UNIVERZITET U TUZLI

MAŠINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD

TEMA: Zavarivanje i sječenje laserom sa pregledom tehničke primjene

Student: Lejla Mujezinović

Broj indeksa: II-475/12

Smjer: Proizvodno mašinstvo

Datum: 26.11.2014.god.

1

UVOD

Laser (eng. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) naziv je

za optičku napravu koja emitira koherentni snop fotona.

Prvi laser napravljen je 1960. godine. Laseri, zbog kvalitete svjetla, koje daju danas primjenjuju u gotovo svim ljudskim djelatnostima. Od tada do danas našao je veliku primjenu u:

industriji- obrada papira, tekstila, metala, vojnoj tehnici- nišanjenje i obilježavanje ciljeva, holografskim tehnikama- za dobijanje prostorne slke, informacijskoj tehnologiji- prenos signalam CD-uređaji, uređaji za očitavanje bar-

kodova u prodavnicama, za upravljanje- robotima,...

Laseri s čvrstom jezgrom (posebno Nd:YAG) se koriste za rezanje, bušenje i varenje. Laserska

zraka se proizvodi fenomenom stimulirane emisije. Kao prvi uvjet emisije fotona je Bohrov uvjet:

laserski medij mora sadržavati energijske razine čija energija (razlika energija) odgovara energiji

emitiranih fotona. Drugi uvjet je da većina atoma (ili molekula) bude u pobuđenom stanju. Moramo

imati na umu da se u laserskom mediju mogu događati različiti procesi interakcije

elektromagnetskog zračenja i materije: najviše dolaze do izražaja apsorpcija i spontana emisija

zračenja. Ukoliko dovedemo dio atoma (ili molekula) laserskog medija u pobuđeno stanje, oni će

emitirati fotone spontanom emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbirati na nepobuđenim atomima,

ili izazvati stimuliranu emisiju na preostalim pobuđenim atomima. Laserska zraka se može proizvesti

jedino ako stimulirana emisija dominira nad apsorpcijom i spontanom emisijom zračenja. To se

postiže inverzijom naseljenosti atoma u laserskom mediju: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti

veći od broja atoma u osnovnom stanju.Laseri s čvrstom jezgrom imaju jezgru, napravljenu

od kristala ili amorfne tvari, često u obliku štapića. Ogledala mogu biti tanki slojevi srebra napareni

na krajeve štapića. Na taj način štapić čini lasersku šupljinu. Pobuđivanje atoma od kojeg se sastoji

jezgra se obično provodi nekim intenzivnim izvorom svjetla. U tu svrhu se često

koriste ksenonske bljeskalice, a u novije vrijeme LED diode, ili poluvodički laseri, čime se povećava

energetska učinkovitost lasera. Prvi laser koji je davao vidljivu svjetlost je bio rubinski laser.

Rubinski laser koristi štapić od rubina kao lasersku jezgru. Rubinski laser daje crvenu svjetlost valne

dužine 694.3 nm. Danas se često koristi Nd:YAG laser, koji se sastoji od štapića itrij-

alumijevog granata (YAG), dopiranog atomima neodimija. Nd:YAG daje infracrveno zračenje.

2

YAG laser čvrstog stanja

Emituje elektromagnetne talase u infracrvenoj oblasti od 0,8 do 4000 µm što odgovara

talasnoj dužini koju lahko apsorbuje metal, ali koja se također može fokusirati pomoću

optičkog sočiva. Može osloboditi snagu do 500 W. Toplota nastala u unutrašnjosti

bljeskavice se odvodi vodenim hlađenjem tako da cijeli uređaj ima stepen iskorištenja od

samo 4 %. On omogućuje kontinualno sječenje i zavarivanje preklopnom tehnikom.

Slika 1: Nd-Yag laser sa otvorenim kućištem, te se vidi zeleno svjetlo valne dužine 532nm

Ovaj uređaj mora da ima izlaz sa trajanjem pulziranja od 1,6 ms i frekvencijom od 1s

dajući šav prečnika 0,2-1 mm. Iako on omogućuje kontinualno sječenje i zavarivanje

preklopnom tehnikom, laser čvrstog stanja se najčešće primjenjuje za operacije bušenja

rupa, podešavanja električnih otpornika i zavarivanje malih komponenata i

mikroelektronskih kola.

