Priredili: Prof.dr.sc. Ante Mišković Mr.sc. Danijel Šogorović
`
Obrada laserom (Laser Beam Maching – LBM) se zasniva na primjeni koncentrirane fotonske energije, fokusirane na malu površinu materijala, za obradu zagrijavanjem, topljenjem, sagorijevanjem ili isparavanjem. Veoma intenzivan razvoj laserske tehnike i tehnologije obrade, učinio je da laser postane univerzalan “alat” sa kojim se mogu izvoditi najrazličitije proizvodne operacije na skoro svim vrstama materijala.
`
`
`
Sam naziv “laser” predstavlja kraticu od – light amplification by stimulated emission of radiation, što bi u slobodnom prijevodu značilo – pojačanje svijetlosti stimulacijom emisije zračenja.
Zračenje svijetlosti vrši se iz posebnih uređaja (optičkih kvantnih generatora), koji pored ostalih elemenata sadrže i izvore emitiranja svijetlosti – kristale. Osnovne karakteristike obrade pomoću lasera su: odsutnost strukturnih i kemijskih promjena na predmetu obrade i mogućnost izvođenja obrade u normalnim uvjetima.
`
`
Laserska zraka se dobiva u optičkom rezonatoru, čija principijelna shema dana na slici. Sastavni dijelovi rezonatora su kvantni generator kojega čini laserski aktivna materija čvrstog, tekućeg ili plinskog stanja, izvor svjetlosne pobude najčešće u vidu blic lampe i dva paralelna ogledala gdje refleksno ogledalo potpuno odbija svijetlost, dok polupropusno djelomično propušta svijetlost. Princip rada optičkog rezonatora zasnovan je na emisiji zračenja svjetlosne energije pri prelasku čestica (elektrona) atoma ili molekula
sa jednog energetskog nivoa na drugi, pod neposrednim djelovanjem vanjske svjetlosne pobude. Pri energetskom prelasku elektrona nastaje apsorpcija ili emisija elementarne količine energije izražene u vidu fotona. Emisija može biti spontana i stimulirana.
Sl. 1 Principijelna shema izvora laserskog zraka
`
Intenzitet laserske zrake koji se dobiva iz optičkog rezonatora, iz brojnih praktičnih razloga, nije isti po cijelom poprečnom presjeku. Raspodjela intenziteta po poprečnom presjeku laserske zrake je određena unutrašnjim karakteristikama rezonatora, a opisuje se preko transverzalnog elektromagnetnog moda (Transverse Elektromagnetic Mode – TEM) koji se označava s TEMmm (Dekatrov koordinatni sustav u pravcu x i y osa) odnosno TEMpl (polarni koordinatni sustav u pravcu radijusa r i kuta ϕ)
`
Na slici dan je primjer prostornog prikaza teorijske raspodjele intenziteta
Sl. 2 Prostorni prikaz teorijske raspodjele intenziteta laserske zrake
Kod primjene lasera za obradu materijala, teži se raspodjeli najnižeg intenziteta, tzv. osnovnog – mono moda TEM00 , koji ima oblik Gauss – ove raspodjele u osnom presjeku laserske zrake s izrazitim vrhom u sredini .
`
Polarizacija tj. način prostiranja laserske svjetlosti u prostoru, jedna je od bitnih karakteristika laserske zrake. Interakcijom laserske zrake s prozračnim tijelom nastaje razlaganje svijetlosti u dvije linearno polarizirane ravnine koje su međusobno uspravne. Veličina i položaj prostiranja ove laserske svjetlosti, kao jednog vida elektromagnetnog zračenja, opisuje se s vektorom jačine električnog polja E. Ako vektor električnog polja oscilira u ravni, radi se o linearnoj polarizaciji i u tom slučaju vrh promatranog vektora opisuje duž.
`
Kad vektor električnog polja rotira oko pravca prostiranja laserske zrake, tj. oko Z-ose, a njegov vrh gledano u pravcu prostiranja zrake opisuje kružnicu ili elipsu, tada se govori o kružnoj ili eliptičnoj polarizaciji. Vidovi polarizacije laserske svijetlosti prikazani su na slici 3.
