Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy řezu

UNIVEZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA KATEDRA OPTIKY

Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy řezu Effect of the laser parameters on the recast layer of cut

Autor práce:

Bc. Karel Pudil

Vedoucí práce:

Ing. František Komárek, Marek Dalloš

Konzultant práce:

Doc. RNDr. Richard Horák, CSc.

Studijní obor:

Digitální a přístrojová optika

Datum odevzdání:

30. dubna 2013

Abstrakt Práce popisuje průmyslový postup řezání laserovým svazkem, vlastnosti svazku a procesní parametry, ovlivňující kvalitu řezu. Dále jsou zde uvedeny teoretické předpoklady a jejich porovnání s laboratorními výsledky. V závěru práce je uveden souhrn výsledků a doporučení, které by mohly pomoci při odstranění podobného problému. Klíčová slova: Průmyslové použití laseru, řezaní laserem, přetavená vrstva, otřepy.

Abstract This work describes an industrial process of cutting by laser beam, beam characteristics and process parameters affecting the quality of the cut. In work are presented theoretical considerations and comparison with laboratory results. The conclusion summarizes the results and recommendations that could assist in the elimination of similar problem. Keywords: Industrial use of laser cutting, laser cutting, recast layer, burrs.

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy“ vypracoval samostatně pod vedením Ing. Františka Komárka a Marka Dalloše s použitím citovaných zdrojů.

............................................ Podpis autora

Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce, Ing. Františku Komárkovi a Marku Dallošovi za vedení a pomoc při přípravě práce. Zároveň bych chtěl poděkovat Doc. RNDr. Richardu Horákovi, CSc., který mi poskytl praktické rady při zpracování práce. A v neposlední řadě bych chtěl poděkovat svým rodičům za morální podporu a zázemí, bez kterého by práce vznikala mnohem složitěji.

............................................ Podpis autora

Obsah 1

Úvod ................................................................................................................................................ 1

2

Teoretická část ................................................................................................................................ 2 2.1 Laser ........................................................................................................................................... 2 2.2 Využití laseru v průmyslu ........................................................................................................... 3

3

2.2.1

Laserové povrchové kalení .............................................................................................. 3

2.2.2

Přetavování povrchu laserem.......................................................................................... 4

2.2.3

Laserové povlakování ...................................................................................................... 4

2.2.4

Čištění a leštění povrchu laserem ................................................................................... 4

2.2.5

Laserové svařování .......................................................................................................... 5

2.2.6

Laserové vrtání ................................................................................................................ 7

2.2.7

Řezání laserem ................................................................................................................ 7

Laserové řezání................................................................................................................................ 8 3.1 Charakteristika laserového řezání .............................................................................................. 8 3.2 Vlastnosti materiálu ................................................................................................................... 9 3.3 Typy řezání ............................................................................................................................... 10 3.3.1

Řezání s aktivním plynem .............................................................................................. 11

3.3.2

Řezání s inertním plynem .............................................................................................. 11

3.3.3

Vypařování..................................................................................................................... 12

3.3.4

Škrábání/vrypování ....................................................................................................... 12

3.3.5

Chemická degradace ..................................................................................................... 12

3.4 Uspořádání řezací hlavy ........................................................................................................... 12 3.5 Charakteristika svazku.............................................................................................................. 13 3.5.1

Vlnova délka .................................................................................................................. 13

3.5.2

Výkon záření .................................................................................................................. 13

3.5.3

Prostorový mód ............................................................................................................. 14

3.5.4

Polarizace ...................................................................................................................... 14

3.5.5

Časová modulace........................................................................................................... 14

3.5.6

Optická ohnisková vzdálenost ....................................................................................... 15

3.6 Parametry řezného procesu ..................................................................................................... 15 3.6.1

Pozice ohniskové roviny ................................................................................................ 15

3.6.2

Řezací rychlost ............................................................................................................... 16

3.6.3

Plyn ................................................................................................................................ 17

3.6.4

Odstup a geometrie trysky ............................................................................................ 18

3.7 Porovnání s vodním paprskem ................................................................................................. 19

3.8 Vlastnosti laserem řezaných materiálů .................................................................................... 20

4

3.8.1

Kvalita řezu .................................................................................................................... 20

3.8.2

Nedokonalosti ............................................................................................................... 20

3.8.3

Otřepy............................................................................................................................ 20

3.8.4

Řezná spára ................................................................................................................... 20

3.8.5

Šířka tepelně ovlivněné zóny......................................................................................... 21

Praktická část................................................................................................................................. 22 4.1 Parametry a popis laseru ......................................................................................................... 22 4.2 Návrh a výroba vzorku ............................................................................................................. 24 4.2.1

Materiál Inconel 718 ..................................................................................................... 25

4.2.2

Materiál Hastelloy X ...................................................................................................... 25

4.2.3

Plazmový nástřik............................................................................................................ 26

4.3 Postup vyhodnocení vzorků ..................................................................................................... 27 4.4 Vyhodnocení vzorků ................................................................................................................. 32 4.5 Výsledky vyhodnocení vzorků .................................................................................................. 33 4.5.1

Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 1 mm................................ 34

4.5.2

Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm............................. 35

4.5.3

Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 4,8 mm............................. 36

4.5.4 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm opatřeného plazmovým nástřikem ................................................................................................................... 38 5

Závěr .............................................................................................................................................. 39

6

Literatura ....................................................................................................................................... 44

7

Příloha ........................................................................................................................................... 45 7.1 CNC program ............................................................................................................................ 45 7.2 Tloušťka materiálu 1 (0,99-1,06) mm....................................................................................... 46 7.3 Tloušťka materiálu 2,3 (2,29 -2,33)mm.................................................................................... 55 7.4 Tloušťka materiálu 4,8 (4,75-4,92)mm .................................................................................... 63 7.5 Tloušťka materiálu 2,3 (2,29 -2,33)mm + plazmový nástřik 0,31-0,55mm .............................. 79 7.6 Tloušťka materiálu 7,2 (7,17-7,30)mm .................................................................................... 88

1 Úvod V diplomové práci je řešeno řezání laserovým svazkem na průmyslově používaných laserech. Cílem je určení vstupních parametrů řezného procesu, které nejvíce ovlivňují přetavenou vrstvu materiálu. Námi zvolené parametry jsou: výkon laseru, délka pulzu, frekvence, místo zaostření svazku, vzdálenost trysky od povrchu materiálu, rychlost posuvu, tlak a druh plynu. Z následného vyhodnocení vstupních parametrů se snažíme najít ideální podmínky řezu. Velikost otřepů je posouzena prostým okem. Přetavená vrstva a mikrotrhliny jsou vyhodnoceny v laboratoři firmy Honeywell podle normy EMS 52571, což je norma pro vyhodnocení řezu u vzorků vyrobených pomocí laserového záření. Dále je posouzeno vyjmutí vzorku ze základního materiálu. Praktická část vznikla ve spolupráci s firmou Honeywell, jedná se o společnost zaměřující se na vývoj leteckých součástí, automatizaci a řízení, speciální materiály a dopravní systémy. Firma zaměstnává více jak 110 000 zaměstnanců po celém světě. Sídlo firmy je ve městě Phoenix státu Arizona. Hlavní zákazníci jsou například EADS/Airbus, Bell, Boeing a National aeronautics and space administration (NASA).

1

2 Teoretická část V teoretické části je stručně popsán vývoj a princip laseru. V následující kapitole je uvedeno použití laseru v průmyslu se zaměřením na řezání a řezací parametry CNC stroje.

2.1 Laser Princip stimulované emise byl fyzikálně popsán v roce 1917 Albertem Einsteinem, ale první zkonstruovaný laser vznikl roku 1960 Theodorem H. Maimanem v USA. Jednalo se o pevnolátkový rubínový laser, pracující pouze v pulzním režimu. Tři roky na to byl vynalezen plynový CO2 laser. (1) Laser je tvořen aktivním prostředím, rezonátorem a zdrojem energie, jenž budí aktivní prostředí, kde dochází ke změně inverze populace. Jakmile dojde k emisi fotonu, vzniká lavinový efekt způsobující, že elektrony v excitovaných stavech přechází na základní rovinu a vyzařují identické fotony. Tomuto jevu se říká stimulovaná emise fotonů. Umístění aktivního prostředí do rezonátoru tvořeného zrcadly pomáhá exponenciálně zvyšovat počet fotonů s každým odrazem. Svazek opouští rezonátor přes výstupní polopropustné zrcadlo. Aby celý mechanismus mohl fungovat, musí být splněna prahová podmínka minimálního zisku, která říká, že s každou periodou průchodu fotonu prostředím, se musí zvýšit hustota fotonů, nebo nejhůře zůstat stejná. (

Kde

a

)

(2.1)

jsou reflektivity zrcadel rezonátoru,

je koeficient zesílení, je celkový koeficient ztrát, je celková délka rezonátoru.

Obr. č. 2.1: Popis laseru

2

2.2 Využití laseru v průmyslu V posledních letech se vývoj laseru značně urychlil, zmenšil svůj rozměr a podstatně zvýšil výkon. Také se stal energeticky účinnější a začal se používat v aplikacích, ve kterých to předtím nebylo možné. Existuje rozsáhlé množství druhů laserů, z nich každý má své využití v nejrůznějších oborech. Ultrarychlé femtosekundové lasery se používají k výrobě mikroskopických částí pro lékařské a elektronické společnosti. Ultrafialový výstup z excimerových laserů je ideální pro chemickou depozici z plynné fáze nebo výrobu součástí nanometrových rozměrů. (2)

2.2.1 Laserové povrchové kalení Jedná se o jednu z nejmodernějších technologií povrchového tepelného zpracování. Výhoda oproti klasickému kalení indukcí nebo plamenem je v tom, že se ovlivňuje pouze povrch materiálu, což vede k minimální deformaci kovového dílu a vysoké kvalitě povrchu. Celý proces je automatizovaný, teplota kalení je snímána pyrometrem a regulována v průběhu procesu zpracování. Tím je zajištěno rovnoměrné tvrdosti povrchu i požadované hloubky prokalení. Výhodou je také lokální kalení, kdy se zvyšuje tvrdost pouze nejvíce namáhaných míst součástí. Princip technologie spočívá v lokálním ohřevu materiálu, kdy laserové záření dopadá na povrch, tam je absorbováno a jeho energie se převede na teplo. V okamžiku, kdy na dané místo již nedopadá laserové záření, dochází k zakalení povrchu odvodem tepla do materiálu. Výsledkem je kvalitní povrch s vysokou tvrdostí. Maximální hloubka kalení se pohybuje kolem 2 mm. Tato hranice je dána fyzikálním principem, kdy k zakalení povrchu dochází odvodem tepla do součásti. K tomu je zapotřebí určitého teplotního gradientu, který se zřetelem na kalící teplotu a krátkou dobu působení laserového svazku nelze zajistit ve větších hloubkách. Nejčastěji se kalí formy pro lisování a tažení plechů, hrany střižných nástrojů, hřídele v místech pod ložisky a ozubená kola. Je možné kalit jak litinu, tak i různé typy ocelí.

Obr. č. 2.1.1: Laserově kalený povrch oceli 12 050 (3)

3

2.2.2 Přetavování povrchu laserem Jedná se o technologicky stejný princip jako u laserového kalení. Teplota povrchu se tu neohřívá na kalící teplotu, ale na teplotu tavení. Na materiálu dochází k natavení povrchu a následnému ztuhnutí, čímž vzniká přetavená vrstva, která vykazuje větší homogenitu než základní materiál. Lze tak zvýšit odolnost povrchu vůči opotřebení, nebo korozní odolnost nerezových ocelí.

2.2.3 Laserové povlakování V angličtině metoda známá pod pojmem laser cladding, se používá pro zlepšení vlastností nových dílů nebo k opravě dílů starších. Princip spočívá v nanášení materiálu ve formě prášku spolu s laserovým zářením na povrch součásti. Prášek je nataven ještě dříve, než na povrch dopadne, kde díky stále působícímu laserovému záření dojde k jeho propojení se základním materiálem. Vytvořená vrstva získá novou vlastnost, jakou může být otěruvzdornost, žáruvzdornost nebo antikorozní účinky. Tloušťka nanesené vrstvy se pohybuje v rozmezí 0,2—2 mm. Tyto vrstvy můžeme klást na sebe až do několika centimetrů. (3)

2.2.4 Čištění a leštění povrchu laserem Díky rozvoji laserových technik, lze v dnešní době použít metody, které umožňují čištění a odstraňování povrchových vrstev například odmašťování povrchu, čištění od rzi, nebo

starých

nátěrů.

Tato

technika

spočívá

v

použití

mikrosekundových

až nanosekundových pulzů, které vypaří nežádoucí částice, ale nestihnou ohřát povrch natolik, aby změnili jeho strukturu. Leštění povrchu spočívá v tom, že na povrchu vzniká vyhlazená přetavená vrstva díky působení

povrchového

pnutí.

Velikost

vrstvy

je

do

100

μm.

