersugár-intenzitás miatt a vágandó anyag érdemleges megolvadás nélkül kerül gőzállapotba. Ezt nevezik szublimációs vágásnak.) 4. A megolvadt és részben túlhevített olvadék energiatartalmával együtt távozik a vágórésből. A vágási teljesítmény (sebesség) növelése érdekében arra kell törekednünk, hogy a lézersugár energiájának minél nagyobb része ezen az úton távozzon a vágandó anyagból. 5. Korábban már volt szó arról, hogy az olvasztásos vágás esetén 10 bar fölötti gáznyomásra van szükség. Minél keskenyebb a vágórés és minél vastagabb a vágandó anyag, annál nagyobbra. A fúvókából kilépő vágógáz gyorsan expandál, ami a gáztörvény szerint hőmérséklet-csökkenéssel jár. Mivel ez a jelenség a fúvóka és a lemez felszíne közötti térre jellemző, ez a hűtőhatás főleg a lemez felületén érvényesül. Ez nem is baj, mert a lézersugárnak az a része, amely nem jutott be a résbe, éppen ezt a felületet hevíti, feleslegesen. Az oxigénes vágás termikus viszonyai Az oxigénes vágás esetén a munkagáznak két funkciója van:
Az acél oxidációja attól kezdve válik intenzívvé, hogy a lézersugár hatására folyékony halmazállapotba kerül. Ekkor oxigénfelvevő képessége hirtelen megnő. Ezt is mutatja a Fe-O kétkomponensű egyensúlyi fázisdiagram (2.3.6. ábra). A vas olvadáspontja fölött az oldott oxigéntartalomtól függően egy- vagy kétfázisú olvadék keletkezik. Két fázis esetén az egyik fázist fémes fázisnak, a másikat salakfázisnak tekinthetjük (az L1+L1-vel jelölt terület). A vas oxigénfelvétele jelentős hőfejlődéssel jár. A két folyékony halmazállapotú fázis elkülönül egymástól (mint a víz és az olaj), és eltérő lesz a viszkozitásuk. A salakfázis a hígfolyósabb, kisebb sűrűségű, könnyű a vágórésből kifújni. A résből kijutott salakolvadék lehűlve FeO (wüstit) vegyületté alakul, amely rideg, könnyen törik. Ha feltapad a vágórés aljára, akkor is könnyű eltávolítani (nem úgy, mint a nitrogénes vágás szakállát). 2.3.6. ábra Az az oxigén, amely nem oldódott az olvadékban, a folyékony salakkal együtt távozik. A vágórésben oxigénben dús közeg van, amely az éppen hűlni kezdő vágott felülettel érintkezik. Az izzó acél felülete tovább oxidálódik, vékony reve képződik rajta. A lemez anyagába már nem tud az oxigén bediffundálni, mert ahhoz túl gyorsan hűl az anyag. Az oxigénnel vágott felületen ezért mindig van egy vékony oxidréteg (reve), amitől matt szürke színű lesz. Jól megválasztott vágóparaméterek esetén a reve vastagsága olyan kicsi, hogy ez a réteg enyhe dörzsöléssel – akár kézzel is – eltávolítható, előtűnik a lemez anyagának fémes színe. 4. Különleges vágási technológiák 4.1. Plazmával támogatott vágás A plazmával támogatott vágás esetén azt a jelenséget kell kihasználni, amely a mélyvarratos hegesztés esetén egyébként szükséges. A technológia működésének alapja, hogy kellően nagy teljesítménysűrűség esetén az anyag plazmaállapotnak megfelelő hőmérsékletre hevíthető. Nagyon precíz paraméteregyüttes biztosítása esetén elérhető, hogy a vágási résben plazmafelhő alakuljon ki (2.4.1.1. ábra). A plazma anyaga ionizált fémgőz és ionizált vágógáz keveréke. A plazmafelhő abszorbeálja a CO2-lézersugár energiáját, és a hőtartalmát a munkadarabnak adja át, elsősorban sugárzással (a sugárzásos hőátadás a hőmérsékletek – sugárzó és elnyelő – negyedik hatványának különbségével arányos). Így a vágandó anyag gyorsabban olvad meg, tehát növelhető a vágási sebesség. Ezért nevezik ezt a technikát plazmával támogatott nagy sebességű vágásnak is. 2.4.1.1. ábra A plazmafelhőnek a vágási résből sem fölfelé, sem lefelé nem szabad kilépnie. Különösen nem fölfelé, hiszen akkor leárnyékolja a munkadarabot, így nem tud kellő hőmennyiség becsatolódni a darabba, megszakad a vágási folyamat, a munkadarab selejté, használhatatlanná válik. Ennek elkerülésére ezt a vágási technológiát csak plazmafigyelő szenzorok védelmében lehet, illetve érdemes alkalmazni. A plazmával támogatott vágással a vékony lemezek esetén extrém vágási sebességeket lehet elérni. Az 1 mm-es acéllemez esetén a percenként 40 méter fölötti sebesség gyakori. A vágott felület persze durvább lesz, mint amilyen a nitrogénes vágással elérhető, mert a plazmafelhőnek nagy nyomása van, ami az olvadék felszínének fodrozódását eredményezi. Az így vágható lemezvastagság a lézersugár teljesítményétől függ. A szilárdtestlézerek számára a plazmafelhő csaknem átlátszó, vagyis nem nyelődik el bennük a folyamat stabilan tartásához szükséges, kellően sok energia. A plazmával támogatott nagy sebességű vágást ezért csak CO2-lézerekkel érdemes megpróbálni. 