Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikací

Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta

Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikací Hana Chmelíčková

Olomouc 2012

Oponent: Ing. Mgr. Hana Šebestová

Publikace byla připravena v rámci projektu Investice do rozvoje vzdělávání Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

1. vydání © Hana Chmelíčková, 2012 © Univerzita Palackého v Olomouci, 2012 Neoprávněné užití tohoto díla je porušením autorských práv a může zakládat občanskoprávní, správněprávní, popř. trestněprávní odpovědnost. ISBN 978-80-244-3076-8 NEPRODEJNÉ

Obsah Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikace …...…

5

Úvod ...………………………………………………………….

5

1 Inovace průmyslových laserů ...……………….……….…….. 8 1.1 Inovace plynového CO2 laseru .………………………. 8 1.2 Diodou čerpané pevnolátkové lasery ………..………… 9 1.3 FASER – vláknový laser .……………………………… 11 1.4 Průmyslové diodové lasery ……………………………. 13 2 Inovace technologií ...…..…………………………….…….… 2.1 Laserové řezání a vrtání .....…………………………... 2.2 Laserové svařování a pájení kovů ..…………………… 2.3 Transmisní svařování plastů …………………………..

15 15 16 18

Závěr ……………………………………………………………

19

Literatura ……………………………………………………….

20

.

5

Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů. CZ.1.07/2.3.00/09.0042

Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikací Hana Chmelíčková Abstrakt. Laserové technologie jsou neustále zdokonalovány s cílem zvýšení kvality a produktivity procesu, s čímž je spojeno snižování výrobních nákladů, úspora energií a vstupních surovin. Základem inovací jsou nové typy pevnolátkových a polovodičových laserů s vysokou účinností a kvalitou svazku při vysokých výkonech. Tyto lasery umožňují atermální mikroopracování materiálů, metodu dálkového řezání a svařování, zlepšení kvality opracování. Jsou vyvíjeny hybridní technologie pro spojení výhod přesného laserového svařování s nízkými provozními náklady metod klasických.

Úvod Brzy po svém objevu začaly lasery konkurovat konvenčním technologiím opracování materiálu a to díky možnosti fokusace laserového svazku na úzkou stopu o průměru řádově od 1 µm do 1 mm v závislosti na vlnové délce záření, kvalitě svazku a parametrech fokusační optiky. Laserové průmyslové technologie lze rozdělit podle fyzikální podstaty procesu interakce s materiálem na fototermální nebo fotochemické, tzv. atermální. Zpracování kovových i nekovových materiálů kontinuálními a pulsními lasery s délkou pulsu do 10-6 s, které emitují ve viditelné a IČ oblasti spektra, je založeno na indukovaných termálních procesech, jenž způsobí rychlý ohřev materiálu na teplotu transformace, tavení nebo odpařování a které jsou vhodné pro materiály s tloušťkou řádově desetiny až desítky milimetrů (Obr.1). Například CO2 laserem o výkonu 10 kW lze dosáhnout hloubky řezu až 25 mm (Obr.2). Metodou vysokotlakého oxidačního řezání HiPOX Nd:YAG laserem o výkonu 1,6 kW byla dosažena hloubka až 40 mm.

Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Studijní text projektu RCPTM-EDU

6

Pro speciální mikroaplikace v elektronice, telekomunikacích, energetice, medicíně atp. je určeno atermální zpracování, založené na interakci materiálů s krátkými (10-9 s) a ultrakrátkými pulsy (10-12 s až 10-15 s), které způsobí tzv. „optical breakdown“. Absorbované záření ionizuje molekuly, které jsou následně elektrostatickými silami vytrženy z materiálu. Je eliminován ohřev materiálu a případné deformace, okuje nebo spáleniny. Přirozeným zdrojem pikosekundových pulsů v ultrafialové oblasti spektra jsou excimerové lasery. V celkovém zastoupení jednotlivých druhů laserů v průmyslu si tyto lasery udržují podíl 17 % i přes svou malou účinnost 1 %. Vlnová délka těchto laserů je výborně absorbována polymery, organickými tkáněmi, odrazivost kovů za normální teploty je pro UV záření 2 x až 3 x menší než pro IČ záření. Nejznámějšími aplikacemi jsou stereo-foto-litografie (Obr.3) a výroba integrovaných obvodů. V medicíně jsou dnes běžně používány metody pro korekci očních vad PRK (fotorefraktivní keratektomie), LASIK (Laser in situ keratomileusis) a LASEK (Laser subepithelial keratomileusis).