Používají

se zde pevnolátkové Nd:YAG a Nd:YVO4 lasery buď v kontinuálním, nebo pulzním provozu. Výhodou pulzního provozu je, že se velké nerovnosti částečně odpaří. Laserovým leštěním dochází ke snížení drsnosti povrchu z 1—3 μm na 0,1—0,05 μm. Další výhodou je možnost selektivního leštění ploch nebo vícestupňového procesu. Tuto

4

možnost leštění využívají zejména letecké společnosti a fabriky na zpracování plastů, pryže nebo skla, kde se tímto způsobem upravují formy. (4)

Obr. č. 2.2.4: Mikroskopový snímek materiálu, vpravo je materiál leštěn na soustruhu, vlevo je přeleštěn laserem (4)

Leštění má různorodé použití. Lze použít jak na kovové materiály, tak i na titanové implantáty, u kterých se dosahuje drsnosti 0,8 μm a lepší biokompatibility. Pokud se použije CO2 laser, lze vyhlazovat i povrch skleněných čoček. Při opracování se musí dávat pozor na nadměrné tepelné působení, neboť by mohlo dojít k poškození geometrie čočky. Proto byla vyvinutá hybridní technologie, kdy je čočka předehřáta pomocí vysokofrekvenčního mikrovlnného zářiče. Předehřev při ochlazování snižuje teplotní gradient a zabraňuje tak změnám struktury materiálu a změně geometrie povrchu. (4), (5)

2.2.5 Laserové svařování Při tavném svařování je pro vytvoření spoje velmi důležité, kolik tepla do procesu vstupuje. Čím je energie vyšší, tím je větší tepelně ovlivněná zóna. Pokud je svazek dobře fokusován, umožňuje vytvořit hluboký a úzký svar s minimálním teplotním ovlivněním okolí. Navíc je objem roztavené oceli velmi malý a je možno pracovat i při větších tloušťkách bez přídavného materiálu. Provaření materiálu je možné do hloubky 12 mm a to mnohem rychleji, než klasickými metodami. Laserové svařování je řízeno CNC stroji, které umožňují vysokou kvalitu a reprodukovatelnost svaru.

5

Laserem se nejčastěji svařují nerezavějící oceli, kde se dosahuje homogenního svaru bez pórů. Ke svařování jsou vhodné i titanové, zirkonové a chromniklové slitiny. Laserový svazek taví a částečně odpařuje zpracovávaný materiál. Tvoří se zde dutina vyplněná parami kovů o vysokém tlaku a roztaveným materiálem, který je s parami kovu v rovnovážném stavu. Výsledkem je hluboký a úzký profil svaru. Je zde potřebná pečlivá příprava spojovaných kusů, mezi kterými může být maximální vzdálenost 25 % průměru pasu svazku. Běžný průměr pasu je kolem 1 mm. Pokud bude tato mezera větší, mohou vznikat vruby (propadliny ve tvaru V). Při svařování je možné použít přídavný materiál, například drát, kterým lze ovlivnit chemické složení svaru. S použitím přídavného materiálu, vzrůstá tolerance vzdálenosti svařovaných konců. K hlavním výhodám laserového svařování patří úzký a hluboký svar u velkého množství kovů a kovových slitin a malá, tepelně ovlivněná zóna vytvářející nepatrné pnutí v základním materiálu. Laserový paprsek může svařovat i na místech, která jsou těžko dostupná, navíc nedochází ke znečišťování z elektrod. (6)

Obr. č. 2.2.5: Průřez laserovým svarem (7)

6

2.2.6 Laserové vrtání Intenzita svazku při laserovém vrtání musí být mnohem vyšší než u svařování. Proto se využívá Nd:YAG laserů v pulzním provozu s délkou pulzu do 1 ms. Čím je vrtaná díra delší, tím více se odchyluje od ideální geometrie. Maximální hloubka vrtané díry se pohybuje v řádech desítek milimetrů. Vrtat lze kovy, plasty, sklo a keramiku. Výhodou je, že se dostaneme i tam, kde se jiné vrtací metody nedostanou. Velikost otvorů se pohybuje od 10 μm. (8)

2.2.7 Řezání laserem Laserové řezání bude popsáno podrobněji v následující kapitole.

7

3 Laserové řezání Metoda laserového řezání se používá na materiály, které mají při zahřátí kapalnou fázi s nízkou viskozitou. Zejména jde o kovy, slitiny a termoplasty, jenž mohou být řezány laserovým svazkem o výkonu v řádech 104 Wmm-2. K odstranění kapalného stavu látky je použit inertní nebo aktivní plyn, který roztavený materiál protlačí skrz a vytvoří tak řezací spáru. Látky, které jsou špatně tavitelné nebo mají vysokou viskozitu, mohou být díky laserovému svazku o výkonu 106 Wmm-2 odpařovány. Jedná se zejména o některé typy skla, keramiky a kompozitu (materiál složený ze dvou a více složek, dávající dohromady novou vlastnost, kterou nemá ani jedna ze složek). Tvrdé a křehké materiály, především některé typy skla a keramiky, mohou být děleny použitím laserového svazku, který způsobuje vrypy odpařováním. Je tak vytvořena drážka zvyšující lokální napětí a umožňující zlomit materiál přímo v místě řezu. Organické materiály a polymery mohou být řezány chemickou degradací způsobenou laserovým zahřátím povrchu. Chemická degradace je změna struktury a vlastností materiálu způsobenou reakcí polymeru. Relativně nízko výkonný laser o výkonu 1,5 kW může přeřezat měkkou ocel o tloušťce 1 mm rychlostí 10 m/min nebo tloušťce 10 mm rychlostí 1 m/min. Podobné pravidlo platí také pro hustotu. Čím je materiál hustší, tím je řezací rychlost pomalejší. Vysoká produktivita a kvalita řezu s přesností kolem 0,1 mm je hlavním důvodem, proč se volí laserové řezání. Nevýhodou je však vysoká pořizovací cena v řádech desítek miliónů korun a vysoké provozní náklady, které jsou přibližně 900 Kč na hodinu provozu. Stávající trend laserového řezání je ve zlepšení kvality řezu, což znamená menší otřepy, větší produktivitu a menší přetavenou vrstvu při dané tloušťce a typu materiálu. (9)

3.1 Charakteristika laserového řezání Laserové řezání je vysoce produktivní proces. Přesnost řezu se pohybuje v rozmezí od 0,05 do 0,1 mm a průměr pasu svazku je kolem 0,1 mm. Maximální řezací rychlost lineárně stoupá s výkonem laseru a snižuje se přibližně lineárně s tloušťkou řezaného materiálu. Řezání s nízkoenergetickým svazkem znamená menší deformaci 8

a úzkou tepelně ovlivněnou zónu kolem řezu. Vyšší výkon znamená vyšší řezací rychlost, což vede k lepší kvalitě ostří zvláště u metody laserového škrábání. Díky těmto parametrům a automatizovanému procesu je možné umísťovat řezané dílce těsně vedle sebe a tím minimalizovat velikost odpadu a zvýšit efektivitu práce. Další nespornou výhodou je bezkontaktnost a flexibilita, která umožňuje řezat nejrůznější slitiny a materiály o různých tloušťkách a velikostech. Proces je také šetrný k okolí, je tichý a vzniklé výpary jsou odvedeny od operátora přímo do vzduchotechniky. Ze začátku je velice náročné určit správné řezací parametry, dosahující požadované kvality, minimálních otřepů a nízké přetavené vrstvy s vysokou řezací rychlostí. Zvláště pokud se přechází z jiné řezací metody na laserový provoz. Problém nastává i při řezání materiálů s vysokou odrazností a velkou tepelnou vodivostí jako je zlato, měď a hliník. Jelikož se jedná o tepelné opracování materiálu, tak je důležité si hlídat tepelnou ovlivněnou zónu, přetavenou vrstvu a otřepy. (10)

3.2 Vlastnosti materiálu Různé materiály mají rozdílné vlastnosti, to vede k problematice univerzálních řezacích parametrů. Proto se rozlišují dvě základní vlastnosti a to tepelné a fyzikální. Látka s vysokou tepelnou kapacitou vyžaduje vysoké množství tepla k roztavení povrchu. Podobně je tomu tak u materiálu s vysokou hodnotou latentního tepla (teplo potřebné ke změně fáze materiálu). K tomu se používají vysoko výkonné lasery, nebo použití slabšího laseru s aktivním plynem. Jakmile se proces ustálí, je možnost použít inertní plyn nebo snížit výkon laseru. Dalším problematickým parametrem je odraznost kovu. Tuto vlastnost lze odstranit použitím jiného laseru s jinou vlnovou délkou. K fyzikálním vlastnostem patří rovinnost řezacích ploch. Pokud materiál mění svou tloušťku například vlivem špatného válcování, může se tím ovlivnit velikost otřepů na spodní straně vzorku. Dalším problematickým parametrem je přítomnost maziva, barvy nebo plazmatu, jenž může interferovat s řezacím mechanismem a výsledkem bude nekontrolovatelný výkon. (11) Avšak přítomnost tenké vrstvy oxidu může usnadnit absorpci záření, což vede k lepší kvalitě řezu a vyšší řezací rychlosti.

9

Plošné napětí a viskozita roztavené fáze hraje důležitou roli na kvalitu ostří, tvorbu otřepů a řezací rychlosti. Roztavenou hmotu s vysokou hodnotou plošného napětí a nízkou viskozitou je mnohem těžší odstranit pomocí tlaku plynu, proto se roztavený materiál usazuje na spodní straně okraje řezu ve formě otřepů. Z tohoto důvodu se začaly hojně využívat materiály, které jsou vhodné na laserové řezání. Obsahují určitý podíl křemíku snižující viskozitu kapalné fáze materiálu. Zvyšuje se tak řezací rychlost, ale snižuje kvalita ostrosti hrany.

3.3 Typy řezání Existuje mnoho faktorů zasahujících do procesu laserového řezání. V principu se řezání dělí na řezání s netečným plynem, aktivním plynem, odpařování, škrábání a chemickou degradaci. Nejvíce se používá řezání s inertním plynem, který zabraňuje oxidaci řezaného materiálu. Stručný přehled použití řezacích metod je uveden v následující tabulce: Typ řezací metody Materiál

Řezání s aktivním Řezání s netečným Vypařování plynem plynem Železité slitiny ✓ ✓ Neželezité slitiny ✓ ✓(Titan) Polymery ✓(Termoplast) ✓(Reaktoplast) ✓(PMMA) Keramika ✓ Sklo ✓ Elastomery Kompozity ✓ Tabulka č. 3.3: Použití řezacích metod u jednotlivých materiálů (11)

Škrábání ✓ ✓ ✓

Chemická degradace ✓(Reaktoplast) ✓ ✓(Dřevo)

Termoplasty – Pokud termoplast zahřejeme na teplotu 100 – 130°, stane tvárným a po ochlazení se stane zase pevným. Tento proces lze opakovat, proto patří termoplast k dobře zpracovatelným materiálům (lze jej snadno lisovat nebo odlévat). Nejznámější termoplast je polystyren, plexisklo a silon. Opak termoplastu je reaktoplast. Reaktoplasty – Také nazývaný jako termoset. Jedná se o zesíťovaný polymer tvořící trojrozměrnou prostorovou síť. Jakmile polymer ztuhne, nejde zpracovat teplem. Hlavní složka reaktoplastů je pryskyřice nebo kaučuk. Mezi nejznámější výrobky z plastu patří bakelit, pryž a guma. 10

PMMA – (Polymethylmethakrylát) běžně známý jako plexisklo nebo akrylátové sklo. Je průhledný a má vlastnosti termoplastu.

3.3.1 Řezání s aktivním plynem Pokud při laserovém řezání použijeme aktivní plyn, jako je například kyslík nebo vzduch, dostává se do řezacího procesu další zdroj energie a to exotermická chemická reakce. Zvýšení energie znamená nárůst řezací rychlosti, ale také může vést ke snížení ostrosti řezané hrany a zvýšení řezné spáry. Aktivní plyn se používá při řezání železitých slitin a některých termoplastů. Kyslík se používá k řezání měkké oceli, kde nevadí zbarvení hrany důsledkem exotermické reakce. Pokud použijeme aktivní plyn, můžeme snížit výkon laseru, abychom zachovali stejnou řezací rychlost, a tím snížili provozní náklady. Pojem aktivní plyn je relativní, záleží na tom, jaký materiál se řeže. Například vzduch je považován za aktivní plyn, pokud řežeme hliník, ale ne oxid hlinitý. (11)

3.3.2 Řezání s inertním plynem Jde o nejvíce rozšířený postup řezání. Je založený na tvorbě úzké spáry z nataveného materiálu, který je následně odfouknut. Inertní plyn se používá všude tam, kde se materiál lehce taví, což jsou nejvíce slitiny a reaktoplasty. Jako inertní plyn je nejčastěji použit vzduch nebo dusík pokud nechceme, aby povrch materiálu zoxidoval. Argon a helium se nejčastěji používají k řezání titanu, neboť na sebe navazují křehké nitridy (sloučeniny kovu s dusíkem), které se uvolňují při řezání. Používá se zde vysoký tlak plynu (nad 10 bar), aby se odfoukla roztavená část materiálu a neusazovala se na spodní straně řezu. Maximální tloušťka, která se dá přeřezat, se pohybuje kolem 8 mm. Poté se už energie z řezu velice rychle rozlévá do okolních částí. Řezání s inertním plynem dosahuje vysoké kvality řezu, ale nižších řezacích rychlostí v porovnání s aktivním plynem. Do řezacího procesu také zasahuje viskozita a povrchové napětí kapalného materiálu.

11

3.3.3 Vypařování Aby byl materiál odpařen, je potřeba velkého výkonu laserového záření a to v řádech 106 Wmm-2. Toho lze dosáhnou buď velmi výkonným laserem v kontinuálním provozu, nebo slabším laserem v pulzním režimu. Materiál je potřeba rychle zahřát do vypařovací teploty dříve, než se stačí teplo odvést do okolních částí. Poté je odfouknut inertním plynem. Nenastává zde tavení látky, což zvyšuje kvalitu řezu. Hlavní využití metody je řezání PMMA.