Sl. 3 Prikaz prostiranja laserske svijetlosti u prostoru
`
`
`
Fizičke i empirijske ovisnosti koje definiraju osnovne karakteristike laserske zrake mogu se prikazati na sljedeći način. Energija fotona predstavlja energiju elementarne svjetlosne čestice i prema jednadžbi izražava se izrazom: Iz jednadžbe proizlazi da fotonska energija elementarne čestice zavisi samo od valne dužine laserske svjetlosti λ.
`
`
Snaga laserske zrake definira srednju snagu intenziteta laserske zrake i prema slici može se izraziti u sljedećem obliku:
Raspodjela intenziteta laserske zrake se najbolje opisuje po normalnom zakonu i može se predstaviti sljedećim izrazom:
Sl. 4 Zakon raspodjele intenziteta laserske zrake
`
Energija laserskog impulsa je karakteristični parametar impulsnog režima. Kao što se sa slike vidi, energiju određuje snaga lasera Psr i vrijeme impulsa ti odnosno:
`
Specifična snaga laserskog impulsa definira ranije spomenuti intenzitet, ali u ovom slučaju impulsnog djelovanja laserskog zraka, odnosno:
`
Laserska zraka koja izlazi iz optičkog rezonatora, vodi se optički pomoću prizmi i ogledala prema površini obratka ili u novije vrijeme kroz optičke provodnike. Neposredno prije usmjeravanja na samu površinu, laserska zraka se fokusira da bi se na taj način dobila što manja površina poprečnog presjeka zrake a što veći intenzitet lasera. To se postiže pomoću paraboličnih ogledala ili sabirnih leća koja su ugrađena u lasersku glavu.
Sl.5 Geometrijske karakteristike laserske zrake
`
`
Promjer laserske zrake predstavlja promjer zrake d na izlazu iz rezonatora, a koji može zadržati istu veličinu ili se primjenom teleskopa može povećati na promjer D Žarišna daljina predstavlja odstojanje f između karakteristične ravnine optičkog elementa (ogledala ili leća) i fokusne ravnine u kojoj je promjer zrake minimalan.
`
Proces obrade laserom ostvaruje se putem apsorpcije laserske zrake u površinski sloj materijala obratka. Fokusiranjem laserske zrake na malu površinu poprečnog presjeka, dolazi do intenzivne koncentracije lasera ( qmax = 108 ÷ 1013 W/cm2 ) i pretvaranja
svjetlosne energije u toplinu. Generirana toplina dovodi do površinskog zagrijavanja materijala obratka na temperature 4.000÷6.000 °C. Tako visoke temperature dovode do trenutnog rastapanja, isparavanja ili sagorijevanja bilo koje vrste materijala obratka.
Sl. 6 Principijelna shema procesa obrade laserom
Sl.7 Shematski prikaz strukture LBM postrojenja
`
Karakteristične cjeline većine LBM postrojenja uglavnom su iste i čine ih sljedeće jedinice:
`
optički rezonator izvor za napajanje električnom energijom jedinica za napajanje energetskim plinovima sustav za hlađenje optičkog sustava sustav za vođenje i oblikovanje zrake radna glava radni prostor stroja upravljačka jedinica
`
sigurnosni sustav
` ` ` ` ` ` `
`
`
`
`
Optički rezonator predstavlja centralnu jedinicu LBM postrojenja, a služi za generiranje laserske zrake određenih karakteristika. Sastavni dijelovi rezonatora su kvantni rezonator, izvor svjetlosne pobude i sustav paralelnih ogledala. Izvor za napajanje električnom energijom direktno je povezan sa osnovnom jedinicom, tj. izvorom svjetlosne energije optičkog rezonatora. Jedinica za napajanje energetskim plinovima , ako se radi o plinskom laseru, služi za doziranje aktivne sredine radnim plinovima. Sustavom za hlađenje optičkog rezonatora se povećava koeficijent djelovanja optičkog sustava.
