titTechnológie využívajúce laserový lúč sú najprogresívnejšie sa rozvíjajúcimi technológiami používanými v technickej praxi. Vysoko presné smerovanie energie s relatívne vysokou plošnou hustotou výkonu nachádza uplatnenie v rôznych odvetviach strojárskej výroby.


Článok sa zaoberá, okrem konvenčných aplikácií laserového lúča, aj inovatívnym spôsobom využitia lasera pre bezkontaktné termické ohýbanie plechov.

EMISIA LASEROVÉHO LÚČA
Laserový lúč je vytváraný zdrojom energie, rezonátorom a aktívnym prostredím – obr. 1. Zdroj energie dodáva do aktívneho média energiu, ktorá energeticky vybudí elektróny aktívneho prostredia zo základnej energetickej hladiny do vyššej – tento proces sa odborne nazýva excitácia. Takto sa do vyšších energetických hladín vybudí väčšina elektrónov aktívneho prostredia, čo má za následok vznik inverzie populácie, a teda obsadenie energetických hladín časticami tak, že tento stav nezodpovedá rovnovážnemu rozdeleniu.

obr1
Pri následnom prestupe elektrónov do nižšej energetickej hladiny nastane vyžiarenie energie vo forme fotónov. Fotóny, takto vyžiarené, následne spúšťajú stimulovanú emisiu fotónov pri vzájomnej interakcii s ďalšími elektrónmi inverznej populácie.

V prípade umiestnenia aktívnej časti lasera do rezonátora tvoreného zrkadlami dochádza k odrazu fotónového lúča. Odrazené fotóny znovu prechádzajú prostredím a spomínaný dej ďalej podporuje stimulovanú emisiu. Pri uvedenom spôsobe odrážania sa fotónov a ich následnom opakovanom prechode cez aktívne prostredie dochádza k exponenciálnemu zosilňovaniu toku fotónov. Výsledný lúč fotónov potom opúšťa rezonátor cez polopriepustné zrkadlo.
Takto vzniknutý laserový lúč je exportovaný na požadované miesto – podľa ďalšieho použitia. Pri rezacích strojoch sa uskutočňuje spomínaný transport pomocou zrkadiel, prípadne po-mocou optických vlákien pri aktuálnej novinke na trhu s názvom ,,Fiber Laser“. Samotná preprava je aplikovaná na nefokusovaný laserový lúč tak, aby hustota jeho energie nebola vysoká a nezaťažovala, prípadne nezničila transportné súčiastky. Fokusovanie – zaostrenie lúča sa uskutočňuje až v rezacej hlave zariadenia, čím sa získava lúč s vysokou hustotou energie (bež-ne nad 107 W/cm2). Pri najčastejšie používaných CO2 laseroch je aktívnym prostredím oxid uhličitý, vlnová dĺžka = 10 600 nm a spektrálna oblasť – farba lúča je IR teda infračervená.
Lúč, dopadajúci na materiál, mu odovzdáva svoju energiu, ktorá sa okamžite mení na tepelnú a ohrieva rezanú súčiastku.

TECHNOLÓGIE, VYUŽÍVAJÚCE LASEROVÝ LÚČ, POUŽÍVANÉ V TECHNICKEJ PRAXI
Podľa nastavenia technologických parametrov a spôsobu ovplyvňovania materiálu laserovým lúčom v technickej praxi existujú základné skupiny laserových technológií pre:
Rezanie laserom – podľa spôsobu, akým je po absorpcii laserového lúča materiál tavený/ odparovaný, rozdeľujeme rezanie laserom na tri skupiny:
Oxidačné rezanie – reakciou kyslíka s roztaveným povrchom kovu vzniká exotermická reakcia (horenie rezaného materiálu v kyslíku), ktorá má za následok ďalšie ohriatie rezaného materiálu. Uvedený spôsob rezania sa používa na materiály, ktoré je možné rezať kyslíkom, najčastejšie nízkouhlíkové ocele.
Tavné rezanie – rezanie, uskutočňované v ochrannej atmosfére inertného plynu, ktorá zabraňuje horeniu kovu v relácii s oxidačným rezaním. Delený materiál je ohrievaný, lokálne roztavený a roztavená časť je prúdom plynu vyfukovaná z reznej medzery (obr. 2). Uvedený spôsob rezania sa aplikuje najmä v prípadoch, keď chceme zabrániť prítomnosti oxidov na reznej ploche pri rezaní nízko uhlíkových ocelí, pri rezaní CrNi ocelí, pri rezaní neželezných kovov a ich zliatin a pri rezaní nekovových materiálov,
Sublimačné rezanie – rezanie, pri ktorom je materiál v mieste rezu odparovaný.