3.3.4 Škrábání/vrypování Cílem škrábání je vytvoření drážky nebo skupiny slepých děr na povrchu materiálu pomocí pulzního laseru. Laserové záření způsobuje vypařování látky v omezené tepelné zóně. Vrypy zvyšují lokální napětí, tím dovolují, zlomení materiálu přesně v místě řezu. Metoda se používá pro řezání keramiky, skla, kompozitu a oxidu hlinitého.

3.3.5 Chemická degradace Chemická degradace je založena na rozbíjení chemických vazeb materiálu pomocí laserového záření. Používá se u řezání dřeva, reaktoplastů, elastomerů (pružné syntetické materiály podobné gumě) a některých druhů kompozitů. Řezací rychlost je obvykle menší než u klasického řezání tavením. Řez dosahuje relativně vysoké kvality, avšak někdy potřebuje začistit.

3.4 Uspořádání řezací hlavy Řezací hlava je složena z komory, která je z vrchní strany uzavřena fokusační čočkou. Z boku je do komory pod tlakem vháněn plyn, který vystupuje spodní stranou přes výměnnou trysku společně s laserovým zářením.

12

3.5 Charakteristika svazku Jednotlivé vlastnosti laserového svazku budou diskutovány níže v samostatných kapitolách.

3.5.1 Vlnova délka V průmyslu se nejvíce používá CO2 laser, který umožňuje účinnou metodu řezání a značení širokého druhu plastů, organických materiálů, kůže a dřeva. Výhodou je nejvyšší energetická účinnost ze všech laserů a nejvyšší absorpce laserového záření u některých látek. Pokud je potřeba zvýšit výkon laseru na daném materiálu, je možnost použít aktivního plynu, při kterém vzniká exotermická reakce. Dalším hojně používaným je Nd:YAG laser. Pas laseru může být fokusován do menšího průměru než konkurenční CO2 laser, což poskytuje větší přesnost, užší řeznou spáru a menší zaoblení řezu. Nejvíce je toho využito u vypařovací a škrabací techniky. Nd:YAG se často používá v pulzním režimu, kdy se dosahuje vyšších špičkových výkonů a není potřeba použít asistenční plyn, zhoršující kvalitu řezné hrany. Jestliže je potřeba a pokud to laser dovoluje, je možnost využít generaci druhé harmonické. Vznikne tím tak zdroj záření s poloviční vlnovou délkou a lepšími řezacími parametry. Excimerové lasery se používají, k velmi vysoké kvalitě řezu. Dále na řezání gumy, polymerů, keramiky a tkaniny, nebo na chemické usazování z plynné fáze.

3.5.2 Výkon záření Výkon laserového záření je vlivný faktor kvality výrobního procesu. Pokud je výkon příliš malý, nedochází k prořezání materiálu a musí se použít aktivní plyn, se kterým se zhoršují parametry řezu, jako například oxidace na povrchu, větší tepelně ovlivněná zóna, a snížení ostrosti hrany. Jestliže je výkon příliš velký, rozšíří se řezná spára, zvětší se přetavená vrstva a vzniknou větší otřepy na spodní straně řezu. Kolísání výkonu v rozmezí +30 % až -10 % okolo optimálního bodu je tolerovatelné, neboť má zanedbatelný vliv na kvalitu řezu. Například v místech ostrých rohů nebo drobných detailů, je vhodné snížit výkon, aby nedocházelo k zbytečnému natavování materiálu. (11) 13

3.5.3 Prostorový mód Při laserovém řezání a zpracování materiálů se používá prostorový mód TEM 00. Lze nejlépe fokusovat a má nejvyšší hustotu výkonu v porovnání s ostatními prostorovými módy. Nejvyšší jakosti řezu je dosaženo, pokud je Rayleigho vzdálenost fokusovaného svazku rovna tloušťce řezané látky. (11)

3.5.4 Polarizace Pokud je svazek CO2 laseru pod velkým úhlem vzhledem k povrchu materiálu, začne vadit lineární polarizace laseru. Kovy absorbují pouze p složku polarizace v závislosti na úhlu dopadu. Pokud je složka p orientovaná ve směru řezu, je absorbována podél předního okraje řezu a složka s je absorbována stranami řezné spáry. Tím je vytvořena užší spára s vyšší kolmostí a větší rychlostí. Pokud polarizovaný svazek dopadá pod úhlem, nastává vyšší absorpce do stran řezu, to způsobí širší řeznou spáru, která závisí na úhlu stočení polarizace svazku. Pokud chceme odstranit závislost kvality řezu na stočení roviny polarizace, použijeme vhodný optický prvek, který převede lineární polarizaci na kruhovou. Svazek z Nd:YAG laseru je náhodně polarizovaný, proto neovlivňuje řezací výkon při změně směru svazku, jako je například naklopení řezací hlavy. (11)

3.5.5 Časová modulace Nejjednodušší je kontinuální modulace, se kterou se dosahuje poměrně dobrých hodnot řezu a vysokých řezacích rychlostí pro materiály střední tloušťky, což je přibližně 2—3 mm. Pokud použijeme pulzní svazek, dosahující vysokých špičkových hodnot, získáme dobrý předpoklad pro řezání tlustších látek s použití inertního nebo aktivního plynu anebo pro škrabací metodu. Pulzní modulace je také volena při řezání vysoce teplotně vodivých materiálů, eventuálně pokud potřebujeme omezit tepelně ovlivněnou zónu. Pulzní provoz pomáhá redukovat vzniklé otřepy u některých kovů, jako je tomu třeba u hliníku. Frekvence a délka pulzu může v některých případech ovlivnit vlastnosti řezu. Nižší frekvence a tím i vyšší špičková energie je vhodnější pro řezání silnějších materiálů. 14

3.5.6 Optická ohnisková vzdálenost V praxi se více používají čočky než zrcadla, neboť se dají snadněji začlenit do optické trasy. Navíc jsou umístěny v řezací hlavě, kde tvoří vrchní stěnu tlakové komory. Pomocí čoček je nastavena velikost a místo pasu svazku. Delší ohnisková vzdálenost je vhodná pro silnější materiály nad 4 mm a s kratší ohniskovou vzdáleností dostaneme nejvíce kolmý průběh řezu s ostrou hranou. Optické prvky mohou být chráněny proti vstříknutí roztaveného materiálu pomocí tlaku plynu. (11)

3.6 Parametry řezného procesu Mezi parametry řezného procesu patří umístění ohniskové roviny, rychlost posuvu, typ plynu a umístění trysky od materiálu.

3.6.1 Pozice ohniskové roviny Pozice ohniskové roviny má značný vliv na kvalitu řezu. Jestliže se řeže tenký materiál, je vhodné umístit místo fokusu na jeho povrch. Pro větší tloušťky je výhodnější zvolit ohniskovou rovinu pod povrchem materiálu. Pokud je použit inertní plyn, umísťuje se ohnisková rovina ke spodní straně materiálu. Do řezu se tak dostane větší množství plynu, který lépe odfoukne přetavený materiál. Se stejným záměrem se používá i širší tryska. Řez se neovlivní, pokud se s tryskou pohne o 1%. Jestliže je ohnisková rovina příliš vysoko nad povrchem, rozšíří se šířka řezu a zvětší se přetavená vrstva. To platí do té doby, dokud je síla svazku dostatečně silná k tomu, aby se prořezala skrz materiál. K podobným změnám dojde, pokud ohniskovou rovinu umístíme pod řezaný materiál. Pokud bude ohnisková rovina oscilovat v rovině rovnoběžné s povrchem, dojde k rozšiřování a zužování řezacího bodu v rovině povrchu materiálu. Toho se využívá při řezání silných materiálů s relativně slabým paprskem. Další možnost je použít dvojitou fokusační optiku, kdy je jeden paprsek fokusovaný na vrchní a druhý na spodní stranu. Dosáhneme tak větší rychlosti řezání u silnějších látek, menší otřepy a nižší spotřebu plynu. Pokud laserový svazek rozdělíme na dvě části, které by byly od sebe vzdálené jen pár milimetrů, tak budeme moci řezat silnější plechy s mnohem menší přetavenou vrstvou. První svazek materiál nataví, druhý svazek odpaří a zbylou část prořeže a odfoukne. (11) 15

V praxi je ohnisková vzdálenost stále stejná, pouze se mění délka trysky, pomocí distančních podložek, a vzdálenost trysky od povrchu.

Obr. č. 3.6.1: Na fotografii lze pozorovat měděnou trysku vypodloženou třemi distančními podložkami, podložky jsou umístěny mezi bílým plastem a měděnou tryskou

3.6.2 Řezací rychlost Parametry jako je řezací rychlost, tlak plynu a výkon laserového svazku musí být v rovnováze. Jestliže bude řezací rychlost příliš velká a frekvence opakování pulzů Nd:YAG laseru malá, může být řez nerovný (vrásčitý). Zároveň se zvýší počet a velikost otřepů na spodní straně materiálu. Pokud je řezací rychlost příliš malá, dochází k nadměrnému zahřívání povrchu, začne se natavovat materiál podél řezu. Dojde k zaoblení hrany a k větší tepelně ovlivněné zóně. Obecně se dá říci, že řezací rychlost je nepřímo úměrná tloušťce vzorku.

Obr. č. 3.6.2a: Vzorek o tloušťce 7,2 mm. Lze zde pozorovat nerovnou, vrásčitou strukturu řezu, která je způsobena nevhodně zvolenými řezacími parametry.

16

Obr. č. 3.6.2b: Laboratorní snímek průběhu přetavené vrstvy materiálu o tloušťce 4,8 mm. Poloha ohniska svazku byla 0,5 mm pod povrchem materiálu, řezací rychlost byla 10 mm/min. Zvětšení snímku je 100x

3.6.3 Plyn Pomocný plyn během řezání plní pět základních funkcí 

Inertní plyn má za úkol odstranit roztavený materiál z řezné spáry. Aktivní plyn navíc napomáhá vzniku exotermické reakce, což může pomoci při řezání silných materiálů.



Potlačuje tvorbu přetavené vrstvy



Chrání fokusační optiku před roztavenými kousky materiálu



Řezná spára a okolí materiálu je chlazena proudícím plynem, čímž se omezuje velikost tepelně ovlivněné zóny



Dovoluje řezat vysokými rychlostmi. Pokud by se nepoužil asistenční plyn, daly by se řezat pouze tenké materiály.

Důležitost asistenčního plynu vzrůstá s rostoucí tloušťkou materiálu.

Inertní plyny Dusík je nejvíce používaný inertní plyn, neboť jej lze lehce získat. Z toho je odvozena i jeho nízká cena. Čistota plynu je nedůležitá, pokud přesahuje 99,8 %. Používá se při řezání železitých slitin, jako jsou třeba nerezavějící oceli a u slitin založených na niklu, kde pomáhá zlepšit kvalitu hrany. Argon se používá při řezání titanu, neboť zabraňuje tvorbě oxidace křehkých titanových oxidů. Helium je používáno u řezů, kde je potřeba zabránit oxidaci s kyslíkem, ale použití tohoto plynu je velmi drahé. Vzduch, který je snadno dostupný, je často používán pro řezání oxidu hlinitého, kompozitu, dřeva, skla a křemene. (11)

17

Aktivní plyny Řezání s aktivním plynem je až 5x rychlejší než s inertním plynem. Kyslík je používán na řezání nerezavějících ocelí, pokud je požadovaná vysoká rychlost řezání a nebere se ohled na kvalitu a zbarvení řezu. Ze začátku procesu je zvýšená absorpce záření, díky oxidaci materiálu, ale po ustálení vzniká exotermická reakce, která zvyšuje výkon laserového záření až o 50 %. Jestliže se zvedne tloušťka materiálu, není vhodné zvyšovat tlak plynu, aby se nepoškodila fokusační optika. Je vhodnější zvětšit průměr trysky. Čistota plynu je velice důležitá. Pokud se použije kyslík s čistotou 99,9—99,99 % tak v porovnání s kyslíkem s čistotou 99,70 % je řezací rychlost až o 30 % vyšší. Nadbytek

tlaku

aktivního

plynu

může

vést

k turbulencím

ve

slitině

a k nekontrolovatelné oxidaci vedoucí ke zhoršení kvality řezu. Nekonstantní stejně jako nízký tlak může způsobovat problém s odstranění materiálu, který se začne usazovat ve formě otřepů na spodní straně řezu. Plyn lze kombinovat, například 60 % He a 40 % O2, způsobí zvýšení řezací rychlosti s dobrou kvalitou řezu.

3.6.4 Odstup a geometrie trysky Geometrie trysky a výstupního otvoru ovlivňuje tlak plynu v místě řezu a tím i jeho kvalitu. Obecně lze tvrdit, že po trysce chceme rovnoměrné rozložení tlaku plynu na povrchu materiálu. Používá se několik základních geometrií, závisejících na aplikaci. Některé nejběžněji používané trysky jsou na obrázku č. 3.6.4. Nedá se však jednoznačně říci, která tryska je nejlepší. Jejich použití je individuální a záleží na dané technice. Základní vlastnost trysky je zabránění vzniku turbulencí a stabilizace tlaku na povrchu řezu. Průměr výstupního otvoru trysky se pohybuje v rozmezí 0,5—3 mm, je vybrán podle typu a tloušťky materiálu. Tryska s velkým výstupním otvorem nedostatečně odstraňuje kapalný materiál z místa řezu. Tryska s malým otvorem vytváří potíže se sbíháním plynu, což vede k hrubšímu řezu. Další velmi ovlivňující parametr je totožnost osy svazku s osou trysky. Pokud je plyn vychýlen mimo řez, tak může způsobovat potíže s otřepy na jedné straně vzorku a jinou velikostí přetavené vrstvy.