3

LASERSKO ZAVARIVANJE

Zavarivanje laserskim snopom ili lasersko zavarivanje primjenjuje se uglavnom

u elektronici ( zavarivanje televizijskih cijevi), medicini (srčani

stimulator ili engl. pacemaker), finoj mehanici, automobilskoj industriji (krovovi, vrata,

podovi) i drugdje.

Kod laserskog zavarivanja laserski zrak se kao nosilac toplotne energije fokusira radni

predmet i izaziva topljenje do određene dubine uz minimalno isparavanje površine.

Potrebno je dostići temperature iznad tačke topljenja, ali ne do tačke ključanja.

Za zavarivanje su potrebne manje snage i duže vrijeme djelovanja.

Slika 2 : Šema zavara

Tipičan laserski zavar prikazan je na slici 2. Fokusirani laserski zrak na površini radnog

predmeta izaziva stvaranje šupljine ispunjene isparenjima do dubine punog radnog

predmeta. Iznad dna šupljine sa isparenjima je centar zavara. U toku zavarivanja centar

se pomjera po radnom predmetu izazivajući tok rastopljenog materijalaoko centra i

očcršćavanje na strani povlačenja stvarajući zavar. Glavna toplota se transformiše na

centru unutar ukupnog poprečnog presjeka, a ne samo na površini obratka kao što je

slučaj kod TIG zavarivanja. Zbog toga je zavar uzak i homogen, a krivljenje i zona

topljenja minimalni. Uska zona uticaja toplote je višestruko korisna. Minimalna masa

4

materijala pretrpjela je strukturne promjene nakon zavarivanja. Moguće je zavariti

minijaturne komade, kao i dijelove čiji pojedini prateći elementi ne smiju biti zagrijani;

na primjer, zavarivanje hermetičkih kučišta za električne i elektronske komponenete.

Također tehnika laserkog zavarivanja odlikuje se velikom brzinom. Brzina zavarivanja u

funkciji je materijala i debljine obratka. Cilj je da se dobiju homogeni zavari željene

dubine penetracije. Ona zavisi od snage zračenja, što je snaga veća i penetracija će biti

veća. Za svaku vrstu materijala mijenjaće se nivo snage.

Slika 3: Penetracija u funkciji snage za razne brzine djelovanja

5

Tehnika zavarivanja snopom velike gustine energije

Jedan od najvećih naučnih i tehničkih interesa u odnosu na ostale postupke zavarivanja,

nastao je pronalaženjem zavarivanja snopom energije velike gustine, elekronskim

snopom (ES) i laseskim zracima (LS).

U osnovne karakteristike izvora toplote stvorenog snopom velike gustine energije

ubrajaju se:

- energija velike gustine u tački udara snopa,

- visoka tačnost kontrole kretanja izvora i tačnost kontrole promjene snage,

- visoka cijena po jedinici snage (1W).

Zahvaljujući visokoenergetskim snopovima postiže se visoka koncentracija energije na

veoma maloj površini, pa se dobija energija gustine 1000-10000 puta veća od

konvencionalnih izvora toplote. Kod zavarivanja, na primjer, takav snop trenutno dovodi

do isparavanja metala u tački udara i stvara kapilare koji se pune parama metala tipa

plazme. Ravnoteža u kapilari dobija se efektom isparavanja materijala, pritiskom para,

površinskim naponom tečnosti koja kvasi zidove kapilare i masom te tečnosti. Stoga se

toplotna energija snopa pri zavarivanju prenosi na radni komad po njegovoj debljini, za

razliku od drugih (konvencionalnih) postupaka u kojima se toplota prenosi

kondukcijiom od površine komada (slika 4).

6

Pomjeranjem snopa tečan metal kvasi zid kapilare, razliva se i očvršćava. Ako se kapilara

pomjera duž spoja očvršćavanjem kupke oblikuje se zavaren spoj dva dijela. Značajan je

uticaj interakcije snop-metal na geometriju zavara i njegove metalurške karakteristike.

Inerakcijom snop-metal stvaraju se razne subatomske čestice ( elektroni, pozitivni joni i

negativni joni, itd). Analizom položaja udjela ovih čestica može se kontrolisati položaj

tačke udara, optimizirati fokusna tačka, a time i kvalitet šava.