Obr.1: Model vyřezaný ze dřeva

Obr.2: Řezná hrana oceli 25 mm

Obr.3: UV stereolitografie

Obr.4: Kardiostent z nitinolu

Hana Chmelíčková: Inovace v oboru laserových technologií

7

Ultrakrátké pulsy (kratší než 1 ps) lze získat u pevnolátkových diodových nebo vláknových laserů metodami synchronizace módu „mode-locking“ a následným zesílením metodou CPA „chirping pulse amplification“. Ultrakrátké (femtosekundové) lasery zaznamenaly v posledních letech přechod z vědeckých laboratoří do průmyslových aplikací, řada světových firem (Raydiance, Time-Bandwidth, Amphos, Jenoptik, Lumera, Amplitude) pružně na tuto skutečnost reaguje a nabízí femtosekundové laserové systémy pro výrobu stentů z nitinolu nebo vstřebatelných materiálů, řezání zlata, platiny a wolframu, texturování křemíku atd. Například laser Raydiance Smart LightMDTM je používán mimo jiné pro výrobu kardiostentů o průměru 711 µm a tloušťkou stěny 127 µm (Obr.4). [1]. Opracování ultrakrátkými pulsy může nahradit stávající termální technologie vrtání chladících tunelů do lopatek turbín, kdy docházelo nežádoucím deformacím výrobku a změně krystalické struktury v okolí vrtu. Podle kombinace plošné hustoty výkonu laserového svazku a interakčního času lze rozdělit laserové technologie do šesti základní skupin: skupina strukturální změny (bez natavení) spojování (tavení až vypařování) dělení (tavení až vypařování) zušlechtění povrchu povrchová ablace výroba prototypů

plošná hustota výkonu

104 W.cm-2 5 10 W.cm-2 105 W.cm-2 107 W.cm-2

interakční čas 10-2 s 3s 10-3 s -1 10 s 10-4 s 10-2 s

104 W.cm-2 106 W.cm-2 106 W.cm-2 8 10 W.cm-2 103 W.cm-2 106 W.cm-2

10-3 s 10-1 s 10-6 s -9 10 s 10-3 s 10-9 s

103 W.cm-2

modifikace transformační zpevňování žíhání injektáž příměsí a napařování kondukční svařování tvrdé a měkké pájení hloubkové svařování tavné řezání oxidační řezání sublimační řezání orýsování s následným zlomem přetavování legování a plátování leštění a strukturování popisování a gravírování čištění selektivní odstraňování vrstev slinování laminování vytvrzování

Společně deklarované výhody těchto technologií jsou především bezkontaktní opracování, vysoká procesní rychlost, vysoká přesnost a kvalita opracování,


8

opakovatelnost procesu. Nevýhodou je vždy vysoká vstupní cena laserového systému. Provozní náklady pak závisí na účinnosti laseru, na časové náročnosti a frekvenci údržby, na ceně náhradních dílů a míře degenerace aktivního prostředí.

1. Inovace průmyslových laserů Donedávna bylo laserové opracování kovových i nekovových materiálů do 25 mm doménou vysoko-výkonových plynových CO2 laserů a pevnolátkových výbojkou čerpaných Nd:YAG laserů. CO2 lasery s vlnovou délkou 10,6 µm, vysokou kvalitou svazku K > 0,9 a výkony do 20 kW při celkové účinnosti 10 % jsou určeny pro oxidační řezání nízkouhlíkových ocelí do 25 mm a tavné řezání korozivzdorných ocelí do 15 mm v 2D systémech s pracovním rozsahem až 4 m x 5 m. Dále jsou komponovány do systému pro hloubkové svařování profilů. Daleké IČ záření CO2 laseru je také výborně absorbováno nekovy a organickými materiály (keramika, plexisklo, komposity, polykarbonáty apod.).