18

Obr. č. 3.6.4: Nejčastější typy řezacích trysek. Kruhová řezací tryska (poslední) je vhodná pro řezání s aktivním plynem. Zvýší se tak řezací rychlost. V této práci byla použita tryska konického typu

V příloze v tabulce č. 7.4.53 je uvedena dokumentace ke vzorku vyrobeného pomocí úmyslně vychýlené trysky. Lze pozorovat, že vychýlení trysky má vliv na kvalitu a velikost přetavené vrstvy v místě řezu a také na otřepy. Většina průmyslového řezání plochých materiálů se provádí tryskou, která má válcový sbíhavý otvor. Je jednoduchá vyrobit a dává dobré výsledky, pokud je vzdálenosti trysky do 1 mm od řezaného materiálu. Konvergentní nebo divergentní profil jako je Lavalův typ redukuje rozptyl plynu na výstupu. Tím je zvýšen tlak ve větších vzdálenostech. Proto se používá k řezání silnějších materiálů. Čím je tryska blíže k povrchu, tím je lepší odstranění přetaveného materiálu a kvalitnější řez. To je však problematické kvůli odlétajícím kouskům roztaveného materiálu a geometrii obrobku. Pokud je vzdálenost trysky větší než 1mm, může dojít k velkým rozdílům tlaků. Odstup je vybírán ve stejném měřítku, jako je průměr řezací trysky. Bližší vzdálenost dává stabilnější a lepší řezací podmínky, ale hrozí poškození fokusační optiky nebo „přilepení“ trysky k obrobku. Odstup je důležitý řezací parametr, který optimalizuje řezací rychlost a kvalitu řezu.

3.7 Porovnání s vodním paprskem K laserovému řezání lze přirovnat řezání vodním paprskem, které vzniklo v 50. letech 20. století. Asi o 20 let později se do vodního paprsku začalo přidávat abrazivo (materiál vynikající vysokou tvrdostí). Princip spočívá ve vysokotlakém proudu vody (2000— 6200 bar), který s vhodnou abrazivní směsí dopadá na povrch materiálu a vytváří tak řeznou spáru. Výhoda této metody spočívá v tom, že se tepelně neovlivňuje okolí materiálu. Při řezání nevznikají škodlivé výpary. Další výhodou je univerzálnost použití. Tímto způsobem lze dělit materiály jako pěnu, gumu, dřevo, mramor, slitiny hliníku a ocel. Řezání vodním paprskem se používá při prořezu do 100 mm. Vrchní strana řezu 19

je hladká díky rozptylu abrazivních částic. U materiálů do 6 mm je řez porovnatelný s laserovým svazkem. (12) Laser je však více vhodný pro 3D řezání. Další výhoda laseru spočívá v bezkontaktnosti a automatice, sledující řezný proces. Lze tak určit, co se v procesu aktuálně děje a upravit tak řezací parametry.

3.8 Vlastnosti laserem řezaných materiálů Mezi vlastnosti laserem řezaných materiálů lze zahrnout následující parametry. 3.8.1 Kvalita řezu Kvalita rezu je zajištěna automatizovaným provozem CNC strojů a vývojem řezných procedur, které se opírají o dříve získaná data a parametry. Automatizovaný provoz dokáže vyrábět velké množství vzorků dle zadaných parametrů v krátkých časech. 3.8.2 Nedokonalosti Nedokonalosti v laserovém řezání jsou spjaty s kvalitou ostří a velikosti otřepů. Ostří se může měnit jak na spodní, tak i na vrchní straně řezaného materiálu. Ideální řez by měl mít ostré hrany, ale díky nedokonalostem řezného procesu, jsou hrany zaoblené. 3.8.3 Otřepy Otřep je přilnutý roztavený materiál z místa řezu na spodní straně materiálu. Může se vyskytovat v podobě podlouhlých kapek nebo jako hrubé struktury širších rozměrů. Otřep může být odstraněn pomocným plynem ze spod materiálu nebo manuálním odbroušením po dokončení řezání. 3.8.4 Řezná spára Řezná spára je štěrbina tvořená během řezání. Je závislá na průměru fokusovaného svazku, umístění ohniskové roviny a vzdálenosti trysky od povrchu materiálu, typu přítomného plynu a energetickém působení laserového svazku.

20

3.8.5 Šířka tepelně ovlivněné zóny Běžně se tepelně ovlivněná zóna (Heat Affected Zone) v místě řezu nevyhodnocuje. HAZ může být měřena z okolí řezu a rozšiřuje se s rostoucí energií na jednotku délky a tloušťkou materiálu. Zajímá nás hlavně, když řežeme blízko teplotně citlivých materiálů.

21

4

Praktická část Cílem druhé části diplomové práce je nalezení laserových parametrů, které nejvíce ovlivňují přetavenou vrstvu a jejich následné ověření na průmyslově používaném laseru. Kvalita řezu musí splňovat předem dané požadavky, jako jsou minimální otřepy, řez s minimálními mikrotrhlinami do základního materiálu, a také minimální přetavenou vrstvu, která se vyskytuje v každém řezu. Přetavená vrstva bude vyhodnocena v laboratoři firmy Honeywell podle normy EMS 52571, což je norma pro vyhodnocení řezaných vzorků. Výroba testovacích vzorků bude probíhat na laseru JK 704.

4.1 Parametry a popis laseru Jedná se o Nd:YAG zdroj záření od firmy GSI Group. Laser je vhodný jak pro řezání, tak i pro vrtání díky nízko divergentní rezonátorové optice. Výstupní svazek záření je vhodný pro hluboké vrtání. Zároveň může být zdroj použit pro vysoko výkonné svařování. JK704 může použít 20kW pulzní výkon k vrtání děr do hloubky 75mm, nebo řezání materiálu. Pokud se odebere nízko divergentní optika, tak zdroj záření může být použit pro svařování, stejně jako JK701. (13) Vlastnosti laseru: -

Maximální průměrný výkon: Maximální pulzní energie: Maximální špičkový výkon: Pulzní rozsah: Opakovací rychlost:

400 W 50 J 20 kW 0,3 až 20ms 0,2 až 500Hz

Servisní požadavky: -

Napájecí hodnota: Maximální příkon: Požadavky na vodu: Okolní teplota: Hmotnost ovládání: Hmotnost laseru: Hmotnost napájení: Rozměry laseru:

22 kVA 17 kW 32 l/min při 20 °C 5 až 35 °C 2 kg 40 kg 1 000 kg 280 x 220 x 953 mm (š x v x h)

22

Obr. č. 4.1a: Zdroj záření JK 704. V pozadí je zobrazen chladicí box s ovládací elektronikou a zdrojem záření. Uprostřed se nachází další část optiky a v pravé části přenosný kontrolní panel (13)

Obr. č. 4.1b: Fotka namontovaného laserového zářiče JK 704. Vespod je umístěna montážní deska, na kterou se usazují jednotlivé nástavce pro konkrétní díly

23

4.2 Návrh a výroba vzorku Na začátku výroby vzorků byla konzultace v laboratoři firmy. Jako nejvýhodnější byl zvolen tvar obdélníku, který se pouze zalije do epoxidu a není jej potřeba dále brousit, aby se dostalo k měřené vrstvě, jako je tomu třeba u vrtání. Další krok bylo nakreslení vzorku v CAD programu a následné exportování do CNC kódu. Viz příloha 7.1. Následovalo umístění svěráku na montážní desku, nanesení oleje na spodní stranu plechu (zabraňuje usazování odlétajícího roztaveného materiálu. U materiálu tloušťky 4,8 mm olej nebyl nanesen, neboť se materiál během řezání stihne zahřát a olej se vypaří.) a umístěné do svěráku. Poté byla provedena kalibrace trysky laseru a spuštění programu „nasucho“, což znamená, že se provede celý řezací cyklus bez laserového záření. Lze tím předejít chybě vzniklé při kalibraci a zničení polotovaru. Vždy po ukončení programu byl vzorek odebrán, odmaštěn a popsán.

Obr č. 4.2: Vyřezaný vzorek v základním materiálu o tloušťce 1 mm

24

4.2.1 Materiál Inconel 718 Inconel zkráceně INCO je vysoko-pevnostní nerezavějící slitina vyrobená převážně z niklu a chromu. Používá se v rozsahu teplot od -253 °C do 705 °C na raketové a mrazící nádrže, letecké díly a plynové turbíny. Označení 718 znamená, že se jedná o dvakrát tvrzený materiál, určený pro ropné aplikace zajišťující maximální tvrdost a časovou stálost. Materiál má malou teplotní roztažnost v tlaku a v tahu zůstávají jeho vlastnosti téměř beze změn. Materiál Zastoupení materiálu v % Materiál Zastoupení materiálu v % Nikl a kobalt 50-55 Uhlík maximum 0,08 Chrom 17-21 Magnézium maximum 0,35 Železo rovnováha Křemík maximum 0,35 Niob a tantal 4,75-5,5 Fosfor maximum 0,015 Molybden 2,8-3,3 Síra maximum 0,015 Titan 0,65-1,15 Bór maximum 0,006 Hliník 0,2-0,8 Měď maximum 0,3 Kobalt maximum 1 Tabulka č. 4.2.1: Složení materiálu Inconel 718. Rovnováha znamená, že je obsažení materiálu tolik, aby doplňoval 100 %

4.2.2 Materiál Hastelloy X Slitina Hastelloy X byla použita na výrobu vzorků o tloušťce 4,8 mm. Jde o nikl-chromželezito-molybdenovou slitinu, která díky kombinaci těchto materiálů získává odolnost proti oxidaci, vysokým teplotám a rychlému chladnutí. Slitina Hastelloy X je vhodný materiál pro použití v leteckém a chemickém průmyslu, neboť má vynikající vlastnosti při svařování a formování. (14) Materiál Zastoupení materiálu v % Nikl 47 Chrom 22 Železo 18 Molybden 9 Kobalt 1,5 Tabulka č. 4.2.2: Složení materiálu Hastelloy X

Materiál Wolfram Uhlík Mangan Křemík Bor

Zastoupení materiálu v % 0,6 0,1 maximum 1 maximum 1 maximum 0,008

25

4.2.3 Plazmový nástřik Plazmové nástřiky patří k moderním technologiím povrchových úprav. Zvyšují životnost, spolehlivost a bezpečnost součásti. Nástřiky jsou odolné proti oxidaci, korozi a proti agresivním chemickým prostředím. Plazmový nástřik je vytvořen pomocí generátoru plazmatu (plazmový hořák), kde je elektrický oblouk mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou tvořící výstupní trysku plazmového hořáku. Primární plyn je excitován do stavu plazmatu, do kterého je pomocí přídavného plynu vnesen materiál, který se nataví. (15) První vrstva (podklad) Druhá vrstva (keramika) Primární plyn Argon Primární plyn Argon Sekundární plyn Vodík Sekundární plyn Vodík Velikost prášku ≤ 106 μm Velikost prášku ≤ 125 μm Tabulka č. 4.2.3: Parametry plasmového nástřiku

Obr. č. 4.2.3a: Detailní fotka základního materiálu s plazmovým nástřikem

Obr. č. 4.2.3b: Mikroskopový snímek plazmového nástřiku

26

4.3 Postup vyhodnocení vzorků Krok 1: Jednotlivé vzorky jsou umístěny do plastových držáků a následně uloženy do plastových kelímků, které byly předem vymazány speciálním nátěrem, který zajišťoval snadnější vyjmutí pryskyřicové hmoty.

Obr. č. 4.3.a: Plastový držák se vzorkem. Na krajích vzorků je možné pozorovat otřepy vzniklé při řezání.

Obr. č. 4.3b: Vzorek připravený na zalití epoxidem.

Krok 2: Následuje namíchání rychletvrdnoucí dvousložkové epoxidové pryskyřice „lekoset 7007“. Poměr složek nebyl přesně odměřen. Snažili jsme se dosáhnout řidší medovité struktury. Po zalití vzorku se na spodní stranu umístí papírový štítek s katalogovým číslem k případnému dohledání po dobu sedmi let, kdy jsou zde vzorky uschovány. Takto zalité vzorky se umístí do tlakové nádoby, která se natlakuje na 1,5— 1,8 bar, po dobu 10—15 minut. Tím se ze vzorku odstraní bubliny vzniklé při nalévání a pryskyřice bude čirá. 27

Obr. č. 4.3c: Označené vzorky, vyjmuté z tlakové nádoby. Na spodní straně je umístěno katalogové číslo.

Krok 3: V tomto kroku jsou vzorky vyjmuty z formy a je jim obroušena vzniklá hrana na horním kraji.

Obr. č. 4.3d: Vyjmuté vzorky s neobroušenou hranou

28

Krok 4: U vybraných kontrolních kusů byla změřena výška, abychom poté věděli, jak moc se vzorek zbrousil. Minimální zbroušení by mělo být 0,5 mm.

Obr. č. 4.3e: Měření zbroušení vzorku Krok 5: Po přeměření jsou vzorky umístěny do speciálního držáku, který zajišťuje rovnoměrný přítlak po celé ploše broušení. Celý cyklus probíhá celkem v sedmi krocích, přitom každý krok trvá cca 30 sekund. Mezi jednotlivými cykly je vždy výměna brusného papíru, nebo leštícího plátna s abrazivem a vzorek je opláchnut vodou. Jednotlivé brusné kroky začínají na hrubosti 240 μm a dostávají se až na leštění s abrazivní pastou, která obsahuje částice o velikosti 1 μm. Po posledním kroku leštění je epoxid vyjmut a následně opláchnut vodou, lihem a usušen horkým vzduchem.