Glavni parametar snopa je njegovo zračenje u tački udara izraženo u W/ , od čije

stabilnosti zavisi kvalitet šava. Karakteristika laserskog postupka je veoma uska zona

topljenja i paralelnost bočnih stranica kao posljedica prenosa toplote od snopa po visini

zidova kapilara. Zbog toga je unos toplote mnogo manji nego kod konvencionalnih

postupaka zavarivanja, naročito kod većih debljina radnog komada. Takođe je i

deformacija vrlo mala ( pogotovu kod presjeka > 50 mm), pa lasersko zavarivanje u

industrijskim uslovima ne zahtijeva mašinsku obradu, a često ni završno oblikovanje.

Na slici 5 imamo kontinualni laser.

Kod kontinualnog lasera, fotoni iz optičkog rezonatora prolaze kroz gasnu smješu

( , He, ) konstantnog pritiska i temperature. Molekuli se pobuđuju električnim

pražnjenjem jednosmjerne ili naizmjenične struje. Posle relakssacije emituju fotone koji

su stimulacijom u fazi i istoj talasnoj dužini (koherencija). To je LASER odnosno

pojačavanje svjetlosti emisijom stimulisanog zračenja. To se ostvaruje pomoću niza

ogledala lociranih u optičkom rezonatoru.

7

Prenos energije od centra stvaranja snopa do radnog predmeta postiže se velikom

brzinom. Taj prenos praćen je proširenjem snopa usljed njegove prirodne divergencije

ili kod elekronskog snopa zbog negativnih elektrona. Optičkom refleksijom laserkog

snopa modifikuje se pravac snopa uz pomoć ogledala obrađenim pogodnim načinom sa

nanetim prevlakama radi sprečavanja apsorpcije ogledala obrađenim pogodnim

načinom sa nanijetim prevlakama radi sprečavanja apsorpcije energije svjetlosnog

snopa. Laserski snop se može prenijeti na znatnu daljinu, naročito u suhoj i čistoj

atmosferi.Prašina , tragovi vodene pare apsorbuju dio svjetlosne energije i znatno

remete uslove rada.

Kod laserskog snopa, fizički fenomeni su u vezi sa kinematikom gasne smješe,

molekularnom pobudom, pojačanjem optičkog signala i oslobađanjem energije iz

optičkog rezonatora. laser ustvari se formira iz smješe ( , He, ) sa molarnim

dijelom koji se mijenja od (1...1,8) do (1,7...30), respektivno. Kinematika molekula

pokazuje da najintenzivniji prenos energije odgovara svjetlosnom snopu lociranom oko

talasne dužine od 10,6 µm. Molarni dio frakcije izražava proncentualnu koncentraciju

odgovarajuće materije u smješi.

Osbinu laserskog rezinatora karakterišu dva parametra:

-koeficijent pojačanja koji predstavlja relativno povećanje intenziteta signala od 10,6

µm,

-parametar zasićenja koji pokazuje smanjenje frekvencije gornjeg nivoa laserskog snopa

u toku prenosa.

Električno pražnjenje u gasnoj mašini nastaje jonizacijom pri pobuđivanju molekula

i . Pražnjenjem nastaju elektroni male nergije (~ 1eV) koja odgovara luminiscentnom

pražnjenju, inače bi pojava luka potpuno unisštila fenomen lasera. Parametar E/N

(električno polje prema gustini neutralnih molekula) koji krakteriše efikasnost

pražnjenja treba da bude u granicama ... V/ radi osiguranja dobrih

osobina lasera. Vrijednost E/N je veoma kritična i određuje se teorijskom i

eksperimentalnom analizom.

Delikatan problem, često zanemaren je i optička homogenost aktivne zone. Kvalitet

ekstrahovane snage iz rezonatora je najkritičniji aspekat lasera od nekoliko kW. Aktivna

zona se ponaša kao sočivo zbog visoke energije sa aberacijom i distorzijom, zbog

nehomogenosti gustine energije u smješi, koja je prouzrokovana promjenama

temperature duž ose i u poprečnom presjeku, kao i zbog poremećaja u protoku gasa.