obr2

ZVÁRANIE LASEROM
Laserový lúč má špecifické vlastnosti, umožňujúce tavné zváranie materiálov. Podľa nastavených technologických parametrov sú aplikované spôsoby pulzného a kontinuálneho zvárania. Laserový lúč je pri technológii zvárania fokusovaný do malého bodu, kde spôsobuje roztavovanie zváraného materiálu. Podľa pomeru výkonu, rýchlosti zvárania, tlaku asistenčného plynu a spôsobu fokusácie laserového lúča prebieha zváranie dvomi základnými spôsobmi. Pri väčšom priemere laserového lúča v mieste dopadu na zváraný materiál prebieha zváranie v kondukčnom móde – teplo odovzdávané laserovým lúčom z povrchu materiálu prestupuje do materiálu kondukciou. Uvedený spôsob zvárania býva aplikovaný pri zváraní tenkých plechov.
Pri zváraní hrubých plechov sa používa zváranie ,,cez kľúčovú dierku“. Pri uvedenom spôsobe zvárania sú technologické parametre nastavené tak, aby počas procesu zvárania vznikal v materiáli paroplynový kanál, ktorý umožňuje prenikanie laserového lúča cez materiál. Pre tento spôsob zvárania sú typické úzke a hlboké zvary.

obr3

OZNAČOVANIE – GRAVÍROVANIE LASEROM
Označovanie laserom je technológia aplikovaná v strojárskom priemysle, najmä na aplikáciu identifikačných údajov o súčiastkach a nástrojoch pri automatizovanej výrobe. Jeho využívanie je možné vidieť aj pri výrobe okrasných a umeleckých predmetov. Princíp označovania laserom je založený na tepelnom ovplyvnení povrchu materiálu, ktoré spôsobuje buď narušenie povrchovej vrstvy materiálu, alebo zmenu farby na povrchu materiálu. Príklad súčiastky označovanej laserom je možné vidieť na obr. 4.

obr4

BEZKONTAKTNÉ OHÝBANIE LASEROM
Pre kompenzáciu deformácií po zváraní je už dávno používané rovnanie plameňom. Rovnanie je v princípe termická deformácia materiálu na základe využitia tepelnej rozťažnosti materiálu. Pokiaľ je tepelná rozťažnosť vyvolaná len lokálne, okolitý materiál, ktorý nie je ohrievaný, bráni vo zväčšovaní objemu ohrievanej časti, čím vznikajú opačne orientované pôsobenia síl (obr. 5). Uvedené silové pôsobenia spôsobia zhutnenie ocele, ktorá bola ohriata a pri ochladzovaní v tejto oblasti vznikajú ťahové napätia, ktoré vyvolávajú ohybový moment.

obr5

Veľkosť ohybového momentu je závislá na viacerých faktoroch. Jedným z najdôležitejších faktorov je teplotný gradient medzi ohriatou a neohrievanou oblasťou materiálu. Ohrev materiálu laserom má podstatne vyššiu rýchlosť dodávania tepla do materiálu ako ohrev kyslík – acetylénovým plameňom, používaný konvenčne. Pri vhodne zvolených parametroch laserových technológií, je možné lokálne vnášať do materiálu také množstvo tepla, ktoré spôsobí zmenu tvaru súčiastky ohybom. Na obr. 6 je možné vidieť súčiastky z chrómniklovej ocele X5CrNi18-10 tvarované laserom. Polotovarom pre všetky súčiastky boli štandardne dodávané rovné bezšvové rúry.