29

Obr. č. 4.3f: Držák se vzorky

Obr. č.4.3g: Broušení vzorků. V pravé horní části fotografie lze vidět jednotlivé brusné násady pro leštění a broušení.

30

Krok 6: Po důkladném oschnutí jsou vzorky vloženy do leptací lázně kyseliny šťavelové. Jedna elektroda je ponořena do kyseliny a druhá je upnuta na kleštích, které slouží k manipulaci se vzorkem. Pokud se kleštěmi dotkneme kovového povrchu, nastává chemická reakce, která zajistí, že se na povrchu zvýrazní struktura vzorku. Po oplachu vodou a lihem je znatelné, že dříve krásně lesklý povrch jemně zšednul.

Obr. č. 4.3h: Leptací lázeň kyseliny šťavelové

Krok 7: Před samotným vyhodnocením se změří výška vzorku stejně jako v kroku 4. Kontrolní vzorky byly zbroušeny o 1,05 a 0,67 mm.

Obr. č. 4.3i: Vlastní měření

31

4.4

Vyhodnocení vzorků

Nejprve je vzorek zběžně prohlédnut se zvětšením 50x, aby se zjistilo, zda je dostatečně naleptán, pokud ne, tak se opakuje krok 6. Jestliže je vše v pořádku, následuje vlastní měření. S tímto zvětšením se dají rozpoznat jednotlivé škrábance na kovové ploše, otřepy a karbidy (sloučeniny uhlíku s prvky, které jsou schopné uvolňovat valenční elektrony s výjimkou vodíku).

Obr. č. 4.4a: Fotka řezu materiálu před leptáním, zvětšení 50x.

Obr. č.4.4b: Vzorek po naleptání kyselinou šťavelovou. Je vidět zvýraznění přetavené vrstvy a jednotlivých karbidů.

Obr. č.4.4c: Detailní fotka řezu vzorku. Tmavě zbarvená vrstva na horní straně vzorku je přetavená vrstva. Na pravém rohu vzorku lze pozorovat drobný otřep. Zvětšení 100x

32

Výsledná přetavená vrstva je průměrná hodnota minimálně šesti hodnot odečtených z celé plochy řezu. Při vyhodnocování se také dává pozor na mikropraskliny, které zasahují do základního materiálu. Všechny tyto hodnoty podléhají přísným normám, které se neustále aktualizují. Cena jednoho vzorku se pohybuje podle kalkulace z roku 2006 kolem 400 Kč

4.5 Výsledky vyhodnocení vzorků V této kapitole jsou uvedeny jednotlivé řezací parametry a výsledky pro každou tloušťku materiálu. Norma povoluje velikost přetavené vrstvy tloušťky 0,127 mm a mikrotrhliny do základního materiálu hluboké 0,038 mm. Pouze u materiálu o tloušťce 1 mm je norma přísnější, přípustná hodnota velikosti přetavené vrstvy je 0,102 mm a přípustná hloubka mikrotrhliny do základního materiálu může být maximálně 0,025 mm. Je jedno, zda se jedná o materiál s povrchovou úpravou či nikoli.

33

4.5.1 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 1 mm

Označení vzorku

Tloušťka plechu: 1(0,99-1,06)mm Řezací parametry Rychlost Průměrný Výška Délka Frekvence posuvu výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] [mm /min] ± 10% [W] [mm] [ms]

Tlak [bar], druh plynu

1 250 200 -0,5 0,3 100 10, N2 2 300 200 -0,5 0,3 100 10, N2 3 350 200 -0,5 0,3 100 10, N2 4 200 200 -0,5 0,3 100 10, N2 5 150 200 -0,5 0,3 100 10, N2 6 250 220 -0,5 0,3 100 10, N2 7 250 240 -0,5 0,3 100 10, N2 8 250 180 -0,5 0,3 100 10, N2 9 250 160 -0,5 0,3 100 10, N2 10 250 200 0 0,3 100 10, N2 12 250 200 0,5 0,3 100 10, N2 13 250 200 -1 0,3 100 10, N2 14 250 200 -1,5 0,3 100 10, N2 15 250 200 -0,5 0,4 100 10, N2 16 250 200 -0,5 0,5 100 10, N2 17 250 200 -0,5 0,6 100 10, N2 Poznámka: Plech je opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vizuálně nejlepší vzorky – zelená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Vizuálně nejhorší vzorky – červená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Měněné parametry – žlutá Tabulka č. 4.5.1: Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 1 mm

Typ materiálu: slitina Inconel 718 Výsledky měření [mm] Vzdálenost Minimální Maximální Průměrná trysky hodnota hodnota velikost [mm] přetavené přetavené přetavené vrstvy vrstvy vrstvy 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

0,005 0,005 0,008 0,006 0,006 0,006 0,007 0,008 0,010 0,005 0,006 0,008 0,008 0,005 0,006 0,005

0,014 0,018 0,023 0,019 0,012 0,013 0,009 0,016 0024 0,015 0,013 0,021 0,016 0,017 0,012 0,014

0,009 0,011 0,013 0,011 0,009 0,009 0,008 0,013 0,016 0,011 0,009 0,013 0,012 0,010 0,010 0,010

Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) 0 0 0 0 0 0 0 0 0,009 0 0 0 0 0 0 0

34

4.5.2 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm

Označení vzorku

Tloušťka plechu: 2,3(2,29 -2,33)mm Řezací parametry Rychlost Průměrný Výška Délka Frekvence posuvu výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] [mm /min] ± 10% [W] [mm] [ms]


Typ materiálu: slitina Inconel 718 Výsledky měření [mm] Vzdálenost Minimální Maximální Průměrná trysky hodnota hodnota velikost [mm] přetavené přetavené přetavené vrstvy vrstvy vrstvy

20 100 230 -0,5 0,3 90 10, N2 3 21 150 230 -0,5 0,3 90 10, N2 3 22 200 230 -0,5 0,3 90 10, N2 3 23 50 230 -0,5 0,3 90 10, N2 3 24 30 230 -0,5 0,3 90 10, N2 3 25 100 230 -0,5 0,4 90 10, N2 3 26 100 230 -0,5 0,5 90 10, N2 3 27 100 250 -0,5 0,3 90 10, N2 3 28 100 270 -0,5 0,3 90 10, N2 3 29 100 210 -0,5 0,3 90 10, N2 3 30 100 190 -0,5 0,3 90 10, N2 3 31 100 230 0 0,3 90 10, N2 3 32 100 230 0,5 0,3 90 10, N2 3 33 100 230 -1 0,3 90 10, N2 3 34 100 230 -1,5 0,3 90 10, N2 3 Poznámka: Plech je opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vizuálně nejlepší vzorky – zelená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Vizuálně nejhorší vzorky – červená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Měněné parametry – žlutá Tabulka č. 4.5.2: Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 2,3 mm

0,011 0,006 0,006 0,007 0,007 0,006 0,007 0,008 0,008 0,006 0,009 0,008 0,007 0,010 0,007

0,042 0,031 0,032 0,034 0,018 0,031 0,050 0,053 0,032 0,037 0,022 0,056 0,024 0,028 0,027

0,020 0,018 0,015 0,020 0,011 0,018 0,019 0,021 0,016 0,018 0,014 0,019 0,015 0,015 0,016

Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) 0,020 0,015 0,021 0,016 0,008 0,009 0,017 0,018 0,013 0,010 0,016 0,020 0,012 0,012 0,012

35

4.5.3 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 4,8 mm

Označení vzorku

40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62

Tloušťka plechu: 4,8(4,75-4,92)mm Řezací parametry Rychlost Průměrný Výška Délka Frekvence posuvu výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] [mm /min] ± 10% [W] [mm] [ms] 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 17 10 37 50 60 75

180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180

-0,5 -1,5 -2,5 -3,5 0,5 1,5 2,5 3,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,5 0,25 0,35 1 1 1 1 1 1

25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25


12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2 12 N2

Typ materiálu: slitina Hastelloy X Výsledky měření [mm] Vzdálenost Minimální Maximální Průměrná trysky hodnota hodnota velikost [mm] přetavené přetavené přetavené vrstvy vrstvy vrstvy 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1 4 5 6 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

0,005 0,012 0,003 0,009 0,005 0,010 0,007 0,010 0,010 0,006 0,012 0,008 0,007 0,007 0,012 0,011 0,012 0,006 0,006 0,007 0,010 0,005 0,012

0,210 0,120 0,084 0,078 0,123 0,110 0,076 0,073 0,109 0,080 0,065 0,101 0,097 0,110 0,180 0,110 0,157 0,102 0,120 0,092 0,112 0,134 0,122

53 31 38 44 48 39 75 62 91 42 43 51 41 43 59 57 65 59 50 60 80 79 33

Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) 20 11 13 09 13 16 0 0 0 10 8 13 14 6 5 7 11 0 0 6 4 9 5

36

Označení vzorku

Rychlost posuvu [mm /min]

Průměrný výkon laseru ± 10% [W]

Řezací parametry Výška Délka Frekvence fokusu pulzu laseru [Hz] [mm] [ms]


Vzdálenost trysky [mm]

63 85 180 -0,5 1 25 12 N2 3 64 100 180 -0,5 1 25 12 N2 3 65 125 180 -0,5 1 25 12 N2 3 66 150 180 -0,5 1 25 12 N2 3 67 175 180 -0,5 1 25 12 N2 3 68 200 180 -0,5 1 25 12 N2 3 69 225 180 -0,5 1 25 12 N2 3 Poznámka: Plech není opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vzorek č. 55 nebyl napoprvé prořezán, CNC program byl spuštěn 2x Vizuálně nejlepší vzorky – zelená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Vizuálně nejhorší vzorky – červená – hodnocení podle velikosti a hojnosti otřepů Měněné parametry – žlutá Vychýlená tryska – modrá Tabulka č. 4.5.3: Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 4,8 mm

Minimální hodnota přetavené vrstvy 0,005 0,006 0,011 0,013 0,021 0,023 0,026

Výsledky měření [mm] Maximální Průměrná hodnota velikost přetavené přetavené vrstvy vrstvy 0,135 90 0,155 44 0,102 43 0,102 44 0,131 37 0,118 36 0,147 48

Mikrotrhliny v základním materiálu (max.) 4 13 20 16 17 12 13

37

4.5.4 Přehled řezacích parametrů a výsledků materiálu tloušťky 2,3 mm opatřeného plazmovým nástřikem Tloušťka plechu: 2,3(2,29 -2,33)mm, plazmový nástřik 0,31-0,55mm Řezací parametry Označení Rychlost Průměrný Výška Délka Frekvence vzorku posuvu výkon laseru fokusu pulzu laseru [Hz] [mm /min] ± 10% [W] [mm] [ms]


Typ materiálu: slitina Inconel 718 Výsledky měření [mm] Vzdálenost Minimální Maximální Průměrná trysky hodnota hodnota velikost [mm] přetavené přetavené přetavené vrstvy vrstvy vrstvy

Mikrotrhliny v základním materiálu (max.)

0 100 180 -0,5 1 25 13 N2 3 0,085 0,271 0,086 0 1 125 180 -0,5 1 25 13 N2 3 0,073 0,181 0,083 0,008 2 150 180 -0,5 1 25 13 N2 3 0,092 0,201 0,072 0,013 3 175 180 -0,5 1 25 13 N2 3 0,050 0,136 0,071 0,010 4 200 180 -0,5 1 25 13 N2 3 0,008 0,098 0,062 0,014 5 25 180 -1,5 1 25 13 N2 3 0,040 0,120 0,070 0,013 6 25 180 -2,5 1 25 13 N2 3 0,038 0,075 0,055 0,009 7 25 180 +0,5 1 25 13 N2 3 0,048 0,127 0,048 0,007 8 25 180 +1,5 1 25 13 N2 3 0,035 0,095 0,132 0,029 9 25 180 -0,5 0,25 25 13 N2 3 0,040 0,163 0,129 0,025 10 25 180 -0,5 0,35 25 13 N2 3 0,050 0,141 0,131 0,016 11 25 180 -0,5 0,5 25 13 N2 3 0,043 0,115 0,085 0,013 12 25 180 -0,5 0,75 25 13 N2 3 0,052 0,098 0,067 0,013 13 25 180 -0,5 1 25 13 N2 4 0,044 0,077 0,057 0,012 14 25 180 -0,5 1 25 13 N2 5 0,030 0,104 0,061 0,010 15 25 180 -0,5 1 25 13 N2 2 0,026 0,084 0,072 0,012 16 25 180 -0,5 1 25 13 N2 1 0,025 0,077 0,059 0,013 Poznámka: Plech není opatřen olejovou vrstvou na spodní straně Vzorek č. 9 nebyl napoprvé prořezán, CNC program byl spuštěn 2x Měněné parametry – žlutá Je řezáno ze strany plazmy. Nešlo zde posoudit vizuálně nejlepší a nejhorší vzorky, vše vypadalo velice podobně. Červeně napsaná čísla nevyhovují normě Tabulka č. 4.5.4: Přehled řezacích parametrů a výsledků na materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřeného plazmovým nástřikem