Razlika između teorijske i stvarne snage laserskog snopa je 20-30 %. Osnova za konačan

kvalitet šava jeste kontrola snage snopa koja treba da se odražava konstantnom duž

produžne ose zavarenog spoja. Kontrola elektronskog snopa se postiže povećanjem

napona i struje snopa konvencionalnim sredstvima. Radi regulacije snage snopa

potrebna je kontrola električnog pražnjenja laserskog snopa u rezonatoru.

8

Kontrola laserskog snopa niskog nivoa snage često ograničene na 10-20% maksimalne

snage je težak problem. Mala snaga ektričnog pražnjenja nije dovoljna za oduhavanje pa

i efekat lasera prestaje. Okolina oko snopa treba dobro da se kontroliše. Kod laserskog

snopa bitna je dobra zaštita rastopljenog metala, protok gasa, a uslovi refleksije plazme

moraju se kontrolisati zbog interakcije između snopa i radnog komada. Fokusna tačka u

laserskom snopu je definisana geometrijskim karakteristikama sočiva i ogledala. Zato je

nepromjenjiva tačka za datu konfiguraciju. Oscilacije snopa su vrlo korisne za dobar

kvalitet spojeva kod zavarivanja velikih presjeka. Kod laserskog snopa koriste se

oscilirajuća ogledala upravljana električnim signalima.

PRIMJENA LASERSKOG ZAVARIVANJA

Poslije manje ili više neuspješnog početka u 1973. godini zavarivanje laserskim snopom

veće snage stagnira sve do 1977...1978, a potom doživljava visok nivo ekspanzije. Kod

zavarivanja laserskim snopom snage od više kW, razvijeno je nekoliko tehnologija koje

su iskoristile prednosti zbog evolucije u optici i poboljšavanju kontrole.

U cilju da se zadovolje narasle industrijske potrebe, osobine izvora lasera se stalno

poboljšavaju. Oko 1983. godine postojalo je približno oko 1000 laserskih uređaja snage

od više kW, a 1/3 od njih se koristila u zavarivanju. Snop snage 1-10 kW zadovoljava

većinu industrijskih zahtijeva, a u autoindustriji najviše se primjenjuju laseri snage do 5

kW. Zavarivanje laserskim snopom zasniva se na iskustvu i prednosti koje je stečeno pri

upotrebi elektronskog snopa pogotovu što je geometrija spoja i priprema dijelova slična

za oba postupka.

Što se primjera primjene tiče, može se reći, da su danas u mnogim oblastima industrije,

uveliko upotrebljavaju visokoenergetski snopovi, prije svega, u automobilskoj industriji,

nuklearnoj tehnici, energetici, elektrotehnici, proizvodnji električnih uređaja za

domaćinstvo itd.

Ovi postupci zavarivanja su uvedeni:

- kod spajanja skupih komponenata (mlaznih motora)

- kod spajanja jeftinih komponenata(zupčanika)

- u masovnoj proizvodnji automobila i električnih uređaja za domaćinstvo

- u proizvodnji unutrašnjih jezgara nuklearnih reaktora

- za zavarivanje dimenzijski malih dijelova ( regulatora pritisaka), tankih

komponenata (testera) i dijelova većih debljina ( sudovi pod pritiskom), zatim

komponenata trupa aviona i sl.

- u zavarivanju obinih materijala ( konstrukcioni čelici) te lakših metala (titana).

9

Najveći dio opreme za zavarivanje laserom radi na taj način tako što se dijelovi

dopremaju na jednu ili više fiksnih stanica (karusel) linijskim transportom ili glavom za

fokusiranje do položaja zavarivanja (npr. sučeono zavarivanje kontinualne trake).

Naravno najbrojnija primjena laserskog snopa je u masovnoj proizvodnji. Dijelovi na

okretnom stolu se dovode do laserskog snopa ili se snop postepeno dovodi do fiksnih

stanica ( 2, 3 ili nekoliko) slika 6.

Slika6: Linija sa dva laserska izvora za zavarivanje reznih modela zupčanika

1-unošenje komponenata, 2-manipulator za šaržiranje i vađenje

3- položaj zavarivanja

Najčešća dva laserska izvora snabdijevaju 4-6 radnih stanica u vremenskim razdobljima.

