Upload
elvis-omanovic
View
144
Download
9
Embed Size (px)
DESCRIPTION
tehnologije rezanja metala
Citation preview
UNIVERZITET “DŢEMAL BIJEDIĆ”
MAŠINSKI FAKULTET
MOSTAR
II CIKLUS
OBRADA MATERIJALA LASEROM
SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA
NOVE TEHNOLOGIJE REZANJA
Predmetni nastavnik: Student:
prof. dr. Jusuf Kevelj Elvis Omanović
Mostar, 01.06.2013.god.
2
Sadržaj
1. Uvod........................................................................................................................3
2. Princip rada lasera...................................................................................................4
3. Rezanje materijala laserom......................................................................................7
4. Prednosti i nedostaci..............................................................................................10
5. Zakljuĉak...............................................................................................................11
6. Literatura...............................................................................................................12
3
1. Uvod
Rijeĉ LASER je nastala kao skraćenica od rijeĉi „Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation“, odnosno, pojaĉanje svjetlosti preko stimulisane emisije zraĉenja.
On je izvor svjetlosti kod kojeg se, za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti,
svjetlost generiše mehanizmom stimulisane emisije. Iako na prvi pogled fizika lasera zvuĉi
jako komplikovano, razvojem tehnologije laseri nas danas u velikom broju okruţuju u
našem svakodnevnom ţivotu. Još je davne 1917. godine u svom radu „On the Quantum
Theory of Radiation“, Albert Einstain dao teorijski koncept i predvidio izum lasera i
njegove preteĉe masera. Maser je ureĊaj koji radi na isti naĉin kao i laser, ali u drugom
frekvencijskom podruĉju. Maser je izvor mikrotalasa, dok je laser izvor elektromagnetnih
talasa u infracrvenom i vidljivom dijelu spektra.
Pretekavši nekoliko izvrsnih eksperimentalnih grupa, prvi laser napravio je 1960.
Godine Theodore H. Maiman zaposlen na Huges Research Laboratorie Malibu, California.
Njegov laser je emitovao svjetlost talasne duţine 694 nm u pulsnom reţimu, a lasersku
emisiju postigao je stimulisanom emisijom iz rubinskog kristala pobuĊenog svetlosnom
lampom. Nakon toga, laseri poĉinju na veliko da se proizvode u eksperimentalnim
laboratorijima širom svijeta, a konaĉno razvojem tehnologije danas imamo pravu lasersku
revoluciju.
Slika 1. Laserska svjetlost
4
2. Princip rada lasera
Laserski zrak se proizvodi fenomenom stimulisane emisije. Kao prvi uslov emisije
fotona je Borov uslov: tj. laserski medijum mora imati eneretske nivoe ĉija energija
(razlika energija) odgovara energiji emitovanih fotona. Drugi uslov je da većina atoma (ili
molekula) bude u pobuĊenom stanju. Mora se imati na umu da se u laserskom medijumu
mogu dogaĊati razliĉiti procesi interakcije elektromagnetnog zraĉenja i materije: najviše
dolaze do izraţaja apsorpcija i spontana emisija zraĉenja. Ukoliko se dovede dio atoma (ili
molekula) laserskog medijuma u pobuĊeno stanje, oni će emitovati fotone spontanom
emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbovati na nepobuĊenim atomima, ili izazavati
stimulisanu emisiju na preostalim pobuĊenim atomima. Laserski zrak se moţe proizvesti
jedino ako je stimulisana emisija izraţenija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju
zraĉenja. To se postiţe inverzijom naseljenosti atoma (ili elektona) u laserskom medijumu:
broj atoma u pobuĊenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.
Inverzija naseljenosti se moţe postići samo u specifiĉnim sluĉajevima, pa se samo
rijetki materijali mogu iskoristiti kao laserski medijumi. Inverzija naseljenosti se moţe
postići ako u materijalu postoji metastabilno stanje. Metastabilno stanje je pobuĊeno
stanje, u kojem se atom (ili molekula) zadrţava duţe nego u normalnim pobuĊenim
stanjima. U laserskom sistemu sa tri nivoa, atomi (molekuli ili elektroni) se odreĊenim
naĉinom pobuĊuju u pobuĊeno stanje. PobuĊeno stanje, traje vrlo kratko i brzo se relaksira
u nešto niţe metastabilno stanje. Atomi (molekuli) se ne mogu brzo relaksirati u osnovno
stanje, pa laserskim medijumom poĉinju da dominiraju atomi u metastabilnom stanju.
