Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I

5. A lézersugaras vágófejek

Az 1.6.2. fejezetben megismerkedtünk a lézersugaras vágófejek fontosabb szerkezeti elemeivel. Az alapvető funkciók technikai megvalósítására a gyártó cégek különböző megoldásokat dolgoztak ki. Az alapvető funkciókon túl vannak egyéb, kényelmi és minőségbiztosítást szolgáló kiegészítő lehetőségek, mint a programozható, motorikus fókuszhelyzet-állítás, vagy a plazmafigyelő szenzorrendszer. A vágófej megválasztásakor – mindezeken túlmenően – kiemelt figyelemmel kell lenni a lézersugár néhány paraméterére, mint a hullámhosszúság, a legnagyobb teljesítménysűrűség és átlagteljesítmény, az impulzusenergia és a nyaláb átmérője.

A vágófej kiválasztásakor az első szempont a hullámhosszúság. A CO₂- és a szilárdtestlézereknek ugyanis különböző anyagú a lencséjük. A CO₂-lézeré ZnSe (cink-szelenid), a szilárdtesteké kvarc. Ez a hullámhosszúság-különbség miatt van így, és a nagy teljesítményű lézerekre jellemző.

A lézersugár hullámhosszúsága a sugárvezetés lehetőségét is meghatározza. A szilárdtestlézerek esetén a lézersugár optikai szálban (kábelben) érkezik. Ennek szokásos átmérője 100-600 mm. A rezonátorból kilépő lézersugár minőségi jellemzői, illetve a szál átmérője meghatározza, hogy a szálvégen kilépő sugárnak mekkora divergenciája van. A széttartás mértéke többször 10°. Ezt a széttartó sugarat először párhuzamosítani – kollimálni – kell (kollimátor: a széttartó fénynyalábot párhuzamossá tevő optikai berendezés). A szilárdtestlézerek vágófejében tehát mindig van egy kollimátoregység is.

A CO₂-lézer vágófejébe nem kell kollimátor, hiszen a rezonátor felől több mm sugarú, síktükrökkel eltérített nyers lézernyaláb érkezik a fejhez.

A kollimált szilárdtest- és a nyers CO₂-lézernyaláb átmérője határozza meg, hogy mekkorára kell a fókuszáló lencse átmérőjét választani. Gyakorlati tapasztalat, hogy a lencse átmérőjét a lézersugár lencse felszínén mérhető névleges átmérőjének legalább a duplájára kell választani. Ellenkező esetben a lencsetartó, illetve a vágógáz gázterét a lencsénél tömítő O-gyűrű melegedni fog, tönkremegy, és még a lencsét is tönkreteheti. A lencsék egyébként drágák, 2012-es áron többszázezer forintba kerülnek.

A vágófejek úgy vannak megépítve, hogy azokban a lencséket a lézerberendezést kezelő személyzet is cserélni tudja. A lencse kiszerelésének, illetve cseréjének a szükséges szemrevételezés, a tisztítás, a meghibásodás vagy egyszerűen más fókusztávolság-igény lehet az oka. Geometriai okok miatt a fókusztávolság-váltás esetén a vágófej csúcsát is ki kell cserélni (2.6.1. ábra). Mint tudjuk, a nagyobb fókusztávolságú lencsére főleg azért lehet szükségünk, mert a korábbiaknál vastagabb anyagot kell vágnunk. A lencsék fókusztávolságát különösen a ZnSe estében gyakran "-ban (col) szokás megadni. A leggyakrabban 5 és 7,5"-os fókusztávolságú lencsét használnak.

Az 1.3. fejezetben leírtak alapján azonban tudjuk, hogy adott fókusztávolságú lencsére érkező, de különböző átmérőjű lézernyaláb különböző divergenciát eredményez. Vastagabb lemez esetén nagyobb Rayleigh-távolságra van szükség, ami kisebb divergenciát jelent. Ha ennek érdekében nem akarjuk a lencsét kicserélni, akkor le kell csökkenteni a lencsére érkező lézernyaláb átmérőjét. Ennek technikai megvalósítása szilárdtestlézerek esetén a CO₂-höz képest viszonylag egyszerű, mert az optikai szálas sugárvezetés miatt úgyis szükség van egy kollimátorra. A kollimátor lencséje és az optikai szál közötti távolság változtatásával változik a kollimált, a lencsére érkező lézernyaláb átmérője (2.5.2. ábra).