1.1 Inovace plynového CO2 laseru Konstrukce rezonátoru je neustále zdokonalována s cílem zvýšit účinnost systému a kvalitu svazku. Původně několik metrů dlouhé výbojové trubice laserů s příčným prouděním jsou rozděleny na kratší segmenty a pomocí odrazných zrcadel sestaveny do kompaktního čtvercového tvaru, příkladem je patentovaný tvar rezonátoru laseru TruFLOW firmy Trumpf GmBh (Obr.5) Pro výkony 1 kW až 2,5 kW je navržena moderní konstrukce „SLAB“ – difusně chlazeného deskového laseru (Obr.6). Není nutný vnější zdroj plynové směsi, zásobník o obsahu 10 litrů vystačí na 12 měsíců nepřetržitého provozu, směs v rezonátoru je obnovována po 72 hodinách provozu [2].

Obr.5: TruFLOW rezonátor (TRUMPF)

Obr.6: Schéma SLAB laseru ROFIN


9

Nestabilní rezonátor je tvořen dvěma válcovými zrcadly a generovaný svazek má obdélníkový průřez. Vnější, vodou chlazená jednotka jej transformuje na rotačně symetrický svazek s vysokou kvalitou (K > 0,8). Vedení laserového svazku do pracovní hlavy vyžaduje precisně seřízená zrcadla z nákladných materiálů (ZnSe, měď, zlato). Neželezné kovy jako hliník a slitiny mědi jsou vlnovou délkou CO2 laseru velmi těžko opracovatelné díky vysoké reflexivitě povrchu, pro tyto kovy je vhodnější blízké IČ záření 1 064 nm Nd:YAG laseru. Spojením několika krystalů lze dosáhnout výkonů až 8 kW a záření lze vést optickým vláknem na vzdálenější místo opracování. Celková účinnost je díky optickému čerpání široko-emisní kryptonovou výbojkou velmi nízká, pouze 3 %. S rozvojem výroby polovodičového laseru zaznamenal vývoj laserových průmyslových systémů čtyři výrazné změny:

1.2 Diodou čerpané pevnolátkové lasery

relativní optická hustota

absorbce Nd:YAG krystalu

relativní spektrální radiance

Velmi nízká účinnost čerpání Nd:YAG krystalu výbojkou byla mnohonásobně zvýšena čerpáním polem monochromatických diod (808 nm), jejichž záření odpovídá absorpčnímu maximu neodymového iontu (Obr.7). V kombinaci s původním tyčinkovým tvarem krystalu nachází uplatnění v laserovém značení a mikroaplikacích, délka pulsu, generovaná Q-spínáním (Q-switching) je desítky nanosekund. Pro opracovaní nekovů jsou do rezonátoru zařazeny nelineární krystaly pro generaci druhé a třetí harmonické vlnové délky (532 nm a 355 nm).

spektrální emise čerpání výbojka laserová dioda

vlnová délka ( µm )

Obr.7: Srovnání optického čerpání pevnolátkových laserů výbojkou a diodou Čerpání polem diod umožnilo rovněž vývoj nových tvarů a chemického složení aktivního prostředí. Matrice krystalu YAG je dopována iontem yterbia,

10


jehož koncentrace je 30 % na rozdíl od nízké koncentrace neodymu 1%, vlnová délka záření je 1029 nm resp. 1030 nm, je využívána rovněž druhá harmonická vlnová délka 515 nm. Geometrie diskového laseru odstraňuje nežádoucí „thermal lensing effect“, zhoršující kvalitu svazku tyčinkového krystalu, svazek má gaussovské rozdělení intenzity se zaručenou kvalitou M2 = 1 až 1,1 i při výkonech do 100 W. Yterbium:YAG krystal o velmi malé tloušťce 0,24 mm a průměru 10 mm je zároveň substrátem pro zadní zrcadlo optického rezonátoru a je uchycen na chladícím prstu, který udržuje stálou teplotu s maximální odchylkou 0,1o C (Obr.8).