4.2. Szublimációs vágás Az eddig bemutatott technológiákban a vágandó anyag túlnyomó része megolvad. Nem így a szublimációs vágás során. Ebben az esetben a lézersugárnak – amennyire csak lehet – olvadékmentesen kell elgőzölögtetnie az anyagot. A fémgőz a vágórésben keletkezik, nagy a nyomása, ezért a képződött olvadékot fölfelé és lefelé egyaránt ki lehet fújni. 2.4.2.1. ábra A szublimációs vágásban a munkagáz nitrogén, argon vagy hélium. Feladata a vágórés védelme a levegőtől. Így marad a vágórés és annak éle oxidmentes (a titán a levegő nitrogéntartalmával is képes reagálni). Mivel csak ennyi a feladata, elegendő 1-3 bar nyomás is. A fém elgőzölögtetéséhez természetesen lényegesen nagyobb teljesítménysűrűségre és több energiára van szükség, mint az olvasztás esetén. Ezért nagyobb lézersugár-teljesítményre is szükség van, a vágási sebesség mégis kisebb lesz. Cserébe nagyon jó minőségű vágási felületet kapunk. Fémlemezek esetén ennek ellenére alig alkalmazzák, mert túl drága. Erre a technológiára akkor van szükség, amikor a vágott felületnek különösen szépnek és pontosnak kell lennie. Ilyen például a stentek gyártása. (A stentek vékony, hálószerű csövek, amelyeket az artériába helyeznek, ott kitágítanak, így nyitva tartják az elzáródott vérereket. A stenteket legfeljebb 2 milliméter átmérőjű, vékony falú csövekből vágják.) 2.4.2.2. ábra Míg a fémek esetében a szublimációs vágás ritkaságszámba megy, más anyagoknál éppen ellenkezőleg. Vannak olyan anyagok, melyeknek ez a szokásos vágási technológiája. Ilyenek:
4.3. Vízsugárral támogatott lézersugaras vágás Ezt a technológiát mikrojetnek is nevezik. A kifejezés egy olyan vágási eljárást jelent, ahol nincs sem munkagáz, sem vágógáz. Gáz helyett vizet használnak. A vágófejben a lézersugarat egy vékony vízsugárba fókuszálják. A vízsugár úgy vezeti a lézerfényt, mint az optikai kábel, a víz és a levegő határán ugyanis totálreflexió van. 2.4.3.1. ábra A vágási fronton a vízsugár kis görbületi sugárral irányt vált, így megszűnik a totálreflexiós feltétel, a lézersugár kilép a vízsugárból. Természetesen a lemez átlyukasztásánál is ez a jelenség eredményezi az anyag megolvadását. 2.4.3.2. ábra A vágás során lejátszódó jelenség hasonlít a tűz és a víz együttes hatásához. Mivel a lézersugár lényegesen nagyobb intenzitással képes az energiáját átadni az anyagnak, mint amilyen intenzitással a víz azt hűti, a lézersugár megolvasztja az anyagot. A fémolvadék és a víz határán vékony vízgőzréteg képződik, ami a víz hőelvonásának intenzitását tovább csökkenti. A víznek több funkciója is van. Nagyobb része behatol a vágási résbe és kihordja a megolvasztott anyagot. Ezzel egyidejűleg hűti a vágott felületet, így az anyagba szinte nem jut hő. A víz kisebb része nem jut a résbe, hanem a munkadarab felületén egy vékony vízréteget alkot. Ez megakadályozza, hogy oda fémgőz vagy fröccsgolyó tapadjon. A vízsugár átmérője 20 és 150 mikrométer között van. Ez körülbelül akkora, mint egy jól fókuszált lézersugár. A fókuszált lézersugárhoz képest azonban van egy nagy előnye. A vízsugárban nem tud a lézersugár széttartani, nincs divergenciája. A jelenséget úgy is tekinthetjük, mintha a lézersugárnak a haladási irányában erősen megnyúlt volna a fókusza. Ennek eredményeként párhuzamos falú vágórés alakul ki. A vízsugaras lézersugár előnyeit az apró, finom vágási feladatok területén lehet kihasználni. Ilyen például a félvezető chipek vágása szeletekből (wafer), az érintőképernyő vagy egyes orvosi implantátumok gyártása. Különösen a műanyagok vágásánál érdekes, hogy a melléktermékek, amelyek egészségre károsak is lehetnek, a vízben maradnak, nem kerülnek a légtérbe. Ezt a technológiát csak szilárdtestlézerek esetén lehet használni, mert ezek hullámhosszúságuk következtében a vízre nézve transzoptikusak, a CO2-lézerek egyáltalán nem. A CO2-lézersugár a vízben nagyon rövid úton teljesen elnyelődik, aminek intenzív gőzfejlődés, forrás, fröcskölés az eredménye.
Yüklə 0,64 Mb. Dostları ilə paylaş:
|
/4 távolsággal eltolja. A fázistoló tükröt el lehet helyezni közvetlenül a rezonátor után is, de a sugár haladási irányában legkésőbb a fókuszáló lencse előtt.
