+ All Categories
Home > Documents > Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum...

Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum...

Date post: 24-Feb-2021
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
33
Název projektu: Sbližování teorie s praxí Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukončení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizovač Ročník: SM 3. ročník MS 4. ročník Zpracoval: Ing. Petra Janíčková Modul: Nekonvenční technologie obrábění - Laser
Transcript
Page 1: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Název projektu: Sbližování teorie s praxí

Datum zahájení projektu: 01.11.2010

Datum ukončení projektu: 30.06.2012

Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizovač

Ročník: SM – 3. ročník MS – 4. ročník

Zpracoval: Ing. Petra Janíčková

Modul: Nekonvenční technologie obrábění - Laser

Page 2: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 1

Obsah

BEZPEČNOST PRÁCE PŘI PÁLENÍ NA LASERECH ............................................... 3

OCHRANA ZDRAVÍ ................................................................................................ 3

TECHNICKÁ DOKUMENTACE .............................................................................. 4

POVINNOSTI PROVOZOVATELE ......................................................................... 5

1. ŘEZÁNÍ LASEREM – ÚVOD .................................................................................. 5

1.1 Základní princip laseru ...................................................................................... 6

1.2 Schéma řezání laserem .................................................................................... 7

1.3 Řezné plyny ...................................................................................................... 8

1.4 Výhody a nevýhody dělení materiálu laserem ................................................... 8

2. PŘEHLED METOD ŘEZÁNÍ LASEREM ................................................................. 9

2.1 Laserové tavné řezání ....................................................................................... 9

2.2 Laserové sublimační řezání .............................................................................. 9

2.3 Laserové oxidační řezání ................................................................................ 10

3. STROJE PRO PÁLENÍ ......................................................................................... 11

3.1 CO2 lasery ....................................................................................................... 11

3.3 Kapalinové lasery ............................................................................................ 13

3.4 Polovodičové lasery ........................................................................................ 13

4. ZÁKLADNÍ ČÁSTI LASERŮ ................................................................................. 14

4.1 Schéma laserového řezacího stroje ................................................................ 14

4.2 Optika pro laserové řezání .............................................................................. 15

4.3 Systémy polohování pro laserové řezání ........................................................ 15

4.4 Tlakový regulační ventil řezacího plynu .......................................................... 15

4.5 Rezonátor ....................................................................................................... 16

4.6 Laserová řezací hlava ..................................................................................... 16

4.7 Regulace odstupu ........................................................................................... 17

4.8 Měnič palet ...................................................................................................... 18

5. FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ŘEZÁNÍ LASEREM ..................................................... 19

5.1 Konstantnost výkonu ....................................................................................... 19

5.2 Průměr paprsku............................................................................................... 19

5.3 Tlak plynu ........................................................................................................ 19

5.4 Poloha ohniska ............................................................................................... 20

5.5 Povrch obrobku ............................................................................................... 20

Page 3: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 2

5.6 Fokusační čočka ............................................................................................. 21

6. VYHODNOCENÍ KVALITY LASEROVÝCH ŘEZŮ .............................................. 22

6.1 Řezná spára .................................................................................................... 22

6.2 Kvalita povrchu – hloubka drsnosti.................................................................. 22

6.3 Pravoúhlost ..................................................................................................... 23

6.4 Doběh žlábků .................................................................................................. 24

6.5 Tvorba ostrých hran ........................................................................................ 24

6.6 Zóna tepelného vlivu ....................................................................................... 25

7. POSTUP PÁLENÍ NA LASERU ............................................................................ 26

7.1 Kontrola stroje ................................................................................................. 26

7.2 Kontrola a čistota čočky .................................................................................. 26

7.3 Nastavení laserového paprsku k otvoru trysky ................................................ 26

7.5 Nahrání programu do stroje ............................................................................ 27

7.6 Vytvoření NC – programu ............................................................................... 27

7.7 Naložení materiálu na paletu .......................................................................... 29

7.8 Řezání ............................................................................................................. 29

7.9 Vyjmutí kusů z odpadu .................................................................................... 29

7.10 Kontrola kvality řezu ...................................................................................... 29

8. POUŽITÍ LASERU V TECHNOLOGII ................................................................... 30

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ............................................................................. 32

Page 4: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 3

BEZPEČNOST PRÁCE PŘI PÁLENÍ NA LASERECH

(ČÚBP vyhl. 152/82sb, Směrnice 61/81sb – Hygienické předpisy ministerstva zdravotnictví)

Každé zařízení s laserem musí být označeno štítkem s údaji o třídě laseru.

Pro opravy, údržbu a provoz musí být určen odpovědný pracovník.

Při provozu nesmí být odnímány kryty, prováděny úpravy ani měněny vyzařovací

parametry laseru.

Lasery od druhé třídy musí být provozovány pouze ve vyhrazených prostorách a

musí být viditelně označeny.

Místnosti musí být vhodně upraveny tak, aby nemohlo dojít k odrazu paprsku.

Při opravách laserů nesmí být měněny provozní podmínky.

Pokud jsou sejmuty kryty nesmí být laser trvale zapnut.

Opravovat lze pouze zařízení, které je zajištěno proti náhodnému zapnutí.

Při opravě může být laser uveden do provozu pouze při měření charakteristických

hodnot pouze na dobu nezbytně nutnou.

OCHRANA ZDRAVÍ

Z hlediska kategorizace prací podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví č. 89/2001

Sb. se práce s laserem třídy III zařazuje do kategorie druhé a lasery třídy III a IV do

kategorie třetí. Tato vyhláška zároveň ruší platnost až doposud účinných Směrnic o

hygienických zásadách pro práce s lasery č. 61/1982.

Pro práci s laserem má zásadní význam Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně

zdraví před neionizujícím zářením. Podle tohoto nařízení se zařazují lasery do

následujících bezpečnostních tříd:

I. možno trvalý pohled do svazku paprsků,

II. kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje je možný, oko chrání

mrkací reflex

III. a) totéž jako II. ale oko se může poškodit při pohledu do zdroje pomocí

optické soustavy

III. b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky, emise

nepřekračují výkon 0,5W

Page 5: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 4

IV. nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky, emise

překračují výkon 0,5W

Běžně používaná laserová ukazovátka mají výkon 1-5mW

Lasery třídy IIIb musejí být vybaveny signalizací chodu, světelnou nebo akustickou.