2.5.1. ábra

2.5.2. ábra

Összefoglalva:

A CO₂-lézer vágófejeinek elengedhetetlen szerkezeti elemei:

• 
  sík saroktükör
  
• 
  fókuszáló lencse
  
• 
  a vágófej csúcsa a fúvókával
  
• 
  központosító mechanizmus
  
• 
  gáztér a vágógáznak
  
• 
  fókusztávolság-állító mechanizmus
  

A szilárdtestlézer-vágófejek elengedhetetlen szerkezeti elemei:

• 
  kollimátoregység
  
• 
  fókuszáló lencse
  
• 
  a vágófej csúcsa a fúvókával
  
• 
  központosító mechanizmus
  
• 
  gáztér a vágógáznak
  
• 
  fókusztávolság-állító mechanizmus
  

Mint látjuk, a szerkezeti elemek többségének azonos a funkciójuk, a vágófejek mégis másképpen néznek ki. Ennek részleteibe azonban már e tananyag kereti között nem érdemes belemenni.

2.5.3. ábra Forrás: Trumpf

2.5.4. ábra Forrás: Precitec

2.5.5. ábra

6. 2D-s és 3D-s lézersugaras vágás és berendezései

A nagy teljesítményű lézersugaras technológiák között a legelterjedtebb a lézersugaras vágás. Ennek következtében ehhez a technológiához tartozó gépparknak van a legnagyobb választéka. A vágóberendezések kialakulásának kezdetén külön voltak a lézersugárgyártók és -fejlesztők, illetve a lézersugár mozgatására szolgáló berendezések gyártói. Mind a kettő bonyolult elektronikával rendelkezik, és a lézersugaras vágáshoz a két rendszer összehangolt munkájára van szükség. Ezt vagy egy harmadik cég fejleszti ki, vagy az idők folyamán is bevált megoldás szerint a sugármozgatást végző berendezés elektronikáját továbbfejlesztik, és ez látja el a lézersugárforrás vezérlését.

Mivel itt legalább két rendszer működésének összehangolásáról van szó, kezdetben meghibásodás vagy hibás működés (nem megfelelő vágási minőség) esetén gyakori volt a csatlakozó felületre vagy a másik cég termékére, annak működési helytelenségére való gyanakvás. Ennek elkerülésére egy idő után olyan cégek is megjelentek a piacon, melyek a komplett berendezéseket úgy szállítják, hogy a sugárforrás és a sugármozgatás is saját termék.

A legnagyobb pénzügyi és szellemi fejlesztő tőkére a sugárforrások területén van szükség. Egy-egy kifejlesztett sugárforrásnak, illetve sugárforráscsaládnak (különböző lézersugár-teljesítmények, sugárminőségek, üzemmódok, melyek azonos rezonátorépítési koncepcióra épülnek) jellemzően egy cég a gazdája, a vonatkozó szabadalmak tulajdonosa. Ezekhez a sugárforrásokhoz az ipar szükségleteinek megfelelő megmunkálóberendezéseket illesztenek. Az iparnak azonban olyan rendkívül szerteágazó az igénye (a karóragyártástól a tengerjáró hajók gyártásáig alkalmaznak lézersugaras technológiákat), hogy ennek kielégítése már nem is várható el a sugárforrásgyártóktól.

Így alakult ki a mai helyzet. A sugárforrás gyártói néhány berendezéstípust kínálnak a piacon, de sok forrást adnak el olyan cégeknek, melyek lézerberendezések tervezésével és gyártásával foglalkoznak. Vannak olyan cégek is, melyek a fő elemeket (sugárforrás, mozgatórendszer, gázrendszer, sugárvédelmi rendszer stb.) külön-külön megvásárolják, és maguk építik össze saját speciális igényüknek megfelelően (előfordul, hogy az alkalmazási cél titokban tartása érdekében). Ehhez természetesen jól képzett fejlesztőcsapatra van szükség.