obr6

ZÁVER
Prostredníctvom správneho nastavenia technologických parametrov laserového lúča je jeho aplikácia vhodná pre rôzne spracovanie materiálov. Jedným zo spôsobov je bezkontaktné, termické ohýbanie laserom. Uvedený spôsob tvárnenia materiálov posúva možnosti návrhu súčiastok z pohľadu vyrobiteľnosti doposiaľ konvenčne používanými technológiami výrazne dopredu. Bezkontaktným tvárnením je možné ohýbať napríklad súčiastky, ktoré by na výrobu potrebovali ohýbacie také nástroje, ktoré by počas ohybu museli dynamicky meniť svoj tvar, alebo súčiastky z polotovarov, ktorých odvrátená strana nie je prístupná pre ohýbacie nástroje, napríklad rúry.

AUTORI – ORGANIZÁCIA
1) ING. ANDREJ ZRAK, PHD.– ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, KATEDRA TECHNOLOGICKÉHO INŽINIERSTVA
2) PROF. ING. JOZEF MEŠKO, PHD. – ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, KATEDRA TECHNOLOGICKÉHO INŽINIERSTVA
3) ING. RASTISLAV NIGROVIČ – ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
4) DR INŹ. PIOTR KURP – KIELCE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, FACULTY OF MECHATRONICS AND MECHANICAL ENGINEERING, THE CENTRE FOR LASER TECHNOLOGIES OF METALS

ODBORNÝ PRÍSPEVOK RECENZOVAL: ING. IVETA PALDANOVÁ, VÚZ – PI SR, BRATISLAVA

Poďakovanie
Článok bol vypracovaný vďaka podpore projektov KEGA č. 054 ŽU – 4/2012 a VEGA č.1/0186/09

REFERENCIE
[10] DOPJERA, D., MIČIAN, M.: (2014) The de¬tection of articullary made defects in welded joint with ultrasonic defectoscopy Phased Array. In: Manufacturing Technology, Vol. 14, No. 1, pp. 12 – 17, ISSN 1213-2489
[11] ASHBY, M. F., EASTERLING, K. E.: (1984). The transformation hardening of steel surfaces by laser beams – I. In: Hypo-eutectoid steels. Acta Metall. Vol. 32, No 11, pp. 1935 – 1948.
[12] RADEK, N., ANTOSZEWSKI, B.: (2009) Influence of laser treatment on the properties of electro-spark deposited coatings. In: Kovove Materialy – Metallic Materials 47, pp. 31 – 38, 2009
[13] KONAR, R., MICIAN, M.: (2012). Numerical simulation of residual stresses and distortions in butt weld in simulation program Sysweld. In: Comuniactions: scientific letters of the University of Žilina. Vol. 14, No. 3, ISSN 1335-4205. Žilina
[14] DOMAGALA, A., TOFIL, S.: The comparison between different types of cutting – selection of the best method. 9-th European Conference of Young Research and Scientific Workers, Transcom 2011, 27. – 29. June 2011, Slovakia
[15] RADEK, N., KONSTANTY, J.: Cermet ESD coatings modified by laser treatment, Archives of Metallurgy and Materials 57 (2012) (3) pp. 665 – 670.
[16] RADZISZEVSKI, L.: (1993), Laser-ultrasonic in isotropic polymers: generation and propagation, Proceedings of the Ultrasonics International Conference 1993, Vienna 6. – 8. 07. 1993, pp. 811 – 814.
[17] TOFIL, S., ANTOSZEWSKI, B.: (2011) Mikrospawanie elementów małogabarytowych laserem Nd:YAG, Zeszyty Naukowe. Nauki Techniczne – Budowa i Eksploatacja Maszyn
[18] KOŇÁR, R., MIČIAN, M., STRAŠKO, J.: Numerical simulation of temperature fields in sysweld simulation programme. In: International journal of applied mechanics and engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 423 – 431. ISSN 1425-1655