17. 9. 2010 Brno - Hadyna

28 /
partnerské stránky
Zásobování laseru technickými plyny od Air Products
Ing. Pavel Rohan
LASER – PRINCIP A ROZDĚLENÍ
Využití poznatků kvantové fyziky umožnilo
v roce 1950 zkonstruovat první laser (Light Amplifi
cation by Stimulated Emission of Radiation)
na bázi rubínového krystalu. V principu se jedná
o zařízení, které vysílá vysoce koncentrovaný
paprsek energie ve formě záření o vlnové délce
viditelného světla, ale i rentgenového nebo ultrafi
alového záření.
Základ laseru tvoří rezonátor, což je prostor
ohraničený dvěma zrcadly, z nichž jedno je
polopropustné. Vhodným dodáním energie
do rezonátoru, zpravidla nasvícením, se docílí
rozkmitání paprsku světla mezi zrcadly. Energie
shromážděná v rezonátoru je následně vyzářena
ve formě málo rozbíhavého, monochromatického
(s jednou vlnovou délkou) a koherentního
(v souladu fází) svazku paprsků.
Podle materiálu rezonátoru, resp. aktivního
prostředí, lze rozdělit lasery na pevnolátkové
(např. Nd-YAG), plynové (např. CO ) a polovodi-
2
čové (diodové) (obr. 1).
LASER – TECHNOLOGICKÉ VYUŽITÍ
Vysoká hustota dodávané energie a možnost
jejího přesného dávkování předurčují laser k využití
tam, kde je třeba v maximální možné míře
zabránit nežádoucím deformacím a strukturním
změnám. Požadavky na minimalizovanou tepelně
ovlivněnou zónu při svařování, dělení, ale i při
tepelném zpracování se vyznačují například technologie
zpracování velmi tenkých a na přehřátí
citlivých materiálů.
Tepelné zpracování laserovým paprskem se
provádí buď s přetavením základního materiálu,
nebo bez přetavení tak, aby bylo dosaženo požadovaných
vlastností povrchu. Díky vysokým rychlostem
ohřevu a ochlazování dochází k posunu
transformačních teplot v porovnání s rovnovážným
stavem a i proto dochází k ovlivnění zpravidla
jen velmi tenké povrchové vrstvy materiálu.
Vzhledem k tomu, že při tepelném zpracování
kovových materiálů (ocelí) dochází k ohřevu na
teploty blízké bodu tání, je vhodné chránit zpracovávaný
povrch materiálu ochrannou atmosférou,
např. dusíkem (cca 25 l.min-1 ) [2].
Dalším způsobem využití laseru v technologické
praxi je svařování. Vzhledem k vysoké
hustotě energie dochází při svařovaní k tvorbě
3
1
Obr. 2: příklad "key hole" při svařování 1 900 W laserem rychlostí 12.7 mm.s −1 . AISI 304L, [3]
tzv. „klíčové dírky“ (key hole) (Obr. 2). Key hole
je naplněna parami odpařeného kovu a plazmatem,
které se tvoří z par odpařeného materiálu
a ochranného plynu (argon, helium) působením
vysoké teploty. Právě tvorba plazmatu je jedním
z problémů svařování laserem, neboť spotřebovává
energii potřebnou pro natavení materiálu
a často nežádoucím způsobem ovlivňuje
geometrii svaru. Tvorbu plazmatu lze zpravidla
pouze omezit a to správnou volbou svařovacích
parametrů a především vhodným výběrem
ochranné atmosféry – ionizační energie argonu
je téměř poloviční (15,7596 eV) v porovnání
s heliem (24,5874 eV). Z tohoto důvodu jsou
pro svařování laserem doporučeny atmosféry
s převahou helia. U ostatních plynů je třeba
věnovat pozornost například metalurgickému
působení (dusík), případně nepříznivým
vlastnostem vzhledem k průchodu laserového
paprsku (CO 2 ).
V technologické praxi lze díky úzkému
a hlubokému závaru svařovat nesourodé
materiály jako například litinu a nízkolegovanou
ocel (obr. 3) [4]. Důkazem, že technologie
Obr. 1: Rezonátor laseru: 1. aktivní prostředí, 2. zdroj záření, 3. odrazné zrcadlo, 4. polopropustné zrcadlo, 5. laserový paprsek [1]
2
4
5
www.airproducts.cz
svařování laserem je již vysoce zvládnutou
metodou, je její nasazení v nejrůznějších
oblastech průmyslové výroby. V automobilovém
průmyslu – například velmi efektivní přivařování
klapek EGR ventilu pro recirkulaci výfukových
plynů (obr. 4) [5]. Moderní automobily obsahují
až 70 metrů svarů zhotovených laserem. Při
výrobě lékařských přístrojů a zařízení se využívá
vysoká čistota této technologie spolu s přesností
a spolehlivostí.
Svařování laserem lze kombinovat s již „tradičními“
metodami svařování MIG/MAG. Tento
způsob svařování se často nazývá hybridní a spojuje
v sobě výhody obou metod – hluboký průvar
laserového svařování a přídavným materiálem
vyplněný svar zhotovený metodou MIG/MAG.
Při hybridním svařování se používají ochranné
atmosféry na základě směsí helia, argonu a CO 2 ,
případně kyslíku [6].
Pro dělení materiálů laserem slouží v praxi
nejčastěji CO 2 lasery. Výhodou laserového řezání
je minimální tepelné ovlivnění v okolí řezné spáry.
Díky vysoké hustotě energie je možné dělit materiály
efektivně a přesně a to nejen uhlíkové oceli,
ale i slitinové oceli, neželezné kovy a jejich slitiny,
ale i dřevo, plasty apod.
Podle způsobu odstranění materiálu z řezné
spáry lze rozdělit [7] laserové řezání na způsob
– oxidační, řezná spára je tvořena spalováním
děleného materiálu v proudu kyslíku
– roztavený, materiál je z řezné spáry odstraněn
dynamickým účinkem proudu plynu, zpravidla
dusíku
– sublimační, kdy dochází k odpaření materiálu
z řezné spáry
ZÁSOBOVÁNÍ LASERŮ TECHNICKÝMI PLYNY AIR
PRODUCTS
Pro všechny technologie využívající laserového
paprsku má společnost Air Products
připraveny plyny a směsi špičkové kvality. Ať
se jedná o plyny asistenční, které se účastní
přímo technologického procesu nebo plyny
laserové (rezonátorové). Plyny jsou nabízeny
v nejrůznějších variantách zásobování přesně
podle požadavků zákazníka, a nebo přímo jako
ucelená řada plynů.
SVĚT SVARU