Důležité je, že při použití světelné signalizace musí být tato signalizace viditelná i

přes ochranné brýle. Laser musí být zabezpečen proti uvedení do chodu

nepovolanou osobou a prostory určené k provozování označeny výstražnými

tabulkami a zákazem vstupu nepovolaných osob. Pokud je to s ohledem na způsob

využívání laseru možné, odstraní se z dráhy paprsku všechny předměty, na nichž by

mohlo dojít k nekontrolovatelným odrazům paprsku, a jestliže nelze vyloučit, aby

paprsek laseru nezasáhl okno, musí se okno zakrýt materiálem, který nepropouští

světlo dané vlnové délky (žaluzie, roleta, matný nepropustný nátěr, závěs, paraván).

Nestačí-li tato opatření vyloučit zásah očí nebo kůže laserovým paprskem, musejí

všechny osoby použít speciální ochranné brýle.

TECHNICKÁ DOKUMENTACE

Ke každému laseru musí být připojena technická dokumentace obsahující tyto údaje:

vlnovou délku

režim generování záření (spojitý, impulsní nebo impulsní s vysokou opakovací

frekvencí)

průměr svazku na výstupu a jeho rozbíhavost (sbíhavost svazku se udává jen

u fokusovaných chirurgických výkonových laserů)

u laserů ve spojitém režimu nejvyšší zářivý tok

u impulsních laserů energie v jednom pulsu, nejdelší a nejkratší trvání jednoho

impulsu a rozsah opakovací frekvence

zařazení do třídy

návod k montáži a instalaci

návod k obsluze za běžných i mimořádných situací

návod k údržbě

výrobce, výrobní číslo, rok výroby, název a sídlo výrobce.

Page 6: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 5

POVINNOSTI PROVOZOVATELE

S laserem může pracovat každý, pokud byl provozovatelem pro tuto činnost řádně

zaškolen a je obeznámen s principy činnosti, vlastnostmi laserů a s potenciálním

nebezpečím vyplývající z činnosti laseru. Dále musí tato osoba být seznámena

s provozním řádem daného pracoviště, a s postupem při zasažení velkými dávkami

záření, při nehodě či poruše laseru. Tato osoba musí být pro tuto práci zdravotně

i duševně způsobilá podle Směrnice Ministerstva zdravotnictví č. 49/1967 Věstníku

MZdr. o posuzování zdravotní způsobilosti k práci, ve znění směrnic ministerstva

zdravotnictví č. 17/1970. Před nástupem k práci s laserem se doporučuje absolvovat

vstupní oční prohlídku pro práci s lasery.

Page 7: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 6

1. ŘEZÁNÍ LASEREM – ÚVOD Laser lze z hlediska použitelnosti na širokou škálu materiálů považovat za univerzální

prostředek pro řezání. Řezání laserem je umožněno vysokou hustotou energie

v místě dopadu laserového svazku na materiál.

Hlavní mechanismus při řezání laserem je vypařování materiálu.

DRUHY LASERŮ

Podle aktivního prostředí a konstrukčního uspořádání můžeme lasery rozdělit:

- s pevnou fází – pevnolátkové

- kapalinové

- plynové

- polovodičové

- chemické

- další speciální typy

Pro technické využití při dělení materiálu se využívá především plynový laser a laser

na pevné fázi. Oba typy mohou pracovat se zářením buď kontinuálním a pulzačním.

Výběr optimálního laseru závisí na druhu materiálu, který má být řezán, tloušťce,

geometrii řezů a na požadované kvalitě řezu.

STRUČNÝ POPIS A POUŽITÍ

Řezání laserem je v současnosti nejrozšířenější aplikace výkonných laserů ve

strojírenství pro svůj úzký a přesný řez bez ostřin (± 0,1 mm).

Laserem lze dělit širokou škálu materiálů – jak kovové (uhlíkové a legované oceli),

tak i nekovové materiály (např. keramiku, plastické hmoty apod.).

1.1 ZÁKLADNÍ PRINCIP LASERU

Název LASER vznikl z anglického popisu samotné podstaty jeho principu činnosti

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation –

zesílení světla stimulovanou emisí záření.

Laserový paprsek vzniká přesunem atomů mezi jednotlivými energetickými

hladinami. Atomy se mohou pohybovat následovně:

Page 8: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 7

a) Spontánní emise (samovolná) – přechod z vyššího energetického stavu E2 do

stavu nižšího s energií E1, při kterém atom vyzáří foton o frekvenci f21. Jednotlivé

atomy vyzařují nekoordinovaně a fotony mají různou orientaci a fázi. Vzniklé

elektromagnetické záření je nekoherentní. Tímto způsobem září např. zahřáté

těleso, slunce, žárovka, svíčka…….

Ob

r.1.

Por

ovn

ání

zář

ení

vyv

olaného spontánní a stimulovanou emisí

b) Stimulovaná emise – tento jev dokázal poprvé Albert Einstein v roce 1912. Foton

s frekvencí f21 dopadne na atom ve vyšším

energetickém stavu E2 a přiměje ho

k přechodu do stavu nižšího E1 za vyzáření

dalšího fotonu. První foton se přitom nepohltí

a oba fotony se pohybují dále stejným

směrem jako foton, který emisi vyvolal. Jsou

synchronizované, mají stejnou frekvenci i fázi.

Jedná se tedy o koherentní záření. Záření se

postupně zesiluje a celý proces se stále

opakuje s dalšími atomy.

1.2 SCHÉMA ŘEZÁNÍ LASEREM

Při řezání spalováním je ohřev řezaného

materiálu uskutečněn laserovým paprskem a

vlastní řezání je důsledkem reakce řezaného

materiálu s kyslíkem.

Obr. 2. Princip metody řezání laserem

1 - asistentní plyn, 2 - řezací tryska, 3 - pracovní vzdálenost trysky, 4 - rychlost, 5 - tavenina,

6 - odtavený materiál, 7 - stopy po paprsku laseru, 8 - tepelně ovlivněná oblast, 9 - šířka řezu

Page 9: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 8

1.3 ŘEZNÉ PLYNY

Kyslík jako řezný plyn se používá pro uhlíkové oceli.

Řezané plochy jsou velmi jakostní s přesností do 0,05 mm, rychlost řezu je vysoká a

zlepšuje se odstraňování strusky na spodní straně řezu. Kyslík chemicky reaguje s

řezaným materiálem, kdy s přispěním exotermické reakce vzrůstá řezná rychlost,

která je navíc výrazně ovlivňována čistotou kyslíku.

Dusík jako řezný plyn se používá pro vysokolegované oceli a další materiály. Tento

plyn má několikanásobně vyšší tlak něž kyslík. Výhoda dusíku je zábrana před

oxidací řezných ploch a tvorbě oxidů na spodní straně řezu.

