Cięcie laserem
Obróbka laserowa
zarys teoretyczny
Charakterystyka obróbki laserowej
Obróbka laserowa znajduje coraz większe zastosowanie w przemyśle z powodu własności promieniowania laserowego umożliwiających wykonanie wielu precyzyjnych operacji technologicznych na różnych materiałach (od kruchej ceramiki począwszy, przez miękkie, np. tkaniny, drewno tworzywa sztuczne a skończywszy na materiałach trudno-obrabialnych, jak: diamenty czy metale twarde), z wydajnością i dokładnością znacznie przewyższającą metody konwencjonalne. Obróbkę laserową charakteryzuje bez-kontaktowość, selektywność i możliwość pełnej automatyzacji.
Bezkontaktowość obróbki laserowej gwarantuje dużą czystość miejsca obróbki ale też umożliwia zdalne operowanie wiązką laserową przez przezierne osłony, w warunkach próżni, atmosfery gazowej lub pod wodą. Jest istotne, że wiązkę promieniowania laserowego można skupić do niesłychanie małych rozmiarów, nawet rzędu ułamka mikrometra. Sprzyja to otrzymaniu ekstremalnie dużych gęstości mocy (>1016 W/cm2) oraz selektywnemu oddziaływaniu wiązką na precyzyjnie wybranych obszarach materiału, np. w miejscach trudnodostępnych, narażonych na obciążenia mechaniczne itp., bez obawy wpływu dostarczanego ciepła na obszary przyległe, sąsiednie elementy oraz deformację detali. Bardzo krótki czas obróbki (miliardowa część sekundy) i wielka ilość energii dostarczona do miejsca obróbki umożliwia prowadzenie procesu z pominięciem spalania, minimalizację zanieczyszczeń chemicznych i eliminację procesu utleniania. Współczesne lasery wytwarzają promieniowanie, którego moc i czas trwania impulsu mogą być regulowane, co powoduje, że obrabiarka z takim laserem nabiera cech narzędzia uniwersalnego.
Dobierając odpowiednio wartość gęstości mocy promieniowania i czas trwania impulsów laserowych, można realizować wiele różnych procesów technologicznych. Można prowadzić obróbkę cieplną, zmiękczać materiał, topić, a więc spawać lub lutować, odparowywać wykonując cięcie, grawerować, drążyć, wreszcie utwardzać falami uderzeniowymi.
Nazwa LASER pochodzi od pierwszych liter w języku angielskim opisu zjawiska tworzenia promieniowania elektromagnetycznego koherentnego: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania.
Zasada działania laserów opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania. Emisja wymuszona jest możliwa w ośrodkach, w których wystąpiła tzw. inwersja obsadzeń w poziomach energetycznych atomów lub cząsteczek. Definiując pojęcia emisji wymuszonej, inwersji obsadzeń i innych pojęć stosowanych w fizyce i technice laserów, uzyskamy ogólny obraz zasady działania lasera.
Atom lub molekuła mogą znajdować się w różnych stanach energetycznych (poziomach energetycznych). Poziom o najmniejszej wartości energii nazywamy poziomem (stanem) podstawowym, poziomy o większych wartościach energii - poziomami (stanami) wzbudzonymi. Przejście na któryś z poziomów wzbudzonych związane jest z pobraniem (absorpcją) energii, zaś przejście odwrotne – z poziomu wyższego do niższego - z jej oddaniem (emisją). Przejścia z poziomów wyższych do niższych mogą odbywać się samorzutnie, jako tzw. emisja spontaniczna, albo pod działaniem kwantów zewnętrznego promieniowania o energii DE = E2 – E1, jako tzw. emisja wymuszona. Emisja jest zjawiskiem kierunkowym, tzn. atom wypromieniowuje kwant energii w określonym kierunku. W przypadku emisji spontanicznej jest to kierunek dowolny, natomiast w przypadku emisji wymuszonej jest to zawsze kierunek kwantu wymuszającego. Właśnie akty wymuszonej emisji promieniowania odgrywają zasadniczą rolę w zjawisku akcji laserowej. Z emisji wymuszonej wynikają też wszystkie niezwykłe i cenne cechy promieniowania laserowego: spójność, monochromatyczność, kolimacja, wielka gęstość strumienia mocy i wielka gęstość spektralna.