`
`
`
`
`
Sustav za vođenje i oblikovanje zrake , predstavlja važnu prateću jedinicu sa kojom se ostvaruje vođenje i oblikovanje laserske zrake do radne glave. Radna glava , fokusiranjem i po potrebi zakretanjem laserske zrake usmjerava zraku na površinu obratka u cilju ostvarivanja određene proizvodne operacije. Radni prostor stroja , osigurava prihvaćanje i stezanje obradaka, kao i potrebna kretanja pri obradi, slično kao i kod drugih alatnih strojeva. Upravljačka jedinica ima zadatak da sinkronizira i objedini rad osnovnih i pratećih jedinica LBM postrojenja Sigurnosni sustav , s obzirom da nekontrolirani izlazak laserske zrake iz postrojenja može biti opasan za poslužitelja i okolinu, osigurava siguran rad LBM postrojenja
Sl. 8 Prikaz plinskog CO2 lasera
Sl. 9 Tipičan izgled suvremenog LBM postrojenja
`
U ovisnosti o području primjene, količina skinutog materijala u jedinici vremena, može ovisiti o vrsti i
dimenzijama materijala obratka, karakteristikama intenziteta laserske zrake u fokusu, geometrijskim veličinama laserske zrake, brzini pomoćnog kretanja, vrsti i pritisku pomoćnog plina i dr. `
Vrsta i debljina materijala obratka – Laserom se mogu obrađivati svi materijali, ali ne podjednako efikasno. Obradivost ovisi o raznim svojstvima materijala, a prvenstveno o njegovim fizičkim karakteristikama (specifični toplinski kapacitet, koeficijent temperaturne provodljivosti, temperatura topljenja, koeficijent refleksije i dr.).
Sl. 10 Utjecaj debljine materijala i kvaliteta reza na brzine sječenja laserom
`
Intenzitet laserske zrake – Proizvodnost obrade direktno ovisi o energetskim karakteristikama lasera. Povećanjem specifične snage laserske zrake u fokusu, tj. koncentracije energije i zbroja impulsa, intenzivira se isparavanje i razaranje materijala obratka.
`
`
`
Geometrijske karakteristike laserske zrake – Polumjer trake u fokusu definira koncentraciju energije impulsa, a polarizacija utječe na smanjenje proizvodnosti preko odstupanja paralelnosti linearnog prostiranja laserske svijetlosti od pravca obrade. Brzina pomoćnog kretanja – Pri obradi je potrebno izabrati graničnu vrijednost pomoćnog kretanja, da se s jedne strane ne pojavi proces nepotpune obrade ili suprotno nepotrebno gubljenje energije i vremena. Pomoćni plin – Efektivnost sječenja laserom može se značajno povećati primjenom tzv. pomoćnog plina (20÷40%), koji se ubacuje u smjeru djelovanja laserske zrake, a čiji zadatak je poboljšati sagorijevanje materijala i odstranjivati produkte obrade iz zone rezanja.
`
Točnost obrade laserom prvenstveno ovisi o
intenzitetu i stabilnosti energetskih parametara laserske zrake i geometrijskim karakteristikama optičkog sustava. Kako se radi o nedefiniranoj
geometriji procesa obrade laserom (konusni oblik zrake i toplotni mehanizam obrade), neizbježne su greške dimenzija, oblika i položaja. Odstupanje mjera i profila obrade od propisanih su posebno izražena kod grube obrade robusnih radnih predmeta. Ako se radi o završnoj obradi radnih predmeta manjih dimenzija, postiže se visoka točnost ±(0,01÷0,001) mm.
`
`
Geometrijske karakteristike su presudne kod točnosti obrade laserom. Bitno je na mjestu obrade ostvariti maksimalno fokusiranje laserske zrake, tj. provesti obradu s minimalnim promjerom zrake. Također je bitno izbjeći odstupanje paralelnosti linearnog pravca prostiranja laserske svijetlosti (polarizacija) u odnosu na pravac rezanja ili koristiti radijalni vid polarizacije. Na slici prikazan je utjecaj vrste laserskog impulsa na mjere i oblik rupe, kao i odstupanje linearne polarizacije od pravca rezanja na širinu i oblik reza.