1.4 VÝHODY A NEVÝHODY DĚLENÍ MATERIÁLU LASEREM

Hlavní výhody

Lze řezat ve všech směrech – pomocí robotů s nepatrnými poloměry a

s vysokou řeznou rychlostí.

Lze řezat rovinné i prostorové tvary.

Malá šířka tepelného ovlivnění materiálu a taky možnost řezat téměř všechny

technické materiály a i vrstevnaté, poddajné materiály, velmi tvrdé i velmi

měkké materiály, apod.

Tloušťka řezaného plechu u oceli dosahuje až 25 mm.

Přesnost řezání je velmi vysoká cca 0,05 až 0,1 mm na jeden metr délky řezu

a kvalita řezných ploch s drsností cca Ra 1,6.

Není nutné používat žádné nářadí.

Nedochází k silovému ovlivnění obrobku.

Hlavní nevýhody

Vysoké pořizovací náklady, drahý provoz a taktéž často nutný servis

odborných firem, protože se jedná o složité zařízení pro údržbu často

neznámou.

Na laseru se rovněž obtížně řežou materiály s dobrou tepelnou vodivostí jako

jsou zlato, stříbro, mosaz, měď a hliník.

Page 10: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 9

2. PŘEHLED METOD ŘEZÁNÍ LASEREM

2.1 LASEROVÉ TAVNÉ ŘEZÁNÍ

Kontinuálním laserovým svazkem se materiál ohřívá na teplotu tavení a proudem

neaktivního plynu je tavenina vyfouknuta z řezné spáry. Vzhledem k vysokému

povrchovému napětí taveniny (vliv šířky spáry, druhu materiálu a použitého plynu)

musí být tlak pracovního plynu velmi vysoký – 10 až 15 barů. Vysoký tlak je nutný i

pro zabránění ulpívání taveniny na spodní hraně řezu. Povrch řezných ploch je

kovově lesklý, bez oxidů i charakteristického oxidového zbarvení. Dosahuje se menší

rychlosti řezání než u jiných laserových metod.

Typickými materiály pro tavné řezání jsou například vysoce legované oceli, měď,

hliník, nikl a nekovové materiály jako je keramika, plexisklo, dřevo atd..

Znaky laserového tavného řezání:

o Na rozdíl od sublimačního řezání jsou možné vyšší řezné rychlosti, protože

materiál řezné spáry nemusí být zplyňován.

o Ve srovnání s oxidačním řezáním se však dosahuje nižších rychlostí.

o Nezoxidovaná řezná hrana

o Řezná hrana u nerezové oceli bez ostrých hran

o U hliníkových slitin o tloušťce materiálu > 3 mm malá tvorba ostrých hran

o Bez nutnosti dodatečného opracování obrobku

o Vyšší spotřeba plynu.

2.2 LASEROVÉ SUBLIMAČNÍ ŘEZÁNÍ

Při sublimačním řezání pulsní laserový paprsek ohřívá materiál na teplotu varu, kdy

dochází k intenzivnímu odpařování. V intervalu mezi pulsy je umožněno parám

materiálu uniknout mimo kapiláru, nebo jsou odstraněny slabým proudem inertního

plynu.

Sublimační řezání lze použít pro tenké plechy a používá se především pro řezání a

vrtání minerálů.

Page 11: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 10

2.3 LASEROVÉ OXIDAČNÍ ŘEZÁNÍ

Definice

Oxidační řezání se od tavného liší především použitím kyslíku jako pracovního plynu

a jeho nižším tlakem cca 3 až 5 barů. Základem řezání je exotermická reakce kyslíku

s řezaným materiálem, která probíhá při příslušné zápalné (reakční) teplotě kovu.

Teoreticky je tedy ohřev laserem nutný jen do této reakční teploty. Při oxidačním

řezání je řezná rychlost i tloušťka řezu výrazně vyšší než u tavného. Oxidační

řezání se využívá pro nelegovanou až středně legovanou ocel, u ostatních kovů

kyslík způsobuje výraznou oxidaci řezných hran. U nelegovaných ocelí je řezná

plocha hladká s tenkou vrstvou oxidů.

Použití

Laserové oxidační řezání se používá výhradně k dělení kovů – nejčastěji uhlíkové

oceli.

Znaky oxidačního řezání

o Při laserovém oxidačním řezání je možné dělení větších tloušťek

plechu než při tavném nebo sublimačním řezání.

o Rychlosti řezání jsou dvojnásobně až trojnásobně vyšší než u

tavného řezání. Oxidační řezání tak umožňuje nejvyšší možnou

rychlost řezání sledovaných procesů řezání laserem.

o V důsledku použití kyslíku jako řezacího plynu je na řezných hranách oxidační

vrstva. U plechů z ušlechtilé oceli tak může v důsledku toho dojít podél řezné

hrany ke korozi. Pokud se ocelové plechy řezané kyslíkem následně lakují, je

přilnavost laku v místech oxidační vrstvy ztížena.

o Větší tvorba rýh na řezné ploše než u tavného řezání.

Page 12: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 11

3. STROJE PRO PÁLENÍ Pro řezání jsou v současné době používány dvě hlavní skupiny laserů:

- CO2 lasery - Nd: YAG lasery

Výběr optimálního laseru pro dané konkrétní použití závisí především na druhu

materiálu, který má být řezán, tloušťce, geometrii řezů a na požadované kvalitě

výsledného řezu. Na trhu je řada odlišných laserových systémů, které jsou

specifikovány:

- kombinacemi vlnové délky

- výkonem

- energií v pulzu

- délkou pulzu

- polarizací svazku

3.1 CO2 LASERY

Nejpoužívanější typ laserů pro řezání. První byl zkonstruován v roce 1966.

U CO2 laserů je aktivní médium směs plynů CO2, N2, He, někdy s dalšími přídavnými

plyny. Toto aktivní prostředí mění přiváděnou elektrickou energii v dutině laseru na

laserové záření, které osciluje v optickém rezonátoru, který je tvořen dvěma nebo

více zrcadly. Vysílá infračervené záření o vlnové délce 10,6µm. Pro vznik emise

záření laser využívá přechody, které nastávají mezi molekulami oxidu uhličitého a

dusíku. Principem laseru je tedy VIBRACE CO2 MOLEKUL. Hlavním účelem helia je

odvod tepla.

Obr. 3 Schéma CO2 laseru: 1 – zadní zrcadlo, 2 – výstupní (přední) zrcadlo, 3 – elektrody, 4

– aktivní médium

Page 13: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 12

Šíření laserového svazku v řezacím stroji

Z rezonátoru (zdroje laserového

záření) se svazek šíří optickou

dráhou, tvořenou odraznými zrcadly.