Obr. 8: Schéma rezonátoru diskového laseru ROFIN[2]

Absorpční spektrum yterbia v rozsahu 850 nm – 1050 nm s výraznými maximy 914 nm, 941 nm, 968 nm umožňuje vysoce účinné čerpání řadou InGaAs diod, emitujících záření 940 nm - 970 nm s požadovanou plošnou hustotou výkonu 20 kW.cm-2. Yb:YAG disk má řadu výhod proti běžně používanému krystalu Nd:YAG, např. lepší kvalitu svazku a vyšší účinnost čerpání. Výstupní svazek je z rezonátorů vyvázán do optického vlákna s možností napojení do vzdálené pracovní hlavy na rameni robota. Režim generace záření může být kontinuální nebo pulsní Q-switch s frekvencí 1 kHz – 15 kHz a energií 12 mJ v pulsu o délce 400 ns – 500 ns (vhodné pro čerpání dalšího optického oscilátoru) nebo modulované s frekvencí 50 kHz a energií řádově 1 µJ v pulsu o délce 500 fs (vhodné pro mikrozpracování materiálu a nelineární optiku). Kontinuální diskové lasery mohou být spojeny do baterie o celkovém výkonu několika kilowattů (TruDisc 16003, 16 kW) s celkovou účinností 15 % - 30 % a kvalitou svazku 2 mm·mrad. Jsou zařazeny do systémů pro svařování, pájení a řezání tenkých plechů.


11

1.3 FASER – vláknový laser Na přelomu století byl vyvinut vláknový laser, někdy nazývaný též FASER, kde aktivním prostředím je několika metrové křemíkové vlákno, dopované jedním z prvků vzácných zemin – yterbium (1060 nm -1120 nm), erbium (1540 nm – 1620 nm) thulium (1720 nm - 2000 nm) nebo neodym (1064 nm). Čerpání diodou v ose vlákna vede k vysoké účinnosti čerpání od 70 % do 90 %, snižuje se ohřev aktivní látky (Obr.9). Navíc je teplo rozptýleno po celé délce vlákna, což zamezí jeho poškození a poklesu kvality svazku s teplotou. Rezonátor ve formě Braggovy mřížky, vytvořené přímo v krajních úsecích vlákna nevyžaduje žádnou údržbu (Obr.10).

Obr.9: Čerpání vláknového laseru diodami

Obr.10: Schéma vláknového laseru

Svazek má vysokou kvalitu a může být fokusován na velmi malý průměr. Maximální výkon z jednoho vlákna může být až 200 W, vyšších výkonů je dosaženo kombinací více vláken do svazků (např. 1 kW výkon poskytuje 10 vláken s výslednou kvalitou svazku M2 = 7 – 10) a následně do bloků o celkovém výkonu až 30 kW. Pro průmyslové aplikace nabízí firma IPG Photonics vláknové lasery do výkonu 10 kW. Vlnová délka v blízké IČ oblasti 1070 nm dovoluje zpracovat jak železné, tak i neželezné kovy do tloušťky 25 mm. Hlavní výhodou vláknového laseru je vedení svazku z rezonátoru dalším vláknem bez nutnosti použití citlivých optických prvků. Vysoká kvalita svazku umožňuje fokusaci na průměr stopy 0,1 mm a dosažení vysokých řezných rychlostí. Z uvedeného je zřejmé, že zařazení vláknového laseru do procesu laserového opracování materiálů znamená zvýšení produktivity, rozšíření možnosti zpracování materiálů a výrazné úspory ve spotřebě elektrické energie a provozních plynů. Jsou patentovány další metody čerpání, například britská firma SPI Lasers, Southampton je majitelem patentu „GTWaveTM fibre geometry“, kdy vysoko-