W warunkach równowagi termodynamicznej układu atomowego złożonego z bardzo dużej ilości atomów najwięcej jest atomów w stanie podstawowym E1 ), atomów o energiach wyższych (E2 , E3 ,... En) jest coraz mniej. Aby stworzyć warunki niezbędne do uzyskania akcji laserowej, należy spowodować, by liczba atomów w którymś ze stanów wyższych była większa od liczby atomów w innym, niższym stanie energetycznym. Mówimy wtedy o inwersji obsadzeń poziomów energetycznych.
Poziomy energetyczne o długim czasie przebywania atomów nazwano metatrwałymi lub metastabilnymi. Poziomy, w których czas przebywania atomów jest znacznie, nieraz tysiące razy krótszy, nazywane są poziomami krótko żyjącymi. Istnienie poziomów metastabilnych i krótko żyjących odgrywa bardzo istotną rolę w procesie uzyskiwania akcji laserowej.
Dla układów atomów o dość dużym zagęszczeniu, „urządzeniem” do dodatniego sprzężenia zwrotnego jest układ dwóch zwierciadeł równoległych. Promieniowanie z ośrodka laserującego zamkniętego między takimi zwierciadłami, w wyniku kolejnych odbić od zwierciadeł, wędruje w ośrodku wzdłuż wybranego kierunku, powodując stały wzrost liczby fotonów i wzmocnienie zjawiska. Układ równoległych zwierciadeł sprawia ponadto, że przejścia promieniste są w przeważającej liczbie przejściami wymuszonymi. Jedno ze zwierciadeł jest zwierciadłem częściowo przepuszczającym. Tędy wydostaje się na zewnątrz część zamkniętego między zwierciadłami (w rezonatorze optycznym) promieniowania. Pomiędzy zwierciadłami rezonatora powstaje fala stojąca w wyniku interferencji płaskich fal świetlnych, rozchodzących się wzdłuż osi rezonatora w przeciwnych kierunkach wskutek odbicia od zwierciadeł. Otrzymuje się tzw. mody (drgania) podłużne. W procesie obróbki ubytkowej ważne jest uzyskanie pracy jednomodowej typu TEM00, czyli pracy w modzie podstawowym, ponieważ w tym modzie istnieje możliwość optymalnego ogniskowania wiązki laserowej.
Wzbudzenie ośrodka (napompowanie), to proces polegający na dostarczeniu układowi atomowemu (molekułom ośrodka) energii w celu uzyskania inwersji obsadzeń. Różne są metody pompowania w różnych typach laserów. Dla większości laserów mają one pewien wspólny schemat (rys. 8.44).
Jeżeli poziomy, między którymi ma się odbyć akcja laserowa, oznaczyć E1 (poziom niższy) i E2 (poziom wyższy), to pompowanie w układzie jak na rysunku, będzie polegało na umieszczeniu atomów (molekuł) na poziomie jeszcze wyższym E3. Poziom ten musi być poziomem o bardzo krótkim czasie życia, poziom E2 zaś, poziomem o dłuższym czasie życia. Pompowanie przenosi atomy z poziomu E1 na najwyższy poziom E3, w sposób różny dla różnych typów laserów (np. dla laserów gazowych najczęściej poprzez wyładowanie elektryczne w gazie). Po takim wzbudzeniu atomy szybko spadają na poziom E2 . Dzięki długiemu czasowi życia poziomu E2 liczba atomów (N2) na tym poziomie rośnie. Gdy stanie się ona większa od liczby atomów N1 na poziomie E1, nastąpi między tymi poziomami akcja laserowa: powstaną kwanty promieniowania o częstotliwości, które wyzwolą lawinowe przejścia wymuszone z poziomu 2 na poziom 1 (2 ® 1) dając nowe kwanty itd.