Většina laserů používá tzv. mobilní

optiku, kdy je tabule plechu

stacionární a 3D pohyb zajišťuje

laserová hlava. Nevýhodou je

proměnlivá délka dráhy paprsku a

pohyb odrazných zrcadel, v

důsledku čehož lze často pozorovat jiné parametry paprsku v různých místech

pracovního prostoru laseru.

Obr.4 CO2 laser

Aktivní médium musí být udržováno v dokonalé čistotě, aby se zabránilo odrazu

paprsku od částic nečistot. Takové prostředí je zajištěno ochrannou atmosférou,

která je do trubic vháněna. Dokonalou filtrací se musí oddělit mechanické

nečistoty, vlhkost, olejové zbytky a další nečistoty a zajistit pokud možno konstantní

teplotu.

Dalším faktorem, který ovlivňuje svazek v optické dráze, je nastavení polohy a

čistota odrazných zrcadel. Jakákoliv nečistota, která na zrcadle ulpí, absorbuje

část energie svazku, která zvyšuje tepelné zatížení zrcadla a snižuje tak jeho

životnost.

3.2 PEVNOLÁTKOVÉ LASERY - ND: YAG LASERY

Základem je Ytrium-Aluminiový granát, ze kterého jsou vyrobeny tyčky kruhového

průřezu.

U tohoto typu laseru je čerpání zajištěno kryptonovými výbojkami s bílým světlem, ze

kterého je absorbováno jen zelené a modré spektrum. Účinnost laseru je velmi nízká

do 5%.

Výbojky i krystal jsou chlazeny deionizovanou vodou a jsou uzavřeny v dutině

rezonátoru, která může mít různý tvar. Vždy se volí tak, aby většina světla z výbojek

dopadala na krystal. Dutina je vakuově pokovena (měď, zlato) ke zvýšení odrazivosti

světla a má kruhový nebo eliptický tvar. Do jednoho ohniska se umístí KRYSTAL,

Page 14: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 13

do druhého BUDÍCÍ LAMPA.

Malá účinnost

pevnolátkových laserů (cca

5%) přináší tyto problémy:

- musí být velký zdroj energie

- přebytečná energie je

přeměňována v teplo

v aktivním prostředí

- vysoké nároky na chlazení

POUŽITÍ: pro vrtání, řezání, svařování, popisování součástí. Obr.5 Nd:YAG laser

3.3 KAPALINOVÉ LASERY

Aktivním prostředím kapalinových laserů jsou roztoky organických barviv nebo

speciálně připravené kapaliny, dopované ionty vzácných zemin. Pro buzení

kapalinových laserů se užívá optické záření. Kapalinové lasery se nepoužívají pro

řezání.

3.4 POLOVODIČOVÉ LASERY

Aktivní prostředí je tvořeno blokem polovodičů, ve kterém jsou aktivními částicemi

nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány.

Laser může být buzen fotony nebo svazkem elektronů. Nejpoužívanější je galium

arsenidový GaAs polovodičový laser. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami

polovodičového materiálu. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich

kompaktnost, velká účinnost

(až 50 %) a možnost

generace záření vlnových

délek od λ = 0,3 do 30 μm.

POUŽITÍ: pro popisování

součástí, řezání a tepelné

svařování.

Obr.6 Konstrukce diodového

laseru

Page 15: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 14

4. ZÁKLADNÍ ČÁSTI LASERŮ

4.1 SCHÉMA LASEROVÉHO ŘEZACÍHO STROJE

Při řezání materiálu laserem je paprsek přiváděn do místa řezu soustavou zrcadel a

v pracovní hlavě j zaostřován čočkou. Pracovní řezací hlava se pohybuje nad

materiálem podle CNC programu v obou osách rovnoběžných s tabulí plechu.

Obr. 7. Schéma zařízení pro řezání laserem

1 - laser, 2 - zrcadlo, 3 - pracovní řezací hlava, 4 - obrobek, 5 - pracovní stůl stroje, 6 -

odsávání zplodin, 7 - CNC řídicí systém, 8 – zásobník asistenčního plynu

Obr.8 Laserový stroj 14 – napájecí zdroj, 15 – chladící systém, 16 – základní rám stroje

Page 16: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 15

4.2 OPTIKA PRO LASEROVÉ ŘEZÁNÍ

Optické komponenty vysoce výkonných laserových systémů jsou velmi drahé a

kritické součásti. Vysoké výkony musí být přenášeny a odráženy v rezonátoru a

v optické cestě k řezanému materiálu bez snížení kvality svazku záření. Schéma

optiky CO2 laseru je na obrázku 9.

Mezi komponenty optické soustavy patří zrcadla a čočky. Dva komponenty musí

záření propouštět, tj. výstupní zrcadlo rezonátoru a fokusační čočky.

Obr. 9 Schéma optiky CO2 laseru

1 – laser

2 – výstupní zrcadlo ZnSe nebo GaAs

3 – zlatý nebo stříbrný povlak

4 – křemík, měď nebo molybden

5 – zrcadla směrující paprsek

6 – lineárně polarizovaný laserový svazek

7 – speciální povlak

8 – fázové zrcadlo

9 – kruhově polarizovaný laserový svazek

10 – zaostřovací čočky ZnSe nebo GaAs

4.3 SYSTÉMY POLOHOVÁNÍ PRO LASEROVÉ ŘEZÁNÍ

2-osý řezací systém

Používá se pro řezání rovinných plechů. Existuje řada variant:

- tzv. „flying optics“ létající optika, pokud se pohybuje řezací hlava

- pohyblivý stůl, na kterém je vzorek umístěn

3-osý řezací systém

Varianty jsou následující:

- létající optika

- kombinace létající optiky, pohyblivého laseru a pohyblivého vzorku

4.4 TLAKOVÝ REGULAČNÍ VENTIL ŘEZACÍHO PLYNU

Tlakový regulační ventil řezacího plynu (proporcionální ventil) umožňuje

programování tlaku řezacího plynu v tlakových stupních po hodnotách 0,125 bar

Page 17: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 16

mezi 0,3 bar a maximálně 20 bar.

Digitální displej, který je rovněž integrovaný v obslužném panelu, umožňuje kontrolu

aktuálního tlaku plynu. Druh plynu nemá žádný vliv na regulační přesnost ventilu v

případě, že jsou zaručeny požadované stupně čistoty.

4.5 REZONÁTOR

Je to optická dutina vymezená zrcadly, které jsou obvykle dvě – jedno je zcela

odrazivé a druhé částečné propustné. Většinou jsou zrcadla dielektrická, někdy může

být leštěný kov, např. zlato.