Sl. 11 Točnost bušenja i sječenja laserom
`
Pri obradi laserom, zbog pojave visoke temperature u uskoj zoni obrade, neizbježne su značajnije geometrijske neravnine fizičko – kemijske promjene u površinskom sloju materijala obratka. Ostvaruje se obrada srednje – grube klase kvalitete obrađene površine N7÷N12, uz debljinu defektnog sloja koja može varirati u širokim granicama 0,01÷0,05 mm, pogotovo kod laserskog sječenja kontinuiranim režimom rada.
`
Kvaliteta obrađene površine ovisi o specifičnoj
snazi laserske zrake, vremenu djelovanja impulsa, toplinsko – fizičkim karakteristikama materijala obratka, brzini obrade, vrsti i pritisku pomoćnog plina i dr.
Sl. 12 Izgled površine laserskog reza
`
`
LBM može se koristiti za obradu svih vrsta metalnih i nemetalnih materijala, koji posjeduju minimalno svojstvo apsorpcije infracrvenog zračenja. Metalni materijali – S obzirom da skoro svi metali i njihove legure, iako na sobnoj temperaturi reflektiraju svijetlost, posjeduju početnu apsorpciju koja se kreće u granicama 0,5÷10%, manje ili više se uspješno obrađuju pomoću lasera.
`
Nemetalni materijali – Nemetali su po pravilu dobri apsorberi infracrvenog zračenja. Uz to, općenito uzevši, nemetalni materijali posjeduju mali koeficijent toplinske provodljivosti i imaju nisku točku topljenja ili paljenja. Zbog toga, nemetali predstavljaju veoma pogodan materijal za obradu laserom.
Sl. 13 Pregled oblasti primjene osnovnih LBM operacija
`
Najrasprostranjenija primjena lasera u području obrade materijala, upravo je kod proizvodne operacije sječenja raznih vrsta i debljina materijala (Laser Cutting). Pomicanjem radne glave ili obratka po određenoj putanji, ostvaruje se izuzetno efikasno isijecanje i prosijecanje prostih ili složenih kontura. Režu se gotovo sve vrste materijala, metali debljine do 10 mm i nemetali do 30 mm. Brzine rezanja su do 50 m/min, minimalni rezovi su oko 0,1 mm, a maksimalne kvalitete obrade su N7.
Sl. 14 Primjer specifičnih dijelova isječenih pomoću lasera
`
Bušenje i perforiranje (Laser Drilling and Perforating) otvora različitih geometrijskih oblika, dubina i položaja su tipične operacije laserske obrade. Obrada se uglavnom izvodi sa Nd:YAG laserom u impulsnom režimu rada. Obrada raznih materijala i malih otvora promjera φ(0,01÷0,5) mm, koji se mogu bušiti ili perforirati, glavne su odlike i prednosti lasera u odnosu na druge postupke obrade. Koriste se u industriji precizne mehanike,
industriji alata, tekstilnoj industriji, elektro industriji i dr.
Sl. 15 Primjer bušenja i perforiranja laserom
`
Izrada dijelova specifične geometrije, pri izradi prototipa ili vrlo malog broja komada, ostvaruje se složenim pomicanjem radne glave u odnosu na obradak, koje podsjeća na kopirno glodanje, pa otuda i naziv “lasersko glodanje”.
Sl. 16 LBM izrada dijelova složenog geometrijskog oblika
`
Lasersko graviranje (Laser Engraving) željenog geometrijskog oblika i identifikacijsko markiranje, odlikuje se brzinom, preciznošću i kvalitetom trajnog označavanja i to bez naljepnica, boja, mehaničkog oštećenja, prljanja i sl. Koristi se za obilježavanje proizvoda i komponenata s alfa – numeričkim oznakama u seriji (serijski broj, bar kod, datum, tehnički podaci, skale, itd.) i grafičkim prikazima (logo, oznaka, simbol, natpis, itd.).