Inverzija naseljenosti se postiţe izmeĊu metastabilnog i osnovnog stanja, pa se lasersko
djelovanje postiţe prelazom izmeĊu ta dva stanja. PobuĊeno stanje koje se koristi za
popunjavanje metastabilnog stanja ne mora biti jedno stanje, već se moţe koristiti niz
energetskih stanja.
Laserski medijum je smješten izmeĊu dva paralelna ogledala, tako da svjetlosni
snop koji prolazi izmeĊu dva ogledala formira stojeći talas. Prostor izmeĊu dva ogledala se
naziva i laserska šupljina, rezonantna šupljina ili rezonator, po analogiji sa šupljinama koje
se koriste u akustici prilikom rada sa zvuĉnim talasima. Fotoni koji nastaju spontanom
emisijom u laserskom medijumu, emituju se u svim smjerovima, ali samo oni koji su
emitovani u smjeru ogledala, će se reflektirati izmeĊu ta dva ogledala i biti zarobljeni u
laserskoj šupljini. Ti fotoni, koji veliki broj puta prolaze kroz laserski medijum, će
izazivati stimulisanu emisiju, prilikom prolaska blizu atoma u metastabilnim stanjima u
laserskom medijumu. Jedno od dva ogledala se obiĉno pravi tako da nema koeficijent
refleksije 100%, već da propušta odreĊenu koliĉinu svijetla (obiĉno manje od 1%), pa
fotoni mogu izaći iz laserske šupljine. Na taj naĉin, laserski snop sadrţi skup koherentnih
fotona, što joj daje veliki intenzitet.
5
Podjela lasera je moguća:
prema vrsti materijala od kojeg je napravljen izvor:
- Ĉvrstotijelni laseri (engl. solid state laser),
- Gasni laseri,
- Poluprovodniĉki laseri,
- Teĉni laseri,
- Hemijski laseri,
- Laseri na bojama (engl. dye laser),
- Laseri na parama metala,
- Laseri na slobodnim elektronima (engl. free electron laser).
prema režimu rada:
- Kontinualni i
- Impulsni laser
prema vrsti pumpe (pobuda radne zapremine) koja se koristi:
- Optiĉki pumpan,
- Pumpan elektriĉnim putem,
- Jednosmjernim naponom,
- Naizmjeniĉnim naponom,
- Elektriĉnim praţnjenjem,
- Pumpan hemijskim reakcijama,
- Nuklearno pumpan (α i β ĉestice, produkti nuklearnih reakcija, γ zraĉenje i
neutroni).
prema oblasti spektra u kojoj emituje svjetlost :
- Laseri u vidljivom dijelu spektra,
- Laseri u bliskoj infracrvenoj oblasti,
- Laseri u dalekoj infracrvenoj oblasti,
- X laseri, zraĉenje u X oblasti.
Sastavni dijelovi lasera su: aktivna sredina, sistem pobude i rezonator.
Gasni laseri imaju laserski medijum u gasovitom stanju, obiĉno se sastoje od cijevi
ispunjene gasom ili smjesom gasova pod odreĊenim pritiskom. Krajevi cijevi opremljeni
su ogledalima kako bi se formirao rezonator. PobuĊivanje atoma gasa se najĉešće obavlja
elektriĉnim praţnjenjima kroz gas unutar cijevi. Gasni laseri se ĉesto hlade strujanjem
gasa kroz cijev. Najĉešće korišteni gasni laseri su: He-Ne laser (Helijum-Neon), argonski
laser ili CO2 laser.
6
Ugljen dioksidni laser ili (CO2 laser) је tip gasnog lasera koji kao izvor zraĉenja
koristi molekule ugljen-dioksida. Prvi put je demonstriran 1964. godine u Belovim
laboratorijama, (Kumar Patel) i predstavlja jedan od prvih razvijenih i najprimenjivanijih
gasnih lasera. To je trenutno dostupan laser sa najvećom izlaznom snagom. Vrlo je
efikasan: izlazna snaga i snaga pumpanja mogu da dostignu vrijednosti i do 20%. CO2
laser proizvodi svjetlosni snop u