Zrcadla v rezonátoru nemusí být rovinná, používají se konvexní i konkávní tvary.

Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměru křivosti zrcadel a délce rezonátoru.

Rezonátor je optický systém, který se používá ke zformování a zesílení záření.

4.6 LASEROVÁ ŘEZACÍ HLAVA Laserová řezací hlava je centrálním modulem zařízení – systém čočky a trysky

s přívodem řezacího plynu. Tento systém musí být stabilní, lehce nastavitelný a

zajištěný proti změnám v průběhu řezání.

Důležité komponenty laserové řezací hlavy jsou tubus pro upevnění čočky s

optickými komponenty a plášť řezací hlavy s řezací tryskou a regulace odstupu.

Čočka láme paralelní laserové paprsky a spojuje je do ohniska (fokusu), kde

dosahuje záření své nejvyšší energetické hustoty. Čočka se chladí proudem řezacího

plynu, který je veden koaxiálně k laserovému paprsku do prostoru pod čočkou.

Pomocí řezací trysky, která je dodatečně chlazena malým množstvím tlakového

vzduchu, se vede záření a řezací plyn k opracování na obrobek.

V řezací hlavě, chráněn krycí destičkou, se nachází senzorový systém regulace

odstupu.

Page 18: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 17

Obr. 10 Řezací hlava

1 – Seřizovací šroub se stupnicí

2 – Stupnice Z dělení 1mm

3 – Šroub pro seřizování fokusu

4 – Nastavovací kroužek se stupnicí

0,1mm

5 – Aretační čep

6 – Seřizovací šroub se stupnicí

7 – Připojení zavzduš. vedení paprsku

8 – Horní část řezací hlavy

9 – Seřizovací pojistka

10 – Dolní část seřizovací hlavy

11 – Trubka proudícího vzduchu

12 - Tryska

4.7 REGULACE ODSTUPU

Regulace odstupu zajišťuje konstantní vzdálenost řezací trysky od plechu, zabrání se

tak kolizím mezi řezací hlavou a obrobkem.

Výškové řízení musí být schopno zajistit přesnou vzdálenost čočky a trysky:

a) v případě všech možných pracovních podmínek procesu (řezací rychlost, tlak..)

b) pro řezání nejrůznějších materiálů v dané výrobní situaci (kovové, nekovové)

c) při řezání zvlněného povrchu

Page 19: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 18

Nastavení čočky 20mm pro optiku o

ohniskové vzdálenosti 127mm, 10mm pro

f = 64mm

Nastavení trysky 0 – 2,5mm relativně

k řezanému kusu

Obr.11 Nastavení trysky 1 – čočka, 2 – tryska, 3 – řezaný kus

4.8 MĚNIČ PALET

Zařízení na výměnu palet umožňuje provádět nakládání a vykládání palety paralelně

ke zpracování desky s obrobky, která se nachází v základním stroji. Výměna palet se

provádí v řádech desítek sekund.

Page 20: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 19

5. FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ŘEZÁNÍ LASEREM 5.1 KONSTANTNOST VÝKONU

Rovnoměrný výsledek řezání je zaručen pouze konstantností předvoleného výkonu

laseru během celé doby opracování obrobku. Laser potřebuje po zapnutí cca 10

minut pro vytvoření konstantního výkonu.

Pokles výkonu laseru může mít různé příčiny:

Opotřebení výbojek

Znečištění interního a externího optického systému

Kvalita vody

5.2 PRŮMĚR PAPRSKU

Čím větší je průměr laserového paprsku, tím menší je dosažitelný průměr fokusu a

tím menší je i řezná spára. Možný průměr fokusu však závisí také na ohniskové

vzdálenosti použité fokusační čočky.

Fokusační čočky s ohniskovou vzdáleností 5" umožňují průměr fokusu < 0,12 mm,

čočky s ohniskovou vzdáleností 7,5" průměr < 0,2 mm (obr.12).

obr.12

5.3 TLAK PLYNU

Tlak plynu se musí přizpůsobit tloušťce materiálu obrobku. Přitom je třeba mít na

vědomí, že tlak plynu při řezání s kyslíkem hraje větší roli než tlak plynu při řezání s

dusíkem. Při řezání plamenem se oddělují tenké kovové obrobky s vyšším tlakem

plynu než tlustší obrobky. To je zapotřebí k vyrovnání nedostatku kyslíku při vyšších

rychlostech řezání zvýšeným přívodem plynu.

Page 21: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 20

Při tavném řezání se oproti tomu oddělují tlustší obrobky vyšším tlakem plynu, aby

došlo k vypuzení vazké taveniny z řezné spáry.

Základní pravidlo: při řezání s kyslíkem klesá tlak plynu s přibývající tloušťkou

materiálu, při řezání s dusíkem je tomu obráceně (výjimka: řezání ušlechtilých ocelí

kyslíkem!).

5.4 POLOHA OHNISKA

Důležitým předpokladem pro dobrý výsledek řezání je přesná znalost polohy

ohniskového bodu.

Obr.13 f=poloha ohniska

V zásadě platí:

Řezání konstrukční oceli plamenem:

- U tloušťky plechu do 6 mm je nejvýhodnější orientace ohniska na povrch plechu.

- U tloušťky plechu 8 mm a více se ohnisko situuje nad povrch plechu.

Vysokotlaké řezání:

- Ohnisko je umístěno do plechu.

- Každá tloušťka plechu si zpravidla vyžaduje jinou polohu ohniska.

5.5 POVRCH OBROBKU

Hladké povrchy materiálů jako jsou čistý hliník vedou k silnému odrazu laserového

paprsku a k horším výsledkům řezání. Výsledek řezání zhoršuje rovněž vrstva okují

na povrchu plechu. Výsledek řezání ovlivňují také vrstvy laků, vrstvy barev a plastové

povrchové vrstvy (např. nálepky, popisky).

Lehká olejová vrstva, která existuje na velkém množství plechů, nezpůsobuje žádné

zhoršení výsledků řezání.

Page 22: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 21

Dobře se dají řezat plechy s povrchem následující kvality:

- válcované za studena, mořené, otryskané pískem.

Plechy potažené ochrannou fólií lze úspěšně řezat za předpokladu, že fólie je použita

pouze jednostranně a že se jedná o fólii přímo určenou pro laserové řezání (většina

výrobců toto běžně nabízí). Je třeba počítat s tím, že okraj fólie je mírně opálen, ale

na výrobku to nezanechává stopy. V případě nejasností je

opět lepší provést řezací test konkrétního materiálu.