Układy emitują promieniowanie spójne, monochromatyczne i skolimowane w kierunku osi prostopadłej do zwierciadeł rezonatora optycznego.
________________________________________
Budowa i działanie laserów
Ze względu na charakter pracy lasery dzielimy na: lasery impulsowe i lasery ciągłego działania, generujące promienie koherentne w szerokim przedziale długości fal od dalekiej podczerwieni (ok. 538 mm) do ultrafioletu (ok. 0,17 mm) i promieni Rentgena. Moc laserów ciągłego działania wynosi od 10-4 do 106 W. Moc impulsowa przekracza dziesiątki terawatów (TW=1012 W). Energia laserów impulsowych (impulsy jednokrotne) wynosi od 10-5 do 105 J. Długość impulsu osiąga ekstremalnie niskie wartości, bo dochodzące do femtosekund (fms=10-15 s).
Wśród wielu typów laserów ze względu na wykorzystywany materiał aktywny można mówić m.in. o laserach:
- na ciele stałym (krysztale lub szkle),
- gazowych (atomowych, molekularnych, jonowych),
- półprzewodnikowych,
- chemicznych,
- cieczowych,
- ekscimerowych (zwanych też ekscymerowymi),
- na swobodnych elektronach,
- plazmowych, itp.
W obróbce ubytkowej materiałów wykorzystuje się w zasadzie trzy rodzaje laserów:
1.laser rubinowy, neodymowy szklany i neodymowy YAG (laser Nd:YAG) o pobudzeniu impulsowym,
2.laser neodymowy YAG (laser Nd:YAG) o pobudzeniu ciągłym,
3.laser molekularny CO2.
Lasery impulsowe na ciele stałym. Głównym reprezentantem laserów o działaniu impulsowym jest laser rubinowy, w którym rolę pompy optycznej spełnia spiralna lampa błyskowa otaczająca pręt rubinowy. Pręt wykonany jest z kryształu syntetycznego rubinu (Al2O3) z domieszką chromu pod postacią trójtlenku (Cr2O3) w ilości około 0,03¸0,5%. Laser pracujący z takim rubinem emituje światło o krwistoczerwonej barwie i długości fali l=0,6943 mm. Inne stosowane ośrodki aktywne to kryształ granatu itrowo-glinowego (YAG) z dodatkiem trójtlenku neodymu (długość fali l=1,0641 mm) oraz niekrystaliczne, wysokogatunkowe szkło optyczne zawierające dodatek trójtlenku neodymu Nd2O3 zwane szkłem neodymowym (l=1,06 mm). W porównaniu z rubinem szkło neodymowe wykazuje lepsze właściwości energetyczne, mniejszą energię progową, możliwości wykonania elementów o dowolnych wymiarach, korzystną budowę niekrystaliczną oraz niższą cenę. Do wad zalicza się: szersze widmo promieniowania światła, gorszą przewodność cieplną i wyższą kruchość w stosunku do rubinu. Schemat budowy laserów na ciele stałym przedstawia rysunek 8.45.
Głównymi częściami laserów są: pręt laserowy, rezonator optyczny, lampa błyskowa, reflektor, układ chłodzenia i układ zasilania.
Lasery na ciele stałym o działaniu ciągłym nie różnią się istotnie od laserów impulsowych. Pręty laserowe są wykonane z granatu itrowo-glinowego z dodatkiem trójtlenku neodymu (Nd:YAG). Pobudzenie lasera Nd:YAG podobnie jak wszystkich laserów na ciele stałym odbywa się metodą „pompowania optycznego” przy zastosowaniu lampy o pracy ciągłej (kryptonowej lub ksenonowej).