12


výkonné multimodové čerpací diody jsou navázány do vlákna, které vede souběžně s vláknem aktivním ve společném vnějším obalu. Odpadá tak napojení čerpacích diod do aktivního vlákna pomocí trnu. Hlavní výhodou je možnost zavedení více čerpacích vláken (standardně čtyř) a prodloužení rezonátoru, což vede ke zvýšení účinnosti čerpání a možnosti dosažení vyšších výkonů. Technologií GTWaveTM jsou vyrobeny lasery v několika produktových řadách firmy SPI Lasers. Lasery RedPOWER R4 s výkony od 25 W do 500 W s kvalitou svazku M2 < 1,1, který lze fokusovat na stopu průměru až 10 µm, jsou určeny pro mikroopracování materiálů (elektronické součástky, lékařské implantáty). Z hlediska uživatele je zajímavé kompaktní provedení s hmotností 45 kg a pouze s jednofázovým elektrickým připojením. Do výkonu 200 W není potřeba externí chladič. Režim generace je kontinuální nebo vysokofrekvenční do 100 kHz. Lasery RedEnergy G4 s výkony od 10 W do 70 W jsou určeny pro značení a pulsní mikroaplikace. Kombinací pulsu o délce desítky nanosekund a energii až 1,25 mJ dosahují výkonu v pulsu až 20 kW. Lasery řady RedPOWER OEM s výkony od 500 W do 1000 W, s kvalitou svazku M2 < 1,1 a celkovou účinností 30 % jsou určeny pro průmyslové aplikace řezání a svařování. Pro dosažení vyšších výkonů mohou být spojovány do bloků. V budoucnu nahradí výbojkou čerpané pevnolátkové lasery [3]. Další modifikací vláknového laseru je tzv. vláknový diskový laser (Obr.11).

Obr.11: Schéma vláknového diskového laseru [4]


13

Pro překonání maximálně dosažitelného výkonu z jednoho vlákna s čelním čerpáním byl ve firmě Hamamatsu Photonics K. K. Laser Group vyvinut tzv. vláknový diskový laser (Fiber Disk Laser). Optické vlákno je svinuto do několika koncentrických, vzájemně se dotýkajících kruhů, které vytváří plochý disk. Tato speciální geometrie umožňuje získat vysoký výkon se zachováním všech kvalit běžného nízko-výkonového vláknového laseru. Čerpání svinutého vlákna je realizováno příčně čtyřmi bloky, obsahující tři lineární řady laserových diod o výkonu 70 W, které jsou rozmístěny těsně u vnějšího povrchu disku s intervalem 90°, záření je postupně absorbováno jádrem vlákna. Na rozdíl od čelního nebo podélného čerpání probíhá čerpání vláknového disku na mnohem větší ploše. Velmi účinné chlazení je zajištěno výměníkem tepla na horní i dolní ploše disku. Samozřejmě určitá část čerpacího záření se ztrácí díky rozptylu uvnitř vlákna, velikost ztrát roste úměrně s délkou vlákna, při návrhu jeho optimální délky je třeba vzít v úvahu také absorpci a disperzi záření sklem. Výstupní záření má vlnovou délku 1 100 nm a výkon 580 W, kvalitu svazku menší než 10 mm·mrad. Dva vláknové diskové lasery lze spojovat do kaskádové nebo paralelní konfigurace s výkonem nad 1 kW [4].

1.4 Průmyslové diodové lasery První emise z polovodičového přechodu byla realizována již v roce 1962 R.N. Hallem, v 70. letech byly vyvinuty diody s dvojím hetero-přechodem, schopné pracovat v kontinuálním režimu. V roce 2000 byla udělena za vývoj polovodičového laseru I. Alfjorovovi a H. Kroemerovi Nobelova cenu za fyziku. Aktivní látkou je polovodič (GaAs, AlGaAs, InGaAsP, apod.), z jehož PN přechodu o ploše 10-6 mm2 je emitováno záření ve viditelné až blízké IČ oblasti spektra. Jedna laserová dioda má výkon několik miliwattů, rezonátor je tvořen leštěnými plochami nosiče. Difusní chlazení zajišťuje robustní kovový podstavec, ochlazovaný vzduchem nebo vodou (Obr.12). Vzhledem k specifickému tvaru rezonátoru má výstupní svazek eliptický tvar a rozdílnou divergenci v horizontální a vertikální ose, v ose kolmé na PN přechod je to až 45 stupňů (Obr.13) [2]. Pro dosažení výkonů (5 W – 20 W) se jednotlivé diody spojují do řady (bar) o délce několika milimetrů, jednotlivé řady dále do sloupců (stack) s výkonem až 600 W. Sloupce se následně řadí do bloků s výkonem několika kilowattů. Výstupní svazky jsou dále kolimovány válcovými mikročočkami, ze kterých vystupují rovnoběžné svazky.