Obr. 14 Výsledek řezání nerezového broušeného plechu s

ochrannou fólií

Laserové řezání je velmi citlivé na kvalitu materiálu a to především u konstrukčních

ocelí, závisí na:

o chemickém složení – vyšší obsah Si je škodlivý

o způsobu výroby – válcování za tepla či studena

o vadách v materiálu (dutiny, vměstky)

o povrchové rzi, nánosech barvy apod

Obr. 15 Laserový řez na nekvalitním plechu

Proto je vhodné použití plechů speciálně výrobci upravených pro laserové řezání

(příklady viz výše), kde je vyšší cena materiálu

kompenzována rychlejším a levnějším řezáním a lepší

kvalitou řezu. Povrch některých plechů je nutno před

řezáním upravit obroušením či naolejováním apod. U

plechů nejasného složení či původu se doporučuje

provedení řezacích testů před vlastní realizací řezání.

Obr.16 Porovnání kvality laserového řezu na speciálně upraveném plechu (Raex - horní

vzorek) a běžné oceli tl. 15 mm

Laserem nelze řezat více plechů na sobě ani u nízkých tloušťek, dochází ke

svařování dílců k sobě a jiným komplikacím při řezání.

5.6 FOKUSAČNÍ ČOČKA

Znečištěná fokusační čočka se v důsledku zvýšené absorpce laserového záření

zahřívá. Toto zahřívání vede k tomu, že se mění její lomivost.

Page 23: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 22

6. VYHODNOCENÍ KVALITY LASEROVÝCH ŘEZŮ V DIN 2310 jsou popsána kritéria stanovování kvality řezných ploch. Pro hodnocení

laserových řezů se používají následující kritéria:

řezná mezera

hrubost

pravoúhlost

doběh žlábků

tvorba ostrých hran

zóna tepelného vlivu

6.1 ŘEZNÁ SPÁRA

Při řezání laserem vzniká řezná spára, která se zpravidla od horní hrany řezu k dolní

hraně řezu zužuje. Řezná spára (šířka řezné mezery) se udává v [mm].

Měření řezné spáry

U tloušťky materiálu do s = 3 mm :

Řezná spára se měří v zářezu obdélníku.

Pomocí spároměru se přitom stanovují dvě

hodnoty:

1.hloubka zapíchnutí s/3 (viz obr.17)

2.hloubka zapíchnutí s (viz obr.17)

Příčiny příliš velkých řezných spár jsou:

špatná poloha ohniska

znečištěná čočka

poškozený povlak čočky

tepelné chování laserového paprsku v

důsledku znečištěné optiky rezonátoru

Obr.17 Princip měření řezné spáry

6.2 KVALITA POVRCHU – HLOUBKA DRSNOSTI

Průměrná hloubka drsnosti Rz je aritmetickým průměrem jednotlivých hloubek

drsnosti pěti vzájemně sousedících reprezentativních samostatných tras měření.

Hloubka drsnosti se měří v [µm].

Page 24: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 23

Měření hloubky drsnosti

Hloubka drsnosti se měří u laserových řezů podle normy (DIN 2310) u plechů o síle

do 2 mm ve středu řezné hrany, u plechů o větší tloušťce ve 2/3 hloubky místa

vstupu paprsku (viz obr.18).

Obr.18 Měření drsnosti řezné plochy

u různých tloušťek plechů

Hloubka drsnosti řezných ploch kovových obrobků je ovlivňována:

špatným tlakem plynu (příliš vysoký nebo příliš nízký)

špatnou řeznou rychlostí (příliš vysoká nebo příliš nízká)

špatným výkonem laseru (příliš vysoký nebo příliš nízký)

6.3 PRAVOÚHLOST

Tolerance pravoúhlosti u je vzdálenost dvou paralelních přímek, mezi nimiž musí

ležet profil řezné plochy pod teoreticky správným úhlem u svislých řezů tedy pod 90°.

V toleranci pravoúhlosti je obsažena jak odchylka od přímkové rovnosti, tak odchylka

rovinnosti (viz obr. 19).

Měření tolerance pravoúhlosti

Tolerance pravoúhlosti se měří pomocí číselníkového úchylkoměru.

Obr.19 Měření pravoúhlosti, 1 – oblast stanovení tolerance pravoúhlosti, s – tloušťka plechu,

u – tolerance pravoúhlosti, Δs – hodnota, o kterou se oblast stanovené tolerance

pravoúhlosti zmenší. Tato hodnota je závislá na tloušťce plechu.

Page 25: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 24

Příliš velká odchylka tolerance v pravoúhlosti může být způsobena:

špatnou polohou ohniska

špatným tlakem plynu

špatnou řeznou rychlostí

6.4 DOBĚH ŽLÁBKŮ

U řezání drážek získává řezná hrana

typický drážkovaný vzor. V případě nízké

řezné rychlosti je průběh těchto drážek

téměř paralelní s laserovým paprskem.

Čím vyšší je řezná rychlost, tím

intenzivněji se drážky otáčejí proti směru

řezání. Obr.20 Znázornění doběhu žlábků

Jako doběh drážek nebo doběh žlábků se označuje největší vzdálenost mezi dvěma

řeznými drážkami ve směru řezání.

Možné příčiny:

vysoká rychlost řezání

nízký výkon laseru

poloha ohniska příliš nízko

nízký tlak kyslíku

6.5 TVORBA OSTRÝCH HRAN

Při tvorbě ostrých hran se může jednat o silně přilnavé kovové výčnělky, které nelze

bez dodatečného opracování odstranit, nebo o ulpělou struskovitou hmotu, kterou lze

snadno odstranit bez dodatečného opracování.

Hrany kovových materiálů řezané laserem by měly být převážně nebo zcela bez

ostrých hran.

a) b) c)

Obr. 21 a)Zrnkovitá kovová ostrá hrana b)Střapatá kovová hrana s oxidovaným povrchem,

c) struskovitá ostrá hrana

Page 26: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 25

Tvorba ostrých hran u Popis chyby Možné příčiny chyby

Rst 37-2: standardní řezání kyslíkem

Ostrá hrana po straně se struskovitou hmotou (snadno odstranitelná, lámavá)

- nízký tlak kyslíku - špatná rychlost řezání - nevhodná poloha ohniska

Kovová ostrá hr. (těžko odstranitelná)

- vysoká rychlost řezání - špatný výkon laseru - znečištění kyslíku

1.4301: standardní řezání kyslíkem

Ostrá hrana se struskovitou hmotou (snadno odstranitelná, lámavá)

- tlak kyslíku příliš nízký - špatná poloha ohniska - nevhodná rychlost řezání

1.4301: vysokotlaké řezání s dusíkem

Tvorba dlouhých ostrých hran Kovová ostrá hrana těžce odstranitelná

- příliš nízká rychlost řezání - ohnisko moc vysoko - nízký tlak dusíku - přehřátí materiálu u úzkých obrysů, je-li zvolen příliš malý posuv

Tvorba dlouhých ostrých hran (odstranitelné rukou)

- vysoká rychlost řezání - poloha ohniska příliš hluboko

6.6 ZÓNA TEPELNÉHO VLIVU

U tepelných opracování laserovým paprskem dochází k tepelnému ovlivnění

materiálu vlevo a vpravo od řezné spáry, resp. kolem místa zapíchnutí. Toto tepelné

působení má za následek změnu struktury materiálu, jejíž míru lze posoudit nejlépe

mikroskopicky na jemném řezu.