Laser molekularny CO2 jest najważniejszym laserem gazowym do zastosowań technologicznych (l=10,6 mm). Laser ten (rys. 8.46) składa się z następujących zespołów:
- zespołu rury laserowej zawierającej: rurę wyładowczą z elektrodami, płaszczową obudową chłodzącą oraz rezonator optyczny;
- zasilacza;
- próżniowego układu dozowania, mieszania i przepompowywania gazów;
- układu chłodzenia rury laserowej.
________________________________________
Obrabiarki laserowe
Obrabiarki laserowe niezależnie od przeznaczenia czy stopnia skomplikowania konstrukcji są zbudowane z następujących zespołów podstawowych:
- lasera z układem zasilania i chłodzenia,
- zespołu optycznego, który ogniskuje strumień promieniowania laserowego na materiale obrabianym;
- stolika roboczego, na którym umieszcza się przedmiot obrabiany;
- urządzeń umożliwiających obsługę, kontrolę i sterowanie.
Zespół optyczny (ogniskujący) lasera. Warunkiem koniecznym do uzyskania efektu erozji laserowej jest osiągnięcie dostatecznie dużej gęstości mocy promieniowania padającego na obrabiany materiał. Emitowany przez laser strumień świetlny ma zbyt małą gęstość mocy, stąd też konieczne jest jego skupienie za pomocą układu optycznego obrabiarki laserowej.
Rodzaj lasera i jego parametry techniczne decydują o możliwościach zastosowań technologicznych, jednak ich techniczna realizacja stwarza szereg istotnych problemów. Jednym z nich jest właściwe zogniskowanie wiązki laserowej o odpowiednio dobranych parametrach, co wymaga właściwego wyboru:
- struktury modowej i geometrii wiązki ogniskowanej,
- soczewki lub obiektywu ogniskującego,
- kalizacji ogniska wiązki względem powierzchni obrabianego materiału.
Wiązka jednomodowa (TEM00) daje największą koncentrację zogniskowanego promieniowania laserowego, co jest bardzo korzystne w większości technologicznych zastosowań laserów. Dlatego często dąży się do wymuszenia pracy lasera w modzie podstawowym TEM00 przez odpowiedni dobór geometrii rezonatora optycznego lub przez stosowanie przesłon wewnątrz niego. W obrabiarkach laserowych są na ogół stosowane wiązki laserowe o przekroju kołowym, tylko w nielicznych przypadkach wytwarza się wiązki o innym kształcie, np. prostokątnym.
Wybór ogniskowej i apertury soczewki lub obiektywu ogniskującego zależy od rodzaju zastosowania lasera, np. do cięcia grubych elementów laserem CO2 stosuje się soczewki o długiej ogniskowej (do około 30 cm) w celu uzyskania dużej głębokości przewężenia zogniskowanej wiązki, natomiast przy obróbce mikroelementów stosuje się obiektywy i soczewki o małych ogniskowych (3¸5 cm) w celu uzyskania małej średnicy ogniska. Stosowanie mniejszych ogniskowych jest niewskazane ze względu na aberrację sferyczną soczewki oraz wpływ produktów erozji na soczewkę.
Nowoczesne zespoły optyczne obrabiarek laserowych składają się z układu dwóch soczewek, wklęsłej i wypukłej, rozszerzającego wiązkę promieniowania laserowego, która następnie jest skupiana w obiektywie roboczym.
Trudniejszym technicznie zadaniem jest ogniskowanie wiązki promieniowania podczerwonego lasera CO2 o długości fali l= 10,6 mm. Typowe przezroczyste materiały optyczne jak szkło czy kwarc nie przepuszczają fali tej długości. Dlatego obiektywy do laserów CO2 wykonuje się z takich materiałów jak: kryształ soli kuchennej (NaCl), german (Ge), arsenek galu (GaAs) czy selenek cynku (ZnSe). Kryształ NaCl z racji higroskopijności jest bardzo nietrwały. Stosuje się więc pokrywanie soczewek z chlorku sodu warstwami uodparniającymi je na wilgoć.