U ovoj oblasti primjereno je zavarivanje laserom od više kW. Treba pomenuti i

spektakularnu primjenu lasera pri proizvodnji tunelskih nosača od lakih legura

izrađenih od tankih limova kojii se koriste za razvod električnih kablova. U ovom slučaju

zavarivanje je kontinualno laserom snage 1 kW i brzinom 1000mm/min, radi osiguranja

krutosti za vrijeme manipulisanja. Kvalitet spoja ovdje ne mora da bude visok, ali je

pogodnost za ekspoloataciju u dobroj mjeri zadovoljena. Pimjera radi 1984. godine u

SAD-u je korišteno 12 ovakvih proizvodnih linija u najvećoj mjeri zbog visoke

produktivnosti i zadovoljavajućeg kvaliteta.

10

U aeronautici i i straživanju svemira oprema za laserski snop koristi se u znatno

skromnijem obimu nego oprema za elektronski snop. Kada uporedimo osobine i

ekonomičnost visokoenergetskih snopova, možemo ustanoviti da laserski snop (LS) u

odnosu na elektronski snop (ES) ima sljedeće prednosti:

-laserskom snopu nije potreban vakuum, i on može djelovati na velike presjeke bez

većeg slabljenja,

-laserski snop ne remete „parazitska“ magnetna polja,

-laseski snop može da se dovede do teško pristupačnih zona uz pomoć pogodno

postavljenih ogledala,

- laserski snop ne proizvodi „X“ zrake, što jeste slučaj kod elektronskog snopa,

- laserski snop se može koristiti u vremenskim intervalima za rad na više radnih mjesta.

11

Nedostatci laserskog snopa u odnosu na elektronski snop su sljedeći:

-znatno manji stepen iskorištenja energije laserskog snopa 10-20% u odnosu na

elektronski snop gdje je taj stepen 90-98%,

-kod laserskog snopa značajan je izdatak vezan za potrošnju gasa, struje i vode ,

-oscilacije laserskog snopa usljed mehaničkih poremećaja,

-teška je promjena fokusnog rastojanja,

-potrebna je posebna zaštita osoblja od direktnog ili indirektnog zračenja laserskog

snopa,

-veliki investicioni troškovi već kod snaga od 5 kW,

-mali broj podataka iz industrije o pouzdanosti laserske tehnike,

Što se tiče tehničkih osobina (LS) i (ES) sa slike 7 koja daje vezu snage snopa i dubine

zavarivanja na nehrđajućem čeliku pri brzini 1 m/min može se zaključiti sljedeće:

-za slične uslove odnosno sličnu snagu i fokusnu tačku LS i ES imaju gotovo iste dubine

zavarivanja,

-kod debljina 4-5 mm dalji porast zavarivanja je manji za LS nego za ES.

Razlog je dejstvo plazme u tački udara koja sprečava unos energije LS u materijal. Kada

se dejsvo plazme potpuno neutrališe pri zavarivanju LS u vakuumu postižu se najbolji

rezultati osobina lasera. Najspektakularnija karakteristika LS je fleksibilnost u

rukovanju tj. opsluživanje više radnih stanica lociranih na raznim rastojanjima.

Slika 8. prikazuje primjer jednog sistema instaliranog u TSUKUBA (Japan).

12

1-komad, 2-glava za rezanje laserom, 3 detektor (LS), 4- laser velike snage,

5-distributer laserskog snopa, 6-prenos (LS), 7-glava za zavarivanje,

8-laserska glava za toplotnu obradu, 9-sistem YAG lasera srednje snage,

10-gotovi proizvodi, 11-sistem za upravljanje proizvodnjom

Posmatrajući ekonomske apekte uvođenja lasera, moraju se uzeti u obzir sljedeća

razmatranja:

-Šta se dobija sa novom tehnikom?

-Da li je cijena po komadu niža?

- Da li se za istu cijenu po komadu dobijaju proizvodi boljih tehničkih karakteristika

(duži vijek trajanja)?

-Da li su kod iste cijene po komadu bolji radni uslovi?

13

Analiziranjem različitih aspekata neke industrijske primjene može se zaključiti da se

neki spojevi moraju izvesti samo ES ili LS (npr. zavarivanje u nepristupačnim zonama

gdje se može prići samo reflektovanim LS uz pomoć pogodnih ogledala ili zavarivanje

kompleksnih dijelova uz malu deformaciju). Ovdje cijena ne odlučuje o izboru postupka

zavarivanja. Cijenu po komadu je inače u industrijskim uslovima teško analizirati jer je

mnogi proizvođači smatraju poslovnom tajnom.