A lézersugaras vágóberendezéseket az alkalmazási cél szerint két nagy csoportra lehet osztani: 2D-s és 3D-s. A 2D-s gépeket gyakran síkvágó vagy síkágyas berendezéseknek nevezik, mert eredetileg csak táblalemezek feldolgozására alkalmasak.

A 2D-s gépeknek is két csoportjuk van, ami a régi nibbelő szerszámgépek miatt alakult ki. A nibbelőberendezésekben a föl-le mozgó kivágószerszámok csak függőleges irányban mozogtak, tehát a lemezt kellett a sík mentén mozgatni. Ha a nibbelőszerszám helyére egy távolságszabályozóval ellátott lézersugaras vágófejet szerelnek, készen van a 2D-s lézersugaras vágóberendezés. A lemezfeldolgozással foglalkozó cégeknek azonban gyakran mind a két technikára (nibbelés és lézersugaras vágás) szükségük van, mert vannak olyan feladatok, melyek lézersugárral nem (pontosabban csak rendkívül gazdaságtalanul) valósíthatók meg. Ilyenek például a borítólemezek szellőzőnyílásai, az úgynevezett kopoltyú (2.6.1. és 2.6.2. ábra). Így alakult ki a lemez mozgatásával működő nibbelő-vágó kombinált berendezés (2.6.3. ábra).

2.6.1. ábra Forrás: http://www.maschinenbau-schweiz.ch

2.6.2. ábra Forrás: http://www.maschinenbau-schweiz.ch

2.6.3. ábra Forrás: http://www.fpl-technology.de

A lemez mozgatásával működő 2D-s vágógépek előnye a mozgó vágófejesekhez képest, hogy itt a vágás során nem változik a rezonátor és a fókuszáló lencse közötti távolság, tehát akkor is változatlan marad a lézersugár fókuszának minden jellemzője, ha a rendszerben nincs sugárteleszkóp.

Mindezek ellenére elterjedtebbek azok a 2D-s vágógépek, melyekben a vágófej (a lézersugár) mozog az álló lemezhez képest (2.6.4. ábra). Természetesen ennek az elrendezésnek is megvannak az előnyei. Elsősorban az, hogy a mozgás dinamikája független attól, hogy mekkora a vágandó darab tömege. A 2D-t könnyű kiegészíteni egy harmadik, függőleges (Z) tengellyel. Erre mondják, hogy 2,5D-s berendezés. Ezzel például kész dobozok sík lapjain lehet vágási feladatokat ellátni.

2.6.4. ábra Forrás: http://www.ihs-gmbh.de

A 2D-s vágóberendezéseknek gyakran két vágóasztaluk van. Amíg az egyik a kabinban van és a rajta lévő lemez lézersugaras vágása folyik, addig a másikról lehet lepakolni a vágott darabokat és a hulladékot (maradékot), illetve az új lemezt például egy automata lemeztárolóból felhelyezni. Ezzel a megoldással lehet a termelékenységet növelni.

2.6.5. ábra Forrás: http://www.geor.lv

A 2D-s vágógépek lézersugár-teljesítménye és munkatere a megmunkálandó darabok méretéhez igazodik. Készítenek olyan nagyméretű darabok lézersugaras vágására (és hegesztésére) alkalmas célberendezéseket, melyekben a sugármozgatás a lézersugár forrásával együtt történik. Egy hídszerkezet mozog a lemez fölött, amelyen a kezelőszemélyzet és a lézersugárforrás is rajta van. Ilyeneket tengerjáró hajók és tengeri fúrótornyok építéséhez készítenek (2.6.6. ábra).