Příčiny tepelného ovlivnění

příliš vysoký výkon laseru

příliš nízká rychlost řezání

příliš malý tlak plynu

Obr. 22 Tepelné ovlivnění okrajů součásti při pálení

na laseru

Page 27: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 26

7. POSTUP PÁLENÍ NA LASERU

7.1 KONTROLA STROJE

Před samotným řezáním je důležité u stroje zkontrolovat:

Množství plynu v bombách (plyny He, N2, CO2 ), uvolnění plynových ventilů

Množství destilované vody u chladícího zařízení.

Žádné chybové hlášení apod.

UVEDENÍ STROJE DO PŘÍPRAVNÉHO STAVU

Stroj po zapnutí hlavním vypínačem je natlakován 1000 bar – tento tlak se pak upraví

na 125 bar. Následně se stroj nastaví na referenční bod, od kterého se všechny

hodnoty budou počítat.

7.2 KONTROLA A ČISTOTA ČOČKY

Podle tabulky rozhodneme kterou řezací hlavu použít – s označením 5“ nebo 7,5“

(funkce a rozdíl byl popsán již dříve). Vymontujeme řezací hlavu, kterou

rozšroubujeme a z ní vezmeme čočku, kterou popřípadě vyčistíme lihem pomocí

sady na čistění této čočky a vložíme ji nazpět. Je také důležité dát čočku do hlavy ze

správné strany!

7.3 NASTAVENÍ LASEROVÉHO PAPRSKU K OTVORU TRYSKY

Fokusační čočka musí být nastavena tak, aby byl zaostřovaný laserový paprsek

uprostřed otvoru trysky. Zaostřený laserový paprsek smí být mimo středu trysky

maximálně o 0,05 mm (obr.23).

Pro toto nastavení se používá tryska s nejmenším průměrem (většinou 0,8mm),

jejichž otvor přelepíme lepící páskou,

do které pak pomocí softwarového

nastřelovacího programu vypálíme

otvor, který pak zkontrolujeme pomocí

lupy a v případě potřeby provedeme

nápravu pomocí seřizovacích šroubů.

Obr.23 Nastavení paprsku a) paprsek ve středu b) paprsek mimo střed

Page 28: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 27

7.4 OTVOR TRYSKY

Výběr správné trysky pro dané opracování je velmi důležitý. Při vysokotlakém řezání

se používají trysky s větším otvorem než u standardního řezání. Deformovaný otvor

trysky, např. oválně zdeformovaný po kolizi, může stejně jako excentričnost vést ke

směrově podmíněným chybám řezání.

Tab. Rozdělení a použití trysek:

Průměr trysky Tloušťka plechu

0,8mm

1mm

1,4mm

1,7mm

2,3mm

nejtenčí až 3mm

3mm až 6mm

6mm až 10mm

10mm až 15mm

15mm až nejtlustší

7.5 NAHRÁNÍ PROGRAMU DO STROJE

Program vhodný pro řezání většinou programuje k tomu určený programátor. Tento

vytvořený program s určitým označením je tedy nutno do stroje nahrát. Je tu více

možností:

Z centrálního počítače nahrajeme daný program na disketu a tu pak vložíme

do speciálního čtecího zařízení u stroje

Počítač je propojený se strojem a pomocí k tomu určeného programu

jednoduše převedeme daný program

Stroj je napojený přímo na firemní síť, po které může programátor přímo

posílat dané programy do stroje

VYTVOŘENÍ VLASTNÍHO PROGRAMU NA STROJI

Některé jednodušší tvary je možné si vytvořit přímo na stroji pomocí pomocného

programu, který může být různých typů (podle používaného softwaru – často systém

Bosh nebo Siemens). Lze tedy vytvořit při zkušenostech každý tvar, ale obsluze

stroje by to zabralo spoustu času.

7.6 VYTVOŘENÍ NC – PROGRAMU

NC – program si vytvoří obsluha stroje postupným správným nastavením určitých

hodnot:

7.6.1 Výběr tabulky pro řezání

Nejprve je nutné vhodně vybrat tabulku pro daný typ materiálu a tloušťku tabule

plechu (tabulky jsou nahrány ve stroji). V tabulkách je možné si všimnout hlavní

Page 29: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 28

rozdíly v použití hlav, trysek, různých autolasů, mezery, odstupu apod. Některé

hodnoty se zase shodují – výkon nebo propalovací tlak.

7.6.2 Vytvoření makra nebo automatické rozložení kusů

Makro

Tato část softwaru stroje slouží pro umístnění jednotlivých tvarů do stanoveného

formátu plechu. Součást(ti) se uloží do zvláštního adresáře a z něho se pak podle

potřeby vybírají potřebné tvary. S nimi je potom možné provádět různé činnosti :

Posouvání v osách X a Y

Otáčení v určených stupních kolem nastaveného středu

Zrcadlové převrácení

Kopírování označeného tvaru nebo i více tvarů v různých směrech

Takto se umístí jednotlivé součásti pokud možno co nejvhodněji a toto makro se uloží

pod vybraný název. Makro následně v případě potřeby použijeme.

Automatické rozložení kusů

Používá se pro rychlé nastavení jednodušších tvarů, které není potřeba různým

způsobem rozmísťovat.

Postup :

Nastavení formátu tabule ( např. 3000 mm x1500 mm)

Okraje od konce tabule – levý, pravý, spodní viz. Obr.24

Mezery mezi jednotlivými kusy – v ose X a potom a ose Y

Program potom automaticky nabídne počet kusů v jednotlivých osách, které

se do daného formátu naskládají podle stanovených hodnot

Obr.24 Souřadnice na tabuli plechu

Page 30: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 29

Následuje umístění jednotlivých propalů (počátků řezání) a nastavení jejich dráhy. U

tvarů s rohem obr.25, u tvarů s rádiusem obr.26.