14

Obr.12: Princip polovodičového laseru


Obr.13: Profil výstupního svazku polovodičového laseru

Další optickou sestavou složenou z hranolů, válcové a kulové optiky je vytvořen nekruhový svazek o ploše několika mm2 a hodnotou kvality svazku 100 až 1000 mm·mrad (Obr.14). Kompaktní laserová hlava o hmotnosti několika kilogramů je upevněna přímo na rameno robota a není nutný systém pro vedení svazku z rezonátoru k obrobku.

Obr.14: Profily svazku přímého diodového laseru

Obr.15: Profil svazku vláknem vedeného diodového laseru

Jinou možností zpracování svazku je navázání záření z jednotlivých diod do optického vlákna pro další vedení na místo určení, tzv. „fibre coupled“ diodový laser. Profil laserové stopy je kruhový (obr.15) a kvalita svazku klesá s rostoucím výkonem a tedy i příslušným průměrem optického vlákna (obr.16). V průmyslových technologiích se laserové diody používají nejen pro čerpání pevnolátkových aktivních prostředí, ale také jako vysoko-výkonové zdroje laserového záření pro opracování materiálů. Významnými výrobci jsou firmy DILAS Diodenlasers GmbH, LaserLine Inc. a ROFIN GmbH.


15

kvalita svazku [mm·mrad]

průměr vlákna [µm]

průměr stopy [mm]

max.výkon [W]

40

400

0,4

90 – 1400

60

600

0,6

180 – 3000

100

1000

1

300 – 6000

150

1500

1,5

400 – 6000

Obr.16: Produktová řada vláknem vedených diodových laserů LaserLine

2. Inovace technologií 2.1 Laserové řezání a vrtání Díky vyšší účinnosti a výkonu při vysoké kvalitě svazku vláknových a diskových laserů jsou dosahovány vyšší řezné rychlosti, užší spára řezu a při vrtání vysoké hodnoty poměru hloubky ku průměru otvoru s minimální kuželovitostí. Příkladem je úzká spára řezu a vysoká řezná rychlost 150 mm·s-1 při dálkovém řezání uhlíkových kompozitů o síle 3 mm kontinuálním vláknovým laserem o výkonu 3 kW (Obr.17) ve srovnání s opracováním pulsním Q-switch Nd:YAG laserem rychlostí 0,66 mm.s-1 (Obr.18) [5].

Obr.17: Řezání vláknovým laserem

Obr.18: Řezání Q-switch laserem

16


2.2 Laserové svařování a pájení kovů Kromě klasické geometrie vzájemného pohybu laserové pracovní hlavy a obrobku byly patentovány technologie dálkového svařování a navařování, tzv. REMOTE WELDING. Vysoce kvalitní svazek vláknového laseru je fokusován čočkou o velké ohniskové vzdálenosti (500 mm – 1000 mm) na stopu o průměru několik desetin milimetru, optimální pro svařování. Pohyb laserového svazku je realizován dvěma vzájemně kolmými galvanometrickými zrcadly (stejně jako u rozmítacích popisovacích hlav) a umožňuje až stokrát větší rychlost svařování než při motorizovaném pohybu, která je omezena hmotností polohovacího zařízení [6]. Další variantou je kombinace lineárního pohybu fokusační čočky a otáčení jednoho odrazného zrcadla kolem os X a Y (obr.19), kterou používá ve svém systému firma ROFIN ve spojení s difusně chlazeným SLAB CO2 laserem.