Faktori koji utiču na cijenu dijele se na dvije grupe:

- one koji su opšti ili predvidivi

- specifične, individualne za svakog proizvođača

U tabeli 1. Dat je pregled investicionih i operativnih troškova ES i LS po kW snage

energetskog snopa.

Tabela 1: Faktori koji se razmatraju pri određivanju troškova za LS i ES

14

Date cijene predstvaljaju srednje vrijednosti u 1985. Godini, koje su dobijene na osnovu

obavještenja od raznih korisnika.

U vezi sa podacima iz tabele 1 proizilaze sljedeća zapažanja:

-cijena po kW snopa opada sa porastom snage,

-cijena za ES je manja nego za LS posebno za visoke snage.

Investicioni troškovi izvora moraju se dodati troškovima mehaničkih dijelova i

potrebnog alata za rad, što naravno zavisi od prirode primjene i tempa proizvodnje.

Kod zavarivanja ES treba uzeti u obzir cijenu vakuum komore, koja zavisi od dimenzija

radnog komada i može biti značajan dio investicije.

Potrebno je ocijeniti troškove mašinske obrade za pripremu radnog komada za

zavarivanje.

Prednost zavarivanja ES i LS je u tome što je za mnoge dijelove deformisanje minimalno,

pa nije potrebna završna mašinska obrda. Ovo predstavlja smanjenje vremena

proizvodnog ciklusa.

Potrošnju struje, gasa i vode također treba uzeti u obzir pri ocjeni troškova.

Cijena optike kao potrošnog materijala za laser velike snage ( 5kW) može da dostigne

visok nivo, pa je također treba razmatrati.

Troškovi oko snabdijevanja i održavanja opreme za ES i LS nisu znatno veći od onih

vezanih za programiranje industrijske mašine (CNC sisteme). Procjena je da su troškovi

održavanja 2-5% godišnje od cijene opreme zavisno do prirode primjene.

Analizirajući primjere specifičnih primjena, u cilju ekonomskog poređenja opreme za ES

i LS zavarivanje dijelova male zapremine ( zupčanici, dijelovi transmisija i sl.) u

automobilskoj industriji može se zaključiti sljedeće:

-Snaga snopa od 2 kW osigurava proizvodnju 200 kom/h sa kružnim šavom 50 mm i

uvarom od 2mm.

-Kod većih snaga snopa, proizvodnja je proporcionalna snazi snopa, uz opasku da ne

nastanu metalurški problemi zbog velikih brzina zavarivanja.

-Raspoloživo vrijeme snopa je približno 75% za ES i 95% za LS.

15

Slika 9. Prikazuje relativne investicione troškove za oba slučaja ES i LS iz čega se može

zaključiti sljedeće:

-LS ima prednost kad je dovoljna snga snopa manja od 2 kW.

-Za snagu snopa veću od 5 kW ekonomičniji je ES.

- Ukoliko je potreban snop snage 2-5 kW onda su oba postupka podjednako ekonomčna,

pa je izbor odgovarajućeg postupka zasnovan na ekonomskim pokazateljima.

Ako se ukupni troškovi posmatraju na većem broju uređaja i određenom vremenskom

periodu, dobijaju se rezultati prikazani na slici 10.

16

Između osamdesetih i devedesetih godina na tržište se godišnje isporučivalo do 2000

jedinica opreme za ES isto toliko i za LS snage nekoliko kW. Poboljšanja koja mogu

doprinijeti da se laseri više primjenjuju u industriji odnose se na proizvodnost,

fleksibilnost i ekonomičnost.

U tom slučaju treba uzeti u obzir:

-Stabilnost i raspodjelu snage laserskog snopa (5% za LS za 8h i 1-2% za ES).

-Da povećano korištenje CNC čini opremu fleksibilnom, pa se odgovarujućim softverom

mogu postići bolji radni uslovi i lakše održavanje.

-Manji rizik od prekida napajanja električnom strujom u procesu zavarivanja.

-Lakše vođenje laserskog snopa.

Manju snagu lasera ( za sada ograničenu na 5-10 kW) nego ES (100-200kW)

-itd.