Sl. 17 Primjeri laserskog graviranja - markiranja
`
`
Zavarivanje laserom ostvaruje se trenutnim topljenjem materijala dva ili više spojenih dijelova i naglim hlađenjem rastopljenog spoja. Ostvaruje se spajanjem materijala bez ili uz primjenu dodatnog materijala, u atmosferi ili pod zaštitom plina. Pored metalnih mogu se zavarivati i nemetalni materijali, kao i raznorodni materijali. Lemljenje, spajanje dijelova koji ne zahtijevaju veliku jačinu spoja, ali je potrebno brtvljenje ili električna provodljivost, također se uspješno ostvaruje pomoću lasera.
Sl. 18 Primjer spajanja pomoću laserske zrake
`
Lokalno zagrijavanje površinskog sloja materijala koji se toplinski obrađuje, efikasno se može ostvariti pomoću lasera (Laser Heat Treatment). Na taj način se mogu provesti skoro svi do sada poznati oblici toplinske i kemijsko – toplinske obrade koji imaju zadatak poboljšati mehaničke ili fizičko – kemijske karakteristike određene površine na obratku. Na slici je dana principijelna shema procesa LBM toplinske i termo – kemijske obrade sa specifičnim postupcima ojačanja ili oplemenjivanja površinskih slojeva materijala obratka.
Sl. 19 Postupci laserske toplinske obrade
`
`
Nanošenje prevlaka na površinu materijala obratka pomoću lasera (Laser Coating), predstavlja postupak s kojim se povećava mehanička, fizička ili kemijska izdržljivost površinskog sloja. Prevlake nanesene ovim postupkom su materijali otporni na habanje, zamor, udare, temperaturu, koroziju itd. Pogodnost laserskog prevlačenja je i mogućnost prevlačenja samo onih dijelova površina koji su određeni eksploatacijskim ili estetskim zahtjevom.
Sl. 20 Prevlačenje materijala pomoću lasera
`
`
Lasersko deformacijsko ojačavanje materijala (Laser Shock Peening) predstavlja moderan i perspektivan postupak poboljšavanja mehaničkih svojstava površinskih slojeva materijala obratka. Korištenjem ovog postupka dobiva se znatno veća dubina unošenja zaostalih tlačnih napona. Proces obrade zasniva se na prethodnom prekrivanju površinskog sloja materijala s tankom dvoslojnom prevlakom (zaštitni + providni sloj).
Sl. 21 Lasersko deformacijsko ojačavanje materijala
`
`
Obrada laserom se može koristi za grubo oblikovanje proizvoda od lima postupkom savijanja (Laser Beam Forming). Laserom se savijaju dijelovi od tankih limova i profilnih pripremaka i to bez primjene alata (matrice i pritiskivača). Zbog odsustva alata i jednostavnijeg principa obrade, smanjuju se troškovi obrade, a povećava se efikasnost i fleksibilnost savijanja lima. Postupak je pogodan u uvjetima pojedinačne i maloserijske proizvodnje, kod dijelova složenih profila od teško obradivih materijala.
Sl. 22 Principijelna shema savijanja lima pomoću lasera
`
`
Dodavanje laserskog uređaja nekim konvencionalnim strojevima za obradu materijala, nastaju kombinirana obradna postrojenja. Na taj način se dobivaju postrojenja koja na jednom mjestu objedinjuju dvije raznorodne tehnologije, što umnogome povećava efikasnost i kvalitetu obrade. Kao npr. CNC obradni centri za klasično i lasersko glodanje, fleksibilni modul za obradu rezanjem s dodatkom uređaja za površinsku toplinsku obradu i dr.
Na temelju prethodno izloženog daju se sljedeće tvrdnje: ` Izrada visoko preciznih otvora malih dimenzija, kao i sječenje tankih limova uspješno se izvode pomoću lasera. ` Pod djelovanjem laserskih zraka na predmetu obrade ne dolazi do strukturnih i kemijskih promjena. ` Brojčane vrijednosti deformacije u zoni laserskog djelovanja ukazuju na postojanje tendencije “izbacivanja” materijala iz te zone
`
`
Povećana deformacija i izbacivanje materijala iz te zone jest proces odvajanja čestica pri obradi laserom Pravilnim izborom režima (energije impulsa, vremena djelovanja impulsa i količine impulsa) mogu se postići visoki kvaliteti obrade.
HVALA NA POZORNOSTI!
Mr.sc. Danijel Šogorović