Obr.19: Princip dálkového opracování materiálů[2]

Pro dosažení pevného hlubokého svaru byla vyvinuta řada hybridních metod, spojujících výhody laserového svařování – úzký hluboký svar, vysoká rychlost, malá tepelně ovlivněná zóna – s menšími nároky na toleranci nastavení svaru a energii u metod klasických, které se používají ve velké míře v automobilovém a lodním průmyslu [7] (Obr.20). I když hybridní technologie zavádí do obrobku větší vstup tepla, přináší mnoho výhod. Tavenina vytvořená klasickým zdrojem zvyšuje absorpci laserového záření v materiálu. Naopak laserový svazek stabilizuje elektrický oblouk a zlepšuje se vzhled svaru. Svar je méně náchylný k trhlinám a pórům. Pro malé a střední firmy znamenají hybridní technologie nižší inovační náklady, než pořízení nového laserového svařovacího systému.


17

a b c Obr.20: Tvar hybridního svaru (a), laserem generovaná „keyhole“ (b), tvar svaru při obloukovém svařovaní (c) Laser jako sekundární zdroj energie lze použít v kombinaci s plasmovým obloukovým svařováním – metoda PALW (plasma arc laser welding), spojení s metodou MIG/MAG, GMAW (svařování s přídavným materiálem ve formě drátu s inertním nebo aktivním plynem) vytváří technologii LAGMAW (laser assisted gas metal arc welding) (Obr.21) nebo lze vložit nízko-výkonový diodový laser do systému dvojice svařovacích hlav pro metodu TIG (svařování wolframovou elektrodou v inertní atmosféře) (Obr.22) [8].

Obr.21: Hybridní GMAW svařování

Obr.22: Hybridní TIG svařování

Jinou možností je kombinace záření dvou typů laserů, kterou pod názvem BHLW (Bifocal Hybrid Laser Welding) vyvinuli vědci z Ústavu obráběcích strojů a řízení průmyslu Technické Univerzity v Mnichově. Kontinuálním Nd:YAG laserem s výkonem 3 kW a kruhovým profilem svazku o průměru 0,45 mm ve spojení s diodovým laserem HPDL o výkonu 3 kW a obdélníkovým tvarem svazku 0,9 mm x 3,7 mm jsou realizovány současně hloubkové a kondukční módy svařování (Obr.23).

18


U obtížněji svařitelných hliníkových slitin bylo pozorováno snížení porosity a zvýšení povrchové kvality svaru [9].

Obr.23: Schéma pracovní hlavy (vlevo) a profil svazku (vpravo) pro hybridní svařování Nd:YAG 3 kW a diodovým laserem HPDL 3 kW

2.3 Transmisní svařování plastů Rovnoměrné rozdělení intenzity záření v profilu svazku diodového laseru umožňuje bodové nebo konturové svařování různých druhů plastů a navařování fólií. Podle tvaru výrobku se průměr laserové stopy pohybuje od 0,6 mm do 5 mm, nejčastěji 1 mm – 2 mm. Uchycení přeplátovaného svaru vyžaduje pouze lehký přítlak pro zajištění stability produktu a vyloučení mezery mezi vrstvami. Horní vrstva je z čistého polymeru, který je transparentní pro blízké infračervené záření, spodní vrstva je tvořena polymerem s absorbující příměsí, například uhlíkem, NIR absorbenty Clearweld® vyvinuté firmou BASF nebo pigmenty patentované firmou Gentex. Tyto příměsi jsou přidány do polymeru buď přímo v procesu odlévání součástky nebo aplikovány na povrch těsně před svařováním ve formě kapaliny s nízkou viskozitou. Laserový svazek prochází s minimálními ztrátami horní vrstvou a absorbuje se na povrchu vrstvy spodní, generované teplo nataví spoj obou vrstev a po vychladnutí vznikne hermeticky těsný spoj s minimálním pnutím a odleskem, bez částic materiálu (obr.24) [10]. Laserové svařování plastů se používá při výrobě lékařských pomůcek, např. filtrů, intravenózních setů, krevních konzerv, apod. V automobilovém průmyslu


19

jsou svařovány pouzdra nejrůznějších senzorů jako rychlejší, šetrnější a přesnější náhrada za šroubování nebo lepení.