38

5 Závěr Cílem diplomové práce bylo objasnění řezacích parametrů a jejich vliv na velikost přetavené vrstvy řezu. Původní plán byl vytvořit jednotlivé vzorky na různých tloušťkách materiálu a poté pomocí matematického modelu určit závislosti jednotlivých řezacích parametrů. Od tohoto plánu se však muselo opustit, neboť všechny výsledky přetavené vrstvy na tloušťce 1 mm a 2,3 mm vyhovovaly normě a přetavená vrstva se lišila jen minimálně. Proto jsme se zaměřili na kvalitu řezu, velikost otřepů a vizuální vyhodnocení přetavené vrstvy. Následně jsme vyrobili vzorky o tloušťce materiálu 4,8 mm, kde se řezací parametry projevily výrazněji. Jako poslední byly vyrobeny vzorky 2,3 mm s plazmovým nástřikem, u kterých nás zajímala závislost mezi plazmovým nástřikem a přetavenou vrstvou. Podle teoretických předpokladů je velikost přetavené vrstvy ovlivněna jak vhodným nastavením optických parametrů svazku, tak i mechanickými vlastnostmi laseru jako je vzdálenost trysky od řezaného materiálu, průměr trysky nebo tlak a typ plynu. Což bylo i následně ověřeno podle vyrobených vzorků. V následujících odstavcích budou podrobněji diskutovány jednotlivé řezné parametry a jejich vhodné nastavení. Mezi optické parametry patři vlnová délka použitého záření, která je vybrána podle absorpčního pásu řezaného materiálu a podle nároků na kvalitu řezu. Pokud je použit CO2 laser s vlnovou délkou 10,6 μm, je většinou jako řezaný materiál plast, nebo organická látka. Výhodou je vyšší energetická účinnost než u druhého hojně používaného Nd:YAG laseru, který má vlnovou délku 10x menší, a to 1,06 μm. Ten lze použít jak v kontinuálním, tak pulzním režimu, což přináší řadu výhod, zejména vyšší hodnotu špičkového výkonu, kterou lze použít k řezání pomocí odpařování materiálu. Nižší vlnová délka je vhodnější pro řezání větších detailů, neboť dovolí fokusovat laserový svazek do menšího průměru. Jako další hojně diskutovaný parametr je výkon optického záření. Pokud je výkon záření malý, nedochází k prořezání materiálu a musí se použít aktivní asistenční plyn, který přináší řadu problémů. Jestliže je výkon záření příliš velký, dochází k nadměrnému tavení okolního materiálu v místě řezu, což má za následek zaoblenou hranu materiálu a zvýšenou tvorbu otřepů na spodní straně. Vhodné je také snížit výkon záření v místech 39

ostrých hran jako jsou rohy. Zde dochází ke zvýšenému natavování, což je vidět v tabulce č. 7.3.24 nebo č. 7.3.27. Prostorový mód je na průmyslově používaných laserech neměnný. Rezonátor je tedy pevně nastaven na mód TEM00, který lze nejlépe fokusovat a má největší hustotu výkonu. Nejvyšší kvality řezu je dosáhnuto tehdy, pokud je dvojnásobek Rayleigho vzdálenosti roven tloušťce řezané látky. Polarizace laserového záření je důležitá pouze u CO2 laserů, které jsou lineárně polarizované. Při vhodném stočení roviny polarizace lze dosáhnout vyšší řezací rychlosti a nižšího tepelného ovlivnění okolního materiálu. Lineární polarizace je problematická při šikmém řezu, kdy způsobuje širší řeznou spáru. To se odstraňuje vhodným optickým prvkem, který lineární rovinu polarizace převádí na kruhovou. Nd:YAG lasery jsou náhodně polarizované. Jak už bylo zmíněno, u Nd:YAG laserů je možnost využití pulzní časové modulace, která přináší řadu výhod, jako je třeba mnohonásobně vyšší hodnota špičkového výkonu, která se používá hlavně při řezání silnějších materiálů. Další výhoda pulzní modulace je menší tepelně ovlivněná zóna v místě řezu a možnost odpařování materiálu. Frekvence a délka pulzu ovlivňují řezací parametry, tím i velikost přetavené vrstvy. Podle námi vyrobených vzorků je vhodnější větší délka pulzu pro silnější materiály, zmenší se tak velikost přetavené vrstvy a řez je rovnější. Tento výsledek je pozorovatelný na vzorcích č. 7.4.40, 7.4.54, 7.4.56. Optická ohnisková vzdálenost je v průmyslových laserech neměnná. Kratší ohniskové vzdálenosti přináší menší velikost fokusačního ohniskového bodu. Toho se využívá pro vyřezávání větších detailů v materiálu. Ale vzhledem k divergenci svazku je problematické řezání silnějších materiálů. Proto se používají i delší ohniskové vzdálenosti na řezání materiálů o větší tloušťce. Do geometrických parametrů patří pozice ohniskové roviny. Je to jedna z klíčových hodnot řezného procesu. Má vliv jak na velikost přetavené vrstvy, tak i na průběh řezu a velikost otřepů. Pro tenké materiály kolem 1 mm je vhodné umístit ohniskovou rovinu do středu materiálu. To samé tvrzení platí i pro širší materiály. Pokud budeme ohniskovou rovinu posouvat nad povrch materiálu, rozšíří se svazek dopadající 40

na jeho povrch a začne se natavovat větší plocha v místě řezu. Do řezu se tak dostane více plynu a stane se širším. Výsledný vzorek lze tedy lépe vyjmout ze základního materiálu a otřepy jsou menší. Zhorší se však jeho rovinnost řezu a zvýší se hodnota přetavené vrstvy. Tento závěr je potvrzen vyrobenými vzorky č. 7.4.40 — 7.4.47. Rychlost posuvu laserové hlavy, má značný vliv na kvalitu řezu. Obecný požadavek je, aby byla řezací rychlost v rovnováze s tlakem plynu a výkonem laserového záření. Pokud bude řezací rychlost příliš vysoká, energetické působení laserového svazku na řezaný materiál bude malé. Nevznikne tak řezná spára skrz celý materiál, ale pouze na jeho povrchu, nebo roztavený materiál nestihne být odstraněn z místa řezu a vzorek se nevyřeže. Jak tomu i bylo u vzorku č. 7.2.11, 7.4.55 a 7.5.10, kde byla příliš vysoká řezná rychlost v porovnání s výkonem záření. Když rychlost posuvu poklesne ještě více a to tak, aby se svazek dostal skrz řezaný materiál, ale výkon svazku je nízký, potom je profil řezu nerovný. To lze pozorovat na vzorcích č. 7.4 64—7.4.69. Pokud bude rychlost posuvu příliš malá v porovnání s výkonem laserového svazku a tlakem plynu, začne se nadměrně natavovat základní materiál. Vzrostou tak otřepy, šířka řezné spáry a velikost přetavené vrstvy. Výsledky potvrzují vzorky č. 7.4.57 a č. 7.4.58. Odstup trysky od řezaného materiálu a její geometrie ovlivňuje tlak a rozložení plynu v místě řezu. Proto je to jeden z důležitých řezných parametrů, který musí být optimalizován, pokud chceme kvalitní řez. Existuje několik základních typů, některé z nich jsou zobrazeny na obr. č. 3.6.4. Mezi geometrii trysky je nutné zahrnout i průměr výstupního otvoru vybíraného podle typu a tloušťky materiálu. Čím je tryska blíže k řezanému materiálu, tím je lépe odstraněn roztavený materiál z místa řezu. Vzniká tak menší přetavená vrstva, rovnější profil řezu a menší otřepy. Hrozí však poškození fokusační optiky odlétávající struskou, nebo přilnutí trysky k obrobku. To vše lze pozorovat na vzorcích č. 7.4.48—7.4.52. Pomocný plyn plní při řezání důležitou roli. Odstraňuje roztavený materiál z místa řezu, potlačuje tvorbu přetavené vrstvy a chrání fokusační optiku. Pokud by nebyl přítomný, šlo by řezat pouze tenké materiály s nižší kvalitou řezu. Plyny lze rozdělit do dvou kategorií a to na aktivní a inertní plyny. Aktivní plyny pomáhají zvýšit energii v místě řezu díky exotermické reakci, která vzniká při slučování plynu s roztaveným materiálem. Výhodu je vyšší řezací rychlost a možnost prořezat silnější materiál. 41

Nevýhodou je možná oxidace povrchu materiálu a zhoršení kvality řezné hrany. Inertní plyn slouží hlavně k odstranění strusky z místa řezu. Důležitá je také čistota a tlak plynu. Nadbytek tlaku plynu může způsobovat turbulence v roztaveném materiálu a tím zhoršit průběh řezné hrany. Nízký tlak zase nedostatečně odstraňuje strusku z místa řezu, vzniká tak silnější přetavená vrstva a větší otřepy. Poslední zde uvedený parametr je vychýlení trysky. Je tím myšleno neztotožnění osy laserového svazku s osou trysky. Pokud bude křivě nasazena, dojde k nerovnoměrnému rozložení tlaku plynu v místě řezu. To vede k silnější přetavené vrstvě a větším otřepům na jedné straně vzorku jak je tomu vidět u vzorku č. 7.4.53.

Dalším úkolem bylo nalezení vhodných řezacích parametrů pro jednotlivé tloušťky a povrchovou úpravu materiálu. Jako první jsme vyrobili vzorky v materiálu Inconel 718 tloušťky 1 mm. Měněné parametry se na takto tenkém materiálu příliš neprojevili. Našli jsme však vizuálně nejhorší vzorky, které byly vyrobeny pomocí snížené hodnoty průměrného výkonu laseru. Jedná se o vzorek č. 7.2.8 a 7.2.9, kde se vyskytla největší hodnota přetavené vrstvy, u vzorku č. 7.2.9 se dokonce objevily mikrotrhliny v základním materiálu. Materiál byl pravděpodobně málo nataven a rychle přilnul. Všechny hodnoty jsou však v normě. Vizuálně nejlepší vzorky byly 7.2.13 a 7.2.14. Měněný parametr byla výška fokusu, byla snížena o 0,5 mm a 1 mm. Řez se tak rozšiřoval a proudící vzduch měl větší možnost odstranit roztavenou strusku. Další vzorky byly vyrobeny na totožném materiálu tloušťky 2,3 mm. Měněné parametry se projevili trochu více. Jako vizuálně nejhorší vypadal vzorek č. 7.3.24 a 7.3.27. U vzorku č. 7.3.24 byla rychlost posuvu snížena na 30 mm/min, to mělo za následek nadměrné natavování materiálu a zvýšení otřepů po stranách řezu. U vzorku č. 7.3.27 byla zvýšena průměrná hodnota výkonu laseru. To mělo stejné následky jako u předchozího vzorku. Vzorek č. 7.3.27 dosahoval jedny z nejvyšších hodnot velikosti přetavené vrstvy a mikrotrhlin v základním materiálu. Vizuálně nejhezčí byl vzorek č.7.3.26, kde byla prodloužena délka pulzu a materiál mohl být lépe odstraněn z řezu. Podobný závěr je i u vzorku č. 7.3.30, který byl vyroben pomocí snížené rychlosti řezu. Celkově mají všechny vzorky otřep převážně jen na jedné straně materiálu,

42

to bylo pravděpodobně způsobeno křivě nasazenou nebo poškozenou tryskou. Ani jeden ze zde uvedených vzorků nepřekročil povolenou hodnotu velikosti přetavené vrstvy. Pro úplné projevení různých řezacích parametrů byla zvolena slitina Hastelloy X o tloušťce 4,8 mm. Na tomto materiálu bylo vyzkoušeno vychýlení trysky od osy laserového svazku. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 7.4.53, kde jsou pozorovatelné různé velikosti otřepů a přetavené vrstvy na jednotlivých stranách vzorku. Základní vzorek č. 7.4.40 a vzorek č. 7.4.52 se ukázal jako nejhorší. Vzorek č. 7.4.52 byl vyroben s největším oddálením řezací trysky od materiálu. Zvýšená hodnota přetavené vrstvy se vyskytuje ve spodní straně řezu. Otřepy jsou husté, podlouhlé a silné se zvýšeným výskytem v rozích vzorku. Je to způsobeno příliš vzdálenou tryskou od základního materiálu, tlak plynu tak byl nedostatečný k úplnému odstranění roztaveného materiálu z místa řezu. Ideální by bylo snížit průměrný výkon laseru v rozích materiálu, nebo zvýšit rychlost posuvu. Vizuálně nejhezčí byl vzorek č. 7.4.66 a č. 7.4.67. U těchto vzorků byla zvýšena rychlost posuvu, materiál tak nebyl nadměrně zahříván. Jako poslední byly vyrobeny vzorky na materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřeného plazmovou vrstvou. Bylo řezáno ze strany plazmy, jak je tomu vždy, pokud je to možné. Pokud to jinak nejde, řeže se ze strany základního materiálu, to však přináší problém s odštěpováním plazmy v místě řezu. Do přetavené vrstvy se počítá i roztavená plazma ulpělá v místě řezu. Vizuálně nejlepší a nejhorší vzorky nešlo určit, všechny vzorky si byly velice podobné. Rozdíly ukázala až metalografická laboratoř, která vyhodnotila, že tři vzorky nevyhovují normě EMS. Jsou to vzorky č. 7.5.8, č. 7.5.9 a č. 7.5.10. Vzorek č. 7.5.8 byl vyroben s příliš vzdálenou tryskou od základního materiálu, to způsobilo nedostatečné odstranění roztavené strusky z místa řezu. U vzorku č. 7.5.10 byla zkrácena délka pulzu a materiál rychle ztuhnul v místě řezu. Vzorek č. 7.5.9 nebyl napoprvé prořezán, proto jej bereme pouze jako informativní. Doufám, že tato diplomová práce bude sloužit jako informativní přehled řezacích parametrů a pomůže odstranit podobné problémy vzniklé při řezání.