17

Može se reći da energetski snopovi velike gustine zauzimaju prvo mjesto u masovnoj

proizvodnji i da će u budućnosti potisnuti veliki dio opreme za zavarivanje dijelova

debljine do 5mm (u ovom slučaju LS će postepeno zauzeti mjesto ES). Sa porastom

snage, pouzdanosti i padom cijene laserskih izvora njihova će primjena znatno porasti.

Snop energije velike gustine ima najveću primjenu u aeronautici i kosmičkoj tehnici,

kako u proizvodnji mlaznih motora tako i u konstrukcijama letjelica i reparaturi.

Također LS ima dobru perspektivu u fleksibilnim proizvodnim centrima. Roboti se na

licu mjesta opremaju laserskim izvorima, pa se snop prenosi talasovodima ili optičkim

vlaknima što pruža mogućnost u industriji. Tamo gdje stepen deformacije poslije

zavarivanja mora biti mali i gdje se traži potpuno zavarivanje i visoka pouzdanost , ovi

postupci imaju veliku primjenu.

Mada su ES i LS u nekim oblastima konkurentni ima dosta primjera primjene gdje se oni

dopunjuju. Investicije za ove postupke su velike, ali se mogu isplatiti povećanom

produktivnošću. Laser integrisan sa robotom proširuje mogućnost upotrebe u mnogim

proizvodnim granama ne samo za zavarivanje, već i za sječenje i površinsku termičku

obradu.

Dakle laseri se najčešće primjenjuju za zavarivanje u elektrotehnici i elektronskoj

industriji, proizvodnji automobila, mehanici, optici, aeronautici, avijaciji i sl.

18

LASERSKO SJEČENJE (REZANJE)

Suština laserskog rezanja je da se materijal u što kraćem vremenu ispari i odvede iz zone

djelovanja. To se postiže većim snagama i kraćim vremenom djeovanja.

Laserski snop pada na površinu obratka. U prvom trneutku jedan dio površine trenutno

ispari, dok je podpovršinski sloj zagrijan do tačke topljenja. Čim je ispareni materijal

napustio zonu djelovanja, laserski snop pada na sada već zagrijani dublji sloj materijala i

izaziva njegovo isparavanje ili sagorjevanje čime nastaje proces u obratku. Pomjeranjem

laserskog snopa po određenom pravcu ili konturi nastaće željeni rez. Kako je težnja da

se ispareni ili istopljeni materijal što prije izvede iz zone djelovanja, lasersko rezanje se

izvodi sa koaksijalnom strujom gasa za produhavanje. Produhavanje gasom povećava

brzinu rezanja čak za 40%.

Slika 12: Šema laserskog rezanja

Maksimalna produktivnost, naročito kod nepravilnih kontura, postiže se NC i CNC

sistemima za pozicioniranje i upravljanje. U zavisnosti od veličine obratka mogu se

pomjerati ili radni predmet ili laser. Postoje ograničenja u brzini sječenja bez obzira na

to što nazivna snaga za dati zahvat dopušta i veće brzine. Ovo ograničenje brzine

proističe iz željene širine i kvaliteta reza. Velike brzine rezanja u slučaju niže snage daju

nepotpun rez. Kada je snaga velika, formiranje i odvođenje šljake je nekontrolisano, pa

se dobija loš kvalitet obrađene površine.

19

Zbog visoke apsorpcije laserskog zračenja, većina nemetala može se uspješno rezati

manjom snagom, a da su pri tome brzine obrade i debljine materijala veće. Metali imaju

veću reflektivnost i veću toplotnu provodnost, pa je za njihovu obradu potrebna veća

snaga, a brzine rezanja i debljine su manje. Međutim, i za visoko reflektujuće materijale

postoji rješenje. Ono se ogleda u korištenju odgovarajućih prevalaka ( grafit ) ili oksidnih

slojeva.

Slika 13: Gornja i donja granica brzine rezanja nidkougljeničnog čelika sa snagom

zračenja 1000W

Upoređujući lasersko rezanje sa ostalim tehnikama može se reći:

-Lasersko rezanje može se primijeniti kod skoro svih materijala.

-Mala širina reza, visko kvalitet obrađene površine i mala zona uticaja toplote

obezbjeđuju znatne uštede u materijalu. Nasuprot tome sješenje makazama i rezanje

testerama ograničava se na manje debljine materijala.