Obr.25 Propaly v rozích Obr.26 Propaly v oblých tvarech

Dále můžeme ještě nastavit posloupnost pálení jednotlivých kusů nebo nechat

automatické nastavení. Pak už jen zvolíme číslo programu a NC – program je hotový.

7.7 NALOŽENÍ MATERIÁLU NA PALETU

Na tuto paletu naložíme požadovaný materiál např. pomocí:

o přísavného podavače na jeřábu – pro plechy s velmi kvalitním povrchem

o magnetu – omezená hmotnost, nelze použít na nerezový plech

o jeřábu s přídavnými háky pro přenos plechů

Plech je nutné dát na paletu pokud možno co nejvíce přesně, protože stroj má

nastavený referenční bod, na který jsou nastaveny na paletě dorazy pro plechy.

7.8 ŘEZÁNÍ

Při řezání je možné regulovat rychlost a tlak (pomocí regulačních ventilů). Řezání je

možno kdykoli přerušit a zkontrolovat průběh řezání.

7.9 VYJMUTÍ KUSŮ Z ODPADU

Jednotlivé kusy je možné vyjmout magnetem nebo odpad odstraníme pomocí háků a

dáme na místo pro odpad. Jednotlivé kusy je pak možno jednoduše posbírat a

označit – někde popisem, jindy čárovým kódem (modernější).

7.10 KONTROLA KVALITY ŘEZU

Pokud jsou u vypálených kusů zvýšené požadavky na kvalitu a geometrickou či

rozměrovou přesnost, musí se provést kontrola těchto parametrů. Tyto jsou popsány

v kapitole 6.

Page 31: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 30

8. POUŽITÍ LASERU V TECHNOLOGII V technologii se laser začal používat od druhé poloviny 60. let. Vývoj laseru i jeho

aplikace procházejí neustálou inovací. Sledují se jak nové technické možnosti, tak i

příznivější ekonomie provozu. Laserovou technologii definujeme jako opracování

materiálu založené na:

- využití schopnosti laseru koncentrovat optickou energii v prostoru, čase a

spektrálním intervalu;

- interakci optického záření s látkou.

Základní předností laserových technologických operací je:

- možnost opracování bez mechanického kontaktu s výrobkem,

- možnost opracování obtížně přístupných částí materiálu,

- technologické zpracování těžkoobrobitelných materiálů.

V technologii se laser používá pro svařování, vrtání, řezání, tepelné zpracování,

značení a gravírování, povrchové úpravy, povlakování, metody tvorby modelů a

prototypů (Rapid Prototyping) a pro laserovou podporu konvenčního obrábění. Každá

z těchto oblastí má svá specifika, pokud jde o typ laseru a způsoby jeho užití.

Obrobitelnost materiálu laserem je dána zejména těmito vlastnostmi:

- pohltivostí, tj. schopností pohlcovat světelnou energii a měnit ji na kinetickou

energii neuspořádaného pohybu molekul nebo atomů absorbující látky, tzn. na

tepelnou energii;

- tepelnou vodivostí;

- odrazivostí, která je dána poměrem množství odražené energie k energii

dopadající.

Obrobitelnost materiálu

laserem je tím lepší, čím

větší je pohltivost materiálu a

menší jeho tepelná vodivost

a odrazivost.

Obr.27 Procentní využití laserů v technologii

Page 32: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 31

OTÁZKY K OPAKOVÁNÍ

1. Čím musí být vybaveny lasery skupiny III b) z hlediska bezpečnosti práce?

2. Vypište druhy laserů.

3. Popište obrázek – schéma řezání laserem.

4. Jaké jsou řezné plyny pro řezání laserem (druhy, použití, tlak plynu)

5. Uveďte výhody a nevýhody řezání laserem.

6. Laserové tavné řezání – princip.

7. Laserové oxidační řezání – princip, výhody, nevýhody.

8. Schéma CO2 laseru.

9. Co znamená pojem mobilní (létající) optika?

10. K čemu slouží výstupní plynová tryska a jak se volí její průměr?

11. Jaký plyn (směs plynů) se používá u CO2 laseru.

12. Popište, k čemu se používá rezonátor.

13. Vypište druhy aktivního prostředí u laserů.

14. K čemu se používá funkce AutolasPlus?

15. Popis laserové řezací hlavy.

16. Vypište faktory ovlivňující kvalitu řezání laserem.

17. Jak ovlivňuje kvalitu řezání povrch plechu: - hladký povrch součásti?

- olejová vrstva?

18. Jak ovlivňuje kvalitu řezání znečištěná fokusační čočka?

19. Co může být příčinou kovových ostrých hran?

20. Jaké jsou příčiny vzniku zářezů do materiálu v místě řezu?

21. Co se musí u stroje kontrolovat před započetím řezání?

Page 33: Modul: Nekonvenní technologie obrábní Laser...Datum zahájení projektu: 01.11.2010 Datum ukonení projektu: 30.06.2012 Obor: Strojní mechanik Mechanik seřizova Roník: SM –

Střední odborná škola technická Uherské Hradiště, Revoluční 747, 686 06 Uherské Hradiště

OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název projektu: Sbližování teorie s praxí 32

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

1. Návod k provozu, vydáno firmou TRUMPF Praha, březen 1999

2. NOVOTNÝ, J.; DUBENSKÝ, R. Progresivní metody svařování a tepelného

dělení materiálu. Technickoekonomický výzkumný ústav hutního průmyslu,

Praha4, 1986 SIP 41093/04867

3. HOUŠA, J. Stavba vysoce dynamických obráběcích strojů a použití laseru

v obrábění. ČVUT v Praze, 2001 ISBN 80-238-6787-3

4. Kolektiv autorů: Moderní způsoby tepelného dělení materiálů. KV komitétů pro

svařování. Dům techniky Pardubice, 1985 Evidenční číslo 60/712B/85.

5. MINAŘÍK, V. Tepelné dělení materiálu. ČVUT v Praze, Fakulta strojní. Praha

1993 ISBN 80-01-01028-7.

6. HLUCHÝ, M.; KOLOUCH, J. Strojírenská technologie 2, Polotovary a jejich

technologičnost, 1. díl. Scientia, spol. s r.o. Praha, 2001 ISBN 80-7183-244-

7. webové stránky www.lasertech.cz, www.mmspectrum.cz, www.rezani-

vodnim-paprskem.cz, další obrázky byly speciálně pro tuto učebnici vytvořeny

programem AutoCAD 2009.


Recommended