2.6.6. ábra Forrás: http://www.regierung-mv.de

A kisebb, pontosabban vékonyabb darabok vágásához kis sugárteljesítmény is elegendő. Ebből következik, hogy az eredetileg gravírozásra (jelölésre) szánt berendezésekkel elvileg vágni is lehet. A lézersugaras jelölés technológiáival foglalkozó tananyagrészben látni fogjuk, hogy a sugárvezetésnek két nagy csoportja van, a pásztázó és a síkágyas (plotter-elv). Mind a kettővel lehet vágni, csak más technológiával. A pásztázó esetében a szublimációs vágásnak van esélye, a síkágyas esetén a mozgó fókuszáló lencse teremt lehetőséget az égetéses és az olvasztásos vágásra is. Ha a síkágyas esetén nem lehet munkagázt alkalmazni, akkor itt is a szublimációs vágás lehetőségét kell kihasználni. Kifejezetten szép, művészi alkotásokat is lehet vágni, például papírból (2.6.7. ábra).

2.6.7. ábra Forrás: http://www.waissraum.de

2.6.8. ábra Forrás: http://www.trodat.net

Itt érdemes megjegyezni, hogy lézerberendezéseket nem csak a fémfeldolgozó-ipar használ. A 2.6.9. ábrán egy textilszabászatra tervezett és épített CO₂-sugárforrású 2D-s vágógép képe látható. Alkalmazásának előnyei:

• 
  Gyors és tizedmilliméterre pontos szabást tesz lehetővé.
  
• 
  Számítógépes programozással optimalizálni lehet a szabást, még mintás textil esetén is.
  
• 
  A műszálas textil vágott széleit enyhén megolvasztja, így nem foszlik, elmaradhat az él elvarrása.
  
• 
  Szabásminták számítógépes tárolása.
  
• 
  Számítógépes tervezéssel könnyű konfekcionálás.
  
• 
  Rugalmas gyártás.
  
• 
  Tömegtermelési igény esetén több réteg textilt lehet egyszerre szabni.
  

2.6.9. ábra Forrás: http://www.directindustry.de

A 2D-s vágások tervezését, az anyagkihasználás optimalizálását terítéktervező programok segítik. Ebben a vágandó anyag geometriai jellemzőin túl meg kell azt is adni, hogy az egyes vágási kontúrok milyen közel lehetnek egymáshoz. Ez alapján a program úgy helyezi el az ismert méretű lemezen az alkatrészeket, hogy a legkevesebb hulladék keletkezzen. A különböző programfejlesztők számos más szolgáltatást is beépítenek programjaikba (2.6.10. ábra).

2.6.10. ábra Forrás: http://de.almacam.com

A 2D-s vágógépeknek tehát két lineáris mozgatótengelyük van, legfeljebb a vágófej fel-le mozgatásához rendelkeznek még egy segédtengellyel. Az átmenetet a 2D-s és a 3D-s berendezések között azok a síkágyas gépek jelentik, melyeket elláttak egy forgó tengellyel is, a csőszerű alkatrészek vágása érdekében.

2.6.11. ábra Forrás: http://www.saegeboerse.de; http://www.vialas.de

2.6.12. ábra Forrás: http://www.machinery.co.uk; http://www.youtube.com/user/BLMGROUPchannel

A valódi 3D-s vágáshoz arra van szükség, hogy a lézersugártengely a tér minden irányában állhasson, mint egy gömb középpontjából induló, a gömb felszínére normális irányú vektorok, azzal a kiegészítéssel, hogy a gömb középpontja a munkatéren belül tetszőleges helyen lehet. Ennek megvalósítására a lézertechnikában két rendszert alkalmaznak: CNC-vezérlésű derékszögű koordináta-rendszerhez kötött és karos robotot. Mind a két esetben a vágófejet mozgatják (kivétel persze lehet, de csak indokolt esetben, például egy meghatározott alkatrész tömeggyártása érdekében).