43

6 Literatura 1. Lasery kolem nás. Skupina čez. *Online+ *Citace: 26. březen 2013.+ http://www.cez.cz/edee/content/microsites/laser/k12.htm. 2. Laserod. *Online+ *Citace: 26. únor 2013.+ http://www.laserod.com/applications/yag-co2and-excimer-lasers-compared/. 3. Karel Štěpán, Michal Míšek, MATEX PM. Tribotechnika. [Online] TechPark. [Citace: 12. únor 2013.+ http://www.tribotechnika.sk/tribotechnika-22012/laserove-zpracovanimaterialu.html. 4. Šmíd, Ing. Jiří. MM Průmyslové spektrum. [Online] [Citace: 13. leden 2013.] http://www.mmspektrum.com/clanek/lesteni-povrchu-laserem.html. 5. Ing. Jaroslav Řasa, CSc., Ing. Radka Jindrová. MM Průmyslové spektrum. [Online] [Citace: 23. únor 2013.+ http://www.mmspektrum.com/clanek/lasery-laserove-technologie-a-strojes-laserem.html. 6. Ing. Jaromír Lukášek, CSc. welding.cz. [Online] 20. leden 2013. http://www.welding.cz/laser/svarovani.htm. 7. L´actualité des lasers. *Online+ *Citace: 26. březen 2013.+ http://laser.agmat.asso.fr/technologie/soudage.htm. 8. Virtuální katedra fyzikálních věd a informatické pedagogiky. *Online+ České vysoké učeni technicke v Praze,Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská,Katedra fyzikální elektroniky, 27. únor 2013. http://vega.fjfi.cvut.cz/. 9. Lascoe, Orville Dwayne. http://books.google.cz. [Online] [Citace: 28. prosinec 2012.] http://books.google.cz/books?id=4PZxakNhjT0C&printsec=frontcover&dq=Handbook+of+Fa brication+Processes&hl=cs&sa=X&ei=SAMtUZHAJ4-K4gTJkICADw&ved=0CDAQ6AEwAA. 10. Lintech. *Online+ *Citace: 17. únor 2013.+ http://www.lintech.cz/. 11. Ion, John C. Laser Processing of Engineering Materials: Principles Procedure and industrial Application. Butterworth-Heinemann : Elsevier, 2005. 12. Rychly TOM s.r.o. Rychlý TOM, technologie vodního paprsku. *Online+ *Citace: 30. březen 2013.] http://www.rychlytom.cz/. 13. *Online+ GSI Lumonics. *Citace: 27. únor 2013.+ www.dpl-tech.com.cn/JKPulse/JK704.pdf. 14. international, Haynes. Hastelloy X Alloy High-temperature alloys. [Dokument] Kokomo, Indiana : Haynes, 2008. 15. Ing.Šárka Houdková Šimůnková, Ph.D., Ing. Radek Enžl, Ph.D., Ing. Olga Bláhová Ph.D. Žárové nástřiky, moderní technologie povrchových úprav. *Online+ *Citace: 26. únor 2013.+ http://www.kmm.zcu.cz/CD/content/index.html. 44

7 Příloha V příloze je umístěn CNC program laseru. Jednotlivé řezací parametry byly měněny až na místě výroby vzorku podle vizuální kontroly předchozího vzorku. V následujících kapitolách jsou uvedeny reálné fotky vzorků z výrobní haly + jejich mikroskopové vyhodnocení z laboratoře. U některých vzorků s plazmovou úpravou se na spodní straně vyskytuje první podkladová vrstva, která byla nanesena při technologickém postupu.

7.1 CNC program Program a popisky pro stroj Laserdyne se zdrojem záření JK 704. G99 ;Ruční offset V32=1500 ;Najížděcí+ odjížděcí posuv V33=250 ;Pracovní posuv V51=0 ; Posunutí X V52=0 ; Posunutí Y V53=100 ; Posunutí Z G76 ;Počítání rychlosti na zrcadlo zapnuto pro pracovní posuv G72 ;Počítání rychlosti na zrcadlo vypnuto pro pracovní posuv G07 ;Plynulý pracovní posuv G92 XV51 YV52 ZV53 ;Umístění mulového bodu $P11 M60 ;Zapnutí laserového paprsku G4 X8 PR13 ;nastaveni tlaku plynu na 13 bar N1 G00 X+3.620 Y+0.000 Z+25.000 D-90.000 C-90.000 N2 Z+0.010 N3 G01 Z+0.000 FV32 M300 ;Zapnutí plynu G04 X1 ;Prodleva syntaxe M100 ;Otevření závěrky G04 X.5 ;Prodleva syntaxe G07 ;Plynulý pracovní posuv N4 X+6.000 Y+0.000 Z+0.000 D-90.000 C-90.000 FV33 N5 Y+15.000 N6 X+0.000 N7 Y+0.000 N8 X+3.120 G05 ;Přesný pohyb M101 ;Zavření závěrky G04 X.5 ;Prodleva syntaxe M301 ;Vypnutí plynu N9 G00 X+3.120 Y+0.000 Z+25.000 D-90.000 C-90.000 M61 ;Laserový paprsek vypnut N10 M02 ;Konec programu

45

7.2 Tloušťka materiálu 1 (0,99-1,06) mm Některé vzorky lze pozorovat s otřepy jen na jedné straně. To je pravděpodobně způsobeno křivě nasazenou nebo poškozenou tryskou. Všechny vyrobené vzorky jsou porovnány se základním vzorkem, který je uřezán jako první pomocí běžně používaných řezacích parametrů ve firmě Honeywell. Označení vzorku: 1 Fotka vzorku

Mikroskopové zvětšení otřepu

Průběh přetavené vrstvy

Poznámka: Vzorek vyřezaný běžnými řezacími parametry. Otřep je drobný, řídký a snadno odstranitelný. Tab. č. 7.2.1: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

46

Označení vzorku: 2 Fotka vzorku



Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 300 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou četnější. Tab. č. 7.2.2: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 350 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva se vyskytuje převážně uprostřed řezu. Otřepy jsou vyšší a méně četné. Tab. č. 7.2.3: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

47




Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 200 mm/min. Řez je nerovný, s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Na krajích vzorku se vyskytují otřepy, kolem kterých je načernalá vrstva. Tab. č. 7.2.4: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 150 mm/min. Ze začátku je řez nerovný, přetavená vrstva se vyskytuje převážně uprostřed řezu a vzorek je po krajích načernalý. Tab. č. 7.2.5: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

48




Poznámka: Průměrný výkon laseru byl zvýšen na 220 W. Řez je rovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a na krajích se místy vyskytuje černé zbarvení. Tab. č. 7.2.6: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm




Poznámka: Průměrný výkon laseru byl zvýšen na hodnotu 240 W. Řez je rovný s rovnoměrnou hodnotou přetavené vrstvy. Otřepy jsou větší v rozích vzorku a po bocích je vzorek načernalý. Tab. č. 7.2.7: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

49




Poznámka: Průměrný výkon laseru byl snížen na hodnotu 180 W. Na začátku řezu se vyskytuje velký úkos. Přetavená vrstva je rovnoměrná a na konci vzorku se vyskytují četné otřepy. Jedná se o jeden z vizuálně nejhorších vzorků. Tab. č. 7.2.8: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm




Poznámka: Průměrný výkon laseru byl snížen na hodnotu 160 W. Řez má na začátku úkos a ve středu řezu je zvýšená hodnota přetavené vrstvy. Otřep je četný a silný. Jedná se o jeden z vizuálně nejhorších vzorků. Tab. č. 7.2.9: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

50




Poznámka: Výška fokusu svazku byla posunuta na vrchní rovinu materiálu. Řez je nerovný s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Otřep má zvýšenou velikost v rozích vzorku. Tab. č. 7.2.10: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm



Průběh přetavené vrstvy Poznámka: Vzorek č. 11 nešel oddělit od základního materiálu, neboť byly nastaveny špatné řezací parametry. Z tohoto důvodu nebyl ani vyhodnocen. Tab. č. 7.2.11: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

51




Poznámka: Rovina fokusu svazku byla posunuta na 0,5 mm nad základní materiál, řez je nerovný s rovnoměrnou hodnotou přetavené vrstvy. Otřepy jsou úzké a drobné. Tab. č. 7.2.12: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm




Poznámka: Výška fokusu svazku byla posunuta 1 mm pod vrchní rovinu materiálu. Řez je rovný s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Otřepy jsou řídké a drobné. Jedná se o jeden z vizuálně nejhezčích vzorků. Tab. č. 7.2.13: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

52




Poznámka: Rovina fokusu svazku byla posunuta 1,5 mm pod vrchní stranu materiálu. Řez je šikmý s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Otřepy jsou řídké a vyskytují se převážně v rozích. Jedná se o jeden z vizuálně nejhezčích vzorků. Tab. č. 7.2.14: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm Označení vzorku: 15 Fotka vzorku



Poznámka: Délka pulzu byla prodloužena na hodnotu 0,4 ms. Řez je rovný s nepatrným úkosem na začátku. Hodnota přetavené vrstvy mírně vzrostla ve spodní straně řezu. Otřepy jsou rovnoměrné a úzké. Tab. č. 7.2.15: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

53




Poznámka: Délka pulzu byla zvýšena na hodnotu 0,5 ms. Řez je rovný s mírným úkosem v jeho začátku. Přetavená vrstva je rovnoměrný a vyšší otřepy se vyskytují převážně v rozích. Tab. č. 7.2.16: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm Označení vzorku: 17 Fotka vzorku



Poznámka: Délka pulzu byla prodloužena na hodnotu 0,6 ms. Řez je rovný s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Otřepy jsou nerovnoměrné a vysoké. Po krajích vzorku je možné pozorovat černé zbarvení. Tab. č. 7.2.17: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 1 mm

54

7.3 Tloušťka materiálu 2,3 (2,29 -2,33)mm Označení vzorku: 20 Fotka vzorku



Poznámka: Vzorek vyřezaný běžnými řezacími parametry. Otřep je podlouhlý a silný Tab. č. 7.3.20: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 21 Fotka vzorku



Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 150 mm/min. Řez je rovný s nízkou hodnotou přetavené vrstvy. Na konci se vyskytují otřepy, které mají na konci zvýšenou hodnotu roztaveného materiálu. Tab. č. 7.3.21: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

55




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 200 mm/min. Řez je rovný, Otřepy jsou nižší, méně četné a vyskytují se hlavně v rozích. Tab. č. 7.3.22: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 23 Fotka vzorku



Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 50 mm/min. Řez je rovný, přetavená vrstva je tenká a otřepy jsou dlouhé a silné. Tab. č. 7.3.23: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

56




Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 30 mm/min. Přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou silné a dlouhé, zvláště v rozích. Tab. č. 7.3.24: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 25 Fotka vzorku



Poznámka: Délka trvání pulzu byla zvýšena na 0,4 ms. Přetavená vrstva je tenká, řez je rovný a otřepy jsou podlouhlé a úzké. Tab. č. 7.3.25: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

57




Poznámka: Délka trvání pulzu byla zvýšena na hodnotu 0,5 ms. Jedná se o jeden z vizuálně nejhezčích vzorků. Řez je nerovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou ve tvaru nánosů na jednotlivých místech. Tab. č. 7.3.26: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 27 Fotka vzorku



Poznámka: Průměrný výkon laseru byl zvýšen na 250 W. Řez je nerovný a přetavená vrstva má vyšší hodnotu na konci řezu. Otřepy jsou vysoké, široké a vyskytují se hlavně v rozích. Tab. č. 7.3.27: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

58




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 270 mm/min. Na řezu je krásně vidět místo fokusu, řez je rovný a na konci je hodnota přetavené vrstvy vyšší. Otřepy se vyskytují jen na jedné straně, kde jsou vysoké a silné. Tab. č. 7.3.28: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 29 Fotka vzorku



Poznámka: Rychlost posuvu je snížena na 210 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou vysoké silné a řídké. Tab. č. 7.3.29: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

59




Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 190 mm/min. Řez je nerovný a přetavená vrstva je mírně rozšířená na konci řezu. Otřepy jsou jen ojedinělé a vyskytují se u rohů. Vzorek byl vyhodnocen jako jeden z vizuálně nejhezčích. Tab. č. 7.3.30: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 31 Fotka vzorku



Poznámka: Výška fokusu svazku byla zvýšena na 0 mm, tj. na vrchní stranu materiálu. Řez je šikmý a rovný s rovnoměrnou hodnotou přetavené vrstvy. Otřepy jsou vysoké a úzké. Tab. č. 7.3.31: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

60




Poznámka: Výška fokusu svazku byla zvýšena na 0,5 mm nad povrch materiálu. Řez je nerovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou vysoké a úzké. Tab. č. 7.3.32: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm Označení vzorku: 33 Fotka vzorku



Poznámka: Výška fokusu byla snížena 1 mm pod vrchní rovinu materiálu. Řez je nerovný s rostoucí přetavenou vrstvou ke konci řezu. Otřepy jsou rovnoměrné a podlouhlé. Tab. č. 7.3.33: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

61




Poznámka: Výška fokusu byla posunuta 1,5 mm pod vrchní rovinu materiálu, Řez je šikmý s rovnoměrnou přetavenou vrstvou. Otřepy jsou vysoké a mohutné. Tab. č. 7.3.34: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm

62

7.4 Tloušťka materiálu 4,8 (4,75-4,92)mm Označení vzorku: 40 Fotka vzorku



Poznámka: Vzorek vyřezaný základními řezacími parametry. Je zde poměrně velký a silný otřep. Vzorek byl vyhodnocen jako jeden z vizuálně nejhorších. Tab. č. 7.4.40: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Hloubka fokusu svazku je snížena o 1 mm. Řez je konvexního tvaru, přetavené vrstva je nerovná a třep je drobnější. Tab. č. 7.4.41: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