Obr.24: Proces laserového svařování plastů

Závěr Laserové technologie byly v posledních dvaceti letech inovovány díky rostoucímu využívání polovodičového laseru jednak jako nového vysokovýkonového zdroje pro aplikace svařování a povrchových aplikací, jednak jako nového účinného zdroje optického čerpacího záření pro aktivní prostředí pevnolátkových laserů, která současně změnila klasický tvar tyčinek na mnohem méně tepelně namáhané tvary tenkého disku a vlákna, navíc s vyšší koncentrací aktivního iontu yterbia, tedy i celkovou účinností až 30 % oproti 3 % kryptonovou výbojkou čerpaným Nd:YAG laserem. Vlnové délky v oblasti blízké infračervené oblasti jsou pro opracování nekovů a atermální mikroaplikace transformovány na druhé a třetí harmonické. Plynový CO2 laser, zářící v daleké infračervené oblasti, má díky vysoké kvalitě svazku a hloubce ostrosti své místo v oblasti zpracování kovových i nekovových materiálů, vývoj směřuje ke zdokonalování technického provedení a snížení spotřeby aktivních plynů. Cílem studijního textu bylo informovat o některých významných aplikacích, které byly umožněny díky unikátním vlastnostem nových laserů. Jsou např. rozvíjeny hybridní technologie svařování materiálů současně laserovým svazkem a klasickou metodou. REMOTE – vzdálené opracování využívá fokusaci vysoce kvalitního svazku na vzdálenost až 1 m, při získání vhodného průměru stopy pro řezaní a svařování, procesní rychlost se mnohonásobně zvyšuje použitím rozmítací optiky. Bio-kompatibilní nástroje a pomůcky pro lékařské účely jsou efektivně vyráběny metodou transmisivního svařování plastů. Neustále se zdokonalující laserové technologie přináší kromě ekonomických úspor také omezování zátěže životního prostředí.


20

Literatura 1.

Raydiance Smart LightTM Technology to Power Norman Noble’s Noble UltraLightTM , dostupné na http://eon.businesswire.com/news/eon/20090922005407/en/athermalablation/bioabsorbable-stents/femtosecond-lasers

2.

Emmelmann, C.: Introduction to industrial laser material processing, ROFIN Hamburk, 2008

3.

SPI Lasers UK, Ltd.,UK: Fiber lasers made for Micro, Marking, Macro, Medical, informační brožura

4.

Hamamatsu Photonics K.K. Laser group: The Fiber Disk laser explained, Nature Photonics, sample, pp14 - 15 (2006), dostupné na http://www.nature.com/nphoton/journal/vsample/nsample/full/nphoton. 2006.6.html

5.

Klotzbach, A.: Investigations in Remote Cutting of Carbon Fiber Composite Materiál, Fraunhofer IWS, dostupné na https://www.lia.org/laserinsights/2011/12/05/investigations-in-remotecutting-of-carbon-fiber-composite-materials/

6.

Novák, M.: Remote Welding, dostupné na http://istrojirenstvi.cz/materialy/precist.php?nazev=remotewelding&id=22

7.

Bagger, C., Olsen, F.O.: Review of laser hybrid welding, Journal of Laser Applications, Vol. 17, no.1, February 2005, Laser Institute of America, str.2 – 14.

8.

Qi, X., Liu, L.: Comparative study on characteristic of hybrid laser TIG welded AZ61/Q235 lap joints with and without interlayers, Journal of Material Sciences, 2010, Vol.45, str.3912 – 3920

9.

Traumann, A.: Bifocal Hybrid Laser Welding, Thesis, Herbert Utz Verlag 2009, ISBN 978-3-8316-0876-8

10.

Welding Technology Institute of Australia: Trasmission Laser Welding of Plastic, 2006, dostupné na http://www.wtia.com.au

RNDr. Hana Chmelíčková

Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikací Výkonný redaktor: prof. RNDr. Tomáš Opatrný, Dr. Odpovědná redaktorka: Vendula Drozdová Návrh a grafické zpracování obálky: Jiří K. Jurečka Vydala a vytiskla Univerzita Palackého v Olomouci Křížkovského 8, 771 47 Olomouc www.upol.cz/vup Olomouc 2012 1. vydání ISBN 978-80-244-3076-8 Neprodejné

Inovace v oboru laserových technologií a jejich aplikací

Recommend Documents