A derékszögű koordináta-rendszerhez kötött CNC-vezérlésű sugárvezetés esetén legalább 5 programozható tengelyre, szimultán tengelymozgásra van szükség. Ebből három tengely mentén lineáris, a maradék kettő mentén forgó mozgásra van szükség. Ezt a rendszert CO₂- és szilárdtestlézerek esetén egyaránt lehet használni.

A tengelyek szokásos elnevezései:

X a vízszintes sík egyik iránya, jellemzően a leghosszabb mozgási lehetőség iránya

Y a vízszintes sík X-re merőleges iránya

Z az X-Y irányok által meghatározott síkra merőleges irány

A forgás az X iránnyal párhuzamos tengely körül

B forgás az Y iránnyal párhuzamos tengely körül

C forgás a Z iránnyal párhuzamos tengely körül

2.6.13. ábra Forrás: Trumpf

A robotos sugárvezetésre az autóiparban kifejlesztett robotokat használják. Azok rendelkeznek minden olyan funkcióval, amilyenekre a lézersugaras technológiáknál szükség lehet. Többnyire hat csuklópontjuk van, melyeket forgótengelyeknek is tekinthetünk. Amennyiben a robotot egy lineáris tengelyre szerelik, jelentősen megnövelhető a robotos rendszer munkatere, amely egyébként lényegesen kisebb, mint a derékszögű koordináta-rendszerhez kötött CNC-vezérlésűé. A robotos rendszer hátránya, hogy megszorítások nélkül csak szilárdtestlézerekhez használható, melyeket optikai szálban lehet vezetni. Persze itt is lehetnek kivételek. Kis tömegű és ennek következtében kis teljesítményű CO₂-lézersugárforrást fel lehet szerelni az utolsó vagy az utolsó előtti karra, és a CO₂-lézersugarat onnan már viszonylag könnyű tükrökkel a lézeres megmunkálófejhez vezetni. Az ilyen rendszereket gyakran használják alakos műanyag alkatrészek vágására.

2.6.14. ábra Forrás: http://www.emeraldinsight.com; http://www.vdma-e-market.com

2.6.15. ábra Forrás: Bay Zoltán Kutatóintézet, Budapest

A 3D-s vágórendszereket az esetek döntő többségében térbeni lemezszerű alkatrészek vágására alkalmazzák. Ilyenek például a járművek mélyhúzott karosszéria-alkatrészei. Gazdaságossági és termelékenységi okokból tömeggyártásra nem alkalmasak, de új karosszériák gyártás-előkészítésénél ma már nélkülözhetetlen. A mélyhúzó szerszám elkészülte után, de még a kivágószerszám legyártása előtt néhányszor tíz darabot a mélyhúzott termékből a végleges alakra kell hozni, a körbevágást és az áttörések kivágását 3D-s lézerberendezéssel kell megoldani. Ezekkel a próbadarabokkal ellenőrzik a tervezett geometriától való eltéréseket, a mechanikai jellemzőket, a szerelési és festési teszteket stb. Módosítás, változtatás igénye esetén lényegesen olcsóbban és gyorsabban lehet az új darabot elkészíteni, mintha új kivágószerszámot kellene készíteni.

A 3D-s lézersugaras vágás vezérlőprogramjának elkészítése lényegesen bonyolultabb feladat, mint a 2D-s vágásé. Ebben az esetben a mozgó lézerfej munkadarabbal való ütközésének veszélyével is számolni kell. Külön problémát jelent a vágási sebesség kívánt értéken tartása, mert a sarkoknál a lézerfejnek ostorozó mozgást kell végeznie, amit a motorok nem tudnak a kívánt dinamikával és pontossággal megvalósítani.

A tervezésnél arra is gondolni kell, hogy a lézerfej nem tudja, hogy a megmunkálandó darab valóban a kívánt helyen és pozícióban van. A darabnak a lézerberendezés koordináta-rendszeréhez képest jól ismert helyen és pozícióban kell lennie, mert csak így programozható a mozgás. Erre szolgálnak a pozicionáló készülékek, melyeket előre meg kell tervezni, le kell gyártani. Ezek többnyire lézersugárral vágott lemezekből összerakott készülékek, melyekhez képest a vágandó lemezalkatrész pozíciója jól ismert.