63




Poznámka: Fokus je posunut na hodnotu 2,5 mm pod povrch materiálu. Řez je rovný, přetavená vrstva je rovnoměrná a otřepy jsou drobnější. Tab. č. 7.4.42: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Fokus svazku je umístěn 3,5 mm pod povrch základního materiálu. Řez je nerovný, přetavená vrstva je nerovnoměrná a otřepy jsou řídké a drobné. Tab. č. 7.4.43: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

64




Poznámka: Fokus svazku je umístěn 0,5 mm nad základní materiál. Řez je nerovný, hodnota přetavené vrstvy vzrůstá s hloubkou řezu a otřepy jsou úzké a četné. Tab. č. 7.4.44: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Fokus svazku je umístěn 1,5 mm nad povrch materiálu. Řez je vrásčitý a nerovný. Spodní část obsahuje velkou přetavenou vrstvu. Pokud se vyskytuje otřep, tak je drobný a dobře přilnutý k základnímu materiálu. Tab. č. 7.4.45: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

65




Poznámka: Výška fokusu svazku je umístěna 2,5 mm nad základní materiál. Řez je konkávního tvaru. Přetavená vrstva je nerovnoměrná. Otřepy jsou řídké, nízké a přilnuté k základnímu materiálu. Tab. č. 7.4.46: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Výška fokusu svazku je umístěna 3,5 mm nad základní materiál, řez je nerovný a ke konci hodně zvlněný. Otřepy se téměř nevyskytují. Tab. č. 7.4.47: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

66




Poznámka: Tryska je umístěna do vzdálenosti 2 mm od základního materiálu. Řez je nerovný a přetavená vrstva se rozšiřuje ke konci řezu. Otřepy jsou kratší, úzké a četné. Tab. č. 7.4.48: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Tryska je vzdálená 1 mm od základního materiálu. Řez je ze začátku nerovný. Otřep je rovnoměrný, úzký a podlouhlý. Tab. č. 7.4.49: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

67




Poznámka: Tryska je vzdálená 4mm od základního materiálu, Řez je nerovný s rostoucí hodnotou přetavené vrstvy ke konci řezu. Otřepy jsou husté, nízké a velmi přilnuté k základnímu materiálu. Tab. č. 7.4.50: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Tryska je vzdálená 5 mm od základního materiálu. Řez je rovný s rostoucí přetavenou vrstvou na spodní části řezu. Otřepy jsou úzké a podlouhlé s rostoucím nánosem základního materiálu na konci. Tab. č. 7.4.51: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

68




Poznámka: Jedná se o jeden z vizuálně nejhorších vzorků, vzdálenost trysky je 6 mm od základního materiálu. Řez je rovný s velkou přetavenou vrstvou na spodní straně řezu. Otřepy jsou podlouhlé, silné a špatně odstranitelné. Tab. č. 7.4.52: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

69




Poznámka: Na tomto vzorku byla zkušebně vychýlena osa trysky s osou řezu. V levém horním rohu je fotka vzorku vyřezaného s vychýlenou tryskou. Vpravo je metalografický snímek. Vlevo dole je nákres vychýlení trysky. Vzorek byl vyroben se základními řeznými parametry. Řez je rovný, ke konci je zvýšená šířka přetavené vrstvy. Lze pozorovat různou velikost otřepů na jednotlivých stranách vzorku, což je způsobeno rozdílným tlakem a průtokem plynu v místě řezu. Tab. č. 7.4.53: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

70




Poznámka: Délka pulzu byla snížena na polovinu (0,5 ms), řez je nerovný, přetavená vrstva se rozšiřuje ke konci řezu a otřepy jsou drobnější a méně četné. Tab. č. 7.4.54: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Délka pulzu je 0,25 ms, řez je rovný s nerovnoměrnou přetavenou vrstvou. Vzorek nešel ze základního materiálu vyjmout. To bylo pravděpodobně způsobeno ztuhnutím roztaveného materiálu v místě řezu, což mělo za následek spojení vzorku se základním materiálem. Aby bylo možné vzorek odebrat, musel být řezací proces spuštěn podruhé. Tab. č. 7.4.55: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

71




Poznámka: Délka pulzu je 0,35 ms. Řez je nerovný, přetavená vrstva je nerovnoměrná a otřepy jsou řídké a úzké. Tab. č. 7.4.56: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla snížena na 17 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva se vyskytuje jen ve spodní části řezu a otřepy jsou podlouhlé, úzké a četné. Tab. č. 7.4.57: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

72




Poznámka: Rychlost posuvu je snížena na 10 mm/min. Řez je nerovný s rozdílnou tloušťkou přetavené vrstvy. Otřepy jsou úzké a četné. Tab. č. 7.4.58: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 37 mm/min. Řez je rovný s malou přetavenou vrstvou. Otřepy jsou podlouhlé, úzké a četné. Tab. č. 7.4.59: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

73




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 50 mm/min. Řez je nerovný, s rostoucí hodnotou přetavené vrstvy ke konci řezu Otřepy jsou rovnoměrné, vysoké a úzké. Tab. č. 7.4.60: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 60 mm/min. Řez je rovný s rozšiřující se přetavenou vrstvou ve spodní části řezu. Otřepy jsou menší než u předešlého vzorku č. 60. Tab. č. 7.4.61: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

74




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena 75 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva nerovnoměrná a otřepy jsou nízké, řídké a místy úplně schází. Tab. č. 7.4.62: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 85 mm/min. Řez je mírně zvlněný, přetavená vrstva vzrostla na konci řezu a otřepy se vyskytují jen ojediněle. Tab. č. 7.4.63: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

75




Poznámka: Rychlost posuvu vzrostla na 100 mm/min. Řez je nerovný s minimální četností a velikostí otřepů. Hodnota přetavené vrstvy vzrostla ve spodní části řezu. Tab. č. 7.4.64: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 125 mm/min. Řez je nerovný, velikost přetavené vrstvy je mírně zvýšená ke konci řezu. Otřepy se zde skoro nevyskytují. Tab. č. 7.4.65: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

76




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 150 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva je minimální a otřepy se zde téměř nevyskytují. Tento řez je jeden z nejlepších. Tab. č. 7.4.66: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu se zvýšila na 175 mm/min. Řez je nerovný, přetavená vrstva mírně vzrostla s hloubkou řezu a otřepy se zde téměř nevyskytují. Řez patří mezi jeden z nejlepších. Tab. č. 7.4.67: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

77




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 200 mm/min. Řez je rovný, přetavená vrstva nerovnoměrná a na vzorku se téměř nevyskytují otřepy. Tab. č. 7.4.68: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 225 mm/min. Řez je nerovný se zvýšenou hodnotou přetavené vrstvy ve spodní straně řezu. Otřepy se zde téměř nevyskytují. Tab. č. 7.4.69: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 4,8 mm

78

7.5 Tloušťka materiálu 2,3 (2,29 -2,33)mm + plazmový nástřik 0,310,55mm Označení vzorku: 0 Fotka vzorku



Poznámka: Tento vzorek je zvolen jako základní a všechny ostatní vzorky budou porovnávány s tímto. Na začátku řezu je natečená plazmová vrstva, která se počítá do hodnoty tloušťky přetavené vrstvy. Tab. č. 7.5.0: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem Označení vzorku: 1 Fotka vzorku



Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 125 mm/min. Profil řezu je nerovný a ke konci je zvýšená tloušťka přetavené vrstvy. Otřep je úzký a rovnoměrný. Tab. č. 7.5.1: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

79




Poznámka: Rychlost posuvu vzrostla 150 mm/min. Řez je nerovný a ze strany řezu do něj zasahuje plazmová vrstva. Ve spodní části se přetavená vrstva rozšiřuje a přechází v otřep, který je nepravidelný a podlouhlý. Tab. č. 7.5.2: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem




Poznámka: Rychlost posuvu byla zvýšena na 175 mm/min. Řez je rovný a velikost přetavené vrstvy vzrostla ve spodní části. Otřepy jsou drobné a nepravidelné. Tab. č. 7.5.3: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

80




Poznámka: Rychlost posuvu vzrostla na 200 mm/min. Řez je nerovný a ve spodní části je zvýšená tloušťka přetavené vrstvy. Otřep je nízký a nepravidelný. Tab. č. 7.5.4: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem Označení vzorku: 5 Fotka vzorku



Poznámka: Výška fokusu byla snížena o 1 mm na hodnotu 1,5 mm pod povrch materiálu. Řez je rovný a ze začátku do něj vstupuje plazmová vrstva. Otřepy jsou úzké a na konci se rozšiřují. Tab. č. 7.5.5: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

81




Poznámka: Výška fokusu byla umístěna 2,5 mm pod povrchem materiálu. Řez se postupně rozšiřuje a vstupuje do něj plazmový nástřik. Přetavená vrstva je nerovnoměrná a otřepy jsou nízké a nepravidelné. Tab. č. 7.5.6: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem Označení vzorku: 7 Fotka vzorku



Poznámka: Rovina fokusu byla posunuta 0,5 mm nad vrchní stranu materiálu Řez je rovný s rostoucí přetavenou vrstvou ke konci řezu. 0třepy jsou drobné a řídké s výskytem převážně v rozích. Tab. č. 7.5.7: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

82




Poznámka: Výška fokusu byla umístěna 1,5 mm nad povrch základního materiálu. Řez se rozšiřuje stejně tak jako velikost přetavené vrstvy. Tento vzorek nevyhovuje normě EMS 52571. Otřepy jsou nízké se zvýšenou tvorbou v rozích. Tab. č. 7.5.8: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem Označení vzorku: 9 Fotka vzorku



Poznámka: Délka pulzu byla snížena na hodnotu 0,25 ms. Vzorek nebyl napoprvé plně prořezán, proto byl spuštěn CNC program 2x. Řez je nerovný a přetavená vrstva je nerovnoměrná. Otřepy jsou úzké a podlouhlé. Tento vzorek nevyhovuje normě EMS 52571. Tab. č. 7.5.9: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

83




Poznámka: Délka pulzu byla 0,35 ms. Řez je nerovný a na konci řezu je velikost přetavené vrstvy větší než povoluje norma EMS52571. Otřepy na konci vzorku jsou dlouhé, nepravidelné a četné. Tab. č. 7.5.10: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem




Poznámka: Délka pulzu byla 0,5 ms. Řez je rovný s mírným rozšířením na konci. Velikost přetavené vrstvy výrazně vzrostla ve spodní části řezu. Ve vrchní části do řezu zasahuje plazmová vrstva. Otřepy jsou podlouhlé, úzké a četné. Tab. č. 7.5.11: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

84




Poznámka: Délka pulzu byla 0,75 ms. Řez je rovný a ve spodní části je zvýšená hodnota přetavené vrstvy. Z vrchní strany do řezu zasahuje plazmová vrstva. Otřepy jsou úzké a vysoké. Tab. č. 7.5.12: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem




Poznámka: Vzdálenost trysky od materiálu byla zvýšena na 4 mm. Řez je rovný a přetavená vrstva vzrostla ve spodní části. Ve vrchní části do řezu zasahuje plazmová vrstva. Otřep je hustý a podlouhlý. Tab. č. 7.5.13: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

85




Poznámka: Vzdálenost trysky od materiálu byla zvýšena na hodnotu 5 mm. Řez je nerovný a přetavená vrstva je nerovnoměrná. Ve spodní části je zvýšená tloušťka přetavené vrstvy. Z vrchní strany do řezu zasahuje plazmová vrstva. Otřepy jsou nízké a řídké. Tab. č. 7.5.14: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem Označení vzorku: 15 Fotka vzorku



Poznámka: Vzdálenost trysky od základního materiálu klesla na hodnotu 2 mm. Řez je nerovnoměrný, z vrchní strany do něj zasahuje plazmová vrstva a ve spodní části je zvýšená tloušťka přetavené vrstvy. Otřep je podlouhlý s nánosy základního materiálu na konci. Tab. č. 7.5.15: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

86




Poznámka: Vzdálenost trysky klesla na minimální hodnotu 1 mm od základního materiálu. Řez je rovný a z vrchní strany do něj zasahuje plazmová vrstva. Přetavená vrstva není rovnoměrná a otřepy jsou drobné. Tab. č. 7.5.16: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 2,3 mm opatřen plazmovým nástřikem

87

7.6 Tloušťka materiálu 7,2 (7,17-7,30)mm Označení vzorku: 70 Fotka z výroby

Řezací parametry Frekvence pulzu: Délka pulzu: Průměrný výkon: Špičkový výkon: Rychlost posuvu: Vzdálenost trysky: Fokus:

70 Hz 0,6 ms 280 W 5,5 J 20 mm/min 1 mm -2 mm

Vzorek vyřezaný z materiálu o průměrné tloušťce 7,2 mm. Slitina je na laserové řezání při daných parametrech příliš silná. Po prvním vyřezání byl vzorek připevněn k základnímu materiálu pomocí roztavené odlétající strusky. Aby šlo vzorek vyjmout, musel být řezací program spuštěn dvakrát. Na krajích vzorku je zřetelně vidět přetavenou vrstvu černá barvy a zářezy (vrásky) způsobené laserovým svazkem. Tab. č. 7.6.70: Vzorek vyřezaný v materiálu o tloušťce 7,2 mm

88

Vliv laserových parametrů na velikost přetavené vrstvy řezu

Recommend Documents