-Rezanje laserom je ograničeno na srednje debljine i metalne materijale.

-Širina reza veća je nego kod gasnog rezanja.

-Lasersko rezanje ne ograničava se samo na ravno radne predmete. Vrlo velika

produktivnost moguća je i kod obrade trodimenzionalnog obratka-

-Osnovna prednost laseeskog rezanja je u mogućnosti realizacije proizvoljne konture.

20

PRIMJENA LASERSKOG REZANJA

Primjena laserskog rezanja u metalo-prerađivačkoj industriji je velika, ali najznačajnija

je u automobilskoj. Praktično svi dijelovi karoserije automobila se u vodećim fabrikama

režu laserima: krila, haube, podloge instrument tabli, krovovi i sl. Osnovna prednost

ogleda se u eliminisanju veoma složenih alata za presovanje i probijanje čiji je radni

vijek, uz redovno održavanje, relativno mali. Sama proizvodnja LS je brža, jednostavnija i

jeftinija.

Kod sječenja tekstila lasersko rezanje pruža mogućnost djelomične ili potpune

automatizacije. Formiranje konture ostvaruje se računskim putem, potrebno je smao

naznačiti model, veličinu i broj komada, a računar vodi računa o ekonomičnom krojenju,

pravcu tkanja i rezanju i automatski rukovodi cijelim sistemom.

Imamo primjer rezanja gume.

21

Gumene podloške različite debljine koriste se kod montaže raznih optičkih elemenata:

sočiva, prozora, ogledalai sl. Proizvodi su rađeni za potrebe PO TELEOPTIK.

Materijal za obradu bio je tehnička guma standardnog kvaliteta za opđtu primjenu.

Za obradu je korišten CO2 laser sa snagom od 80 W, dužinom impulsa od 0,1-1000ms i

penetracijom od 1-1000Hz, prečnik je 6mm.

Gumeni blok promjera 52x100 mm postavlja se u obrtnu glavu koja daje mogućnost

promjene brzine od 100 do 800 mm/min. Fokusiranje se obavlja sočivom žižne daljine

38 mm. Pložaj žižne tačke u odnosu na napadnu površinu teoretski treba da se za

operaciju rezanja nađe na 2/3 do ¾ debljine. Promejnama mlaznica položaj izaznog

otvora podešen je na rastojanje h=6mm, a protok gasa za produhavanje je 12 l/min.

Zaštitna atmosfera je argon.

Slika 15: Šema operacije rezanja gume

Rad sam impulsima dužine 1ms, 100Hz, srednjom snagom 50 W i brzinom rezanja od

300-800 mm/min dovodi do djelomičnog rezanja, jer se formira šljaka koja prlja osnovni

materijal i sprečava dublje prodiranje laserskog zračenja. Povećavanjem broja impulsa

na 400-600 Hz sa snagom 30-40 W otkalanjaju se neželjeni efekti i dobija se potpuno

kvalitetno rezanje sa rezom širine 0,1 mm.

Dakle moguće je sječenje čeličnih limova, tvrdih i krtih metalnih materijala, obostrano

pocinkovanih ili plastificiranih limova, plastičnih masa, kartona, drveta, tekstila, stakla,

koristi se i za fino bušenje u nesagorivim keramičkim pločama...

22

Neki od uređaja su prikazani na slikama:

23

24

25

LITERATURA

⦋1⦌ Milan Milanović; Primjena laserske tehnologije u zavarivanju i sječenju, Ljubljana,

2004. godine

⦋2⦌ Ilija Velić; Obrada materijala laserskim zračenjem, Monografija, Beograd,

2003. godine

⦋3⦌ Internet stranice

26

SADRŽAJ

UVOD..........................................................................................................................................................1

ND-yag laser čvrstog stanja..............................................................................................................2

Lasersko zavarivanje...........................................................................................................................3

Tehnika zavarivanja snopom velike gustine energije...........................................................5

Primjena laserskog zavarivanja.....................................................................................................8

Lasersko rezanje................................................................................................................................18

Primjena laserskog rezanja...........................................................................................................20

Primjeri uređaja lasera....................................................................................................................22

Literatura...............................................................................................................................................25