A 3D-s vezérlőprogram létrehozása csak számítógép segítségével lehetséges. A tervezők munkáját számos segédprogram támogatja. Ennek ellenére nem kerülhető el, hogy a készülék beállítására és a mozgásprogram tesztelésére kellő időt és figyelmet szánjanak.

2.6.16. ábra Forrás: http://www.usinenouvelle.com; http://www.blechprofi.de

3. fejezet - A lézersugaras hegesztés

1. A lézersugaras hegesztés elve

A lézersugaras vágást követően a legelterjedtebb lézersugaras anyagmegmunkáló technológia a lézersugaras hegesztés. Két változata van:

• 
  hővezetéses
  
• 
  mélyvarratos
  

Energetikai és fizikai jelenségek szempontjából két változata van, melyek a lézersugárnak a darab felületén kialakuló teljesítménysűrűségétől függenek. 10⁶W/cm²-nél kisebb teljesítménysűrűség esetében a hővezetéses hegesztés feltételei vannak meg (alumínium esetén a határ ~5 * 10⁶W/cm²). A határ fölött – egy új fizikai jelenség következtében – a mélyvarratos hegesztés feltételei szabályozzák a technológiai folyamatot.

A hegesztéshez CO₂-, szilárdtest- (Nd:YAG rúd-, korong- és szál-) vagy diódalézert lehet használni. Fémek esetében a két hullámhosszúság-tartománynak (távoli és közeli infravörös) eltérőek az abszorpciós tulajdonságai. Acélokra nézve szobahőmérsékleten a távoli infravörös hullámhosszúság abszorpciója 10% körüli, a közeli infravörösnek 35% körüli. A két hegesztési változat jellegzetességeinek összehasonlítását segíti a 3.1.1. táblázat.

3.1.1. ábra

Technológiai szempontból, illetve a tervezőmérnöknek lényeges, hogy milyen varratalak hozható létre az egyes technológiákkal. Egy közelítő összehasonlítást tesz lehetővé a 3.1.2. táblázat.

3.1.2. ábra

A 3.1.2. táblázatban szemléltetett viszonyok azért alakulnak a látott módon, mert az egyes hőforrásoknak eltérő az energiatartalmuk, ahogyan azt a 3.1.3. táblázat mutatja.

3.1.3. ábra

A 3.1.3. táblázat adatai arra hívják fel a figyelmünket, hogy egy adott térfogatú anyag (a varrat térfogata) megolvasztásához mennyi időre lesz szükségünk. Minél kisebb az energia intenzitása, annál hosszabb időre. Ez az idő azonban a táblázatban szereplő adatokkal nem egyenesen arányos, mert minél kisebb intenzitással tudjuk a darabbal a hőenergiát közölni, annál tovább tart a megolvasztás. Ez idő alatt pedig a hegesztendő anyag a hővezető képességének megfelelő intenzitással folyamatosan elvezeti a betáplált energiát. Ezzel két kedvezőtlen hatás jár együtt: nő a megolvasztáshoz szükséges idő és nő a darab átlaghőmérséklete, a szükségszerűen betáplált energia. Mivel a hővezetés fizikai jelenségéből fakadóan az energiabetáplálás során a munkadarab különböző részeiben különböző hőmérséklet-különbségek (termikus gradiensek) alakulnak ki, a hőtágulási együttható miatt ennek mechanikai feszültségkülönbség, rossz esetben vetemedés lesz az eredménye.

A két lézersugaras hegesztést – a hővezetésest és a mélyvarratost – könnyű megkülönböztetni egymástól, ha a varratra merőlegesen metszeti csiszolatot készítünk. A hővezetéses hegesztés esetén egy fél lencse alakú, a mélyvarratos esetben egy répa alakú varratot láthatunk.

A két varratalak kialakulásának fizikai okai vannak, ahogyan azt a 3.1.4. ábra érzékelteti.

3.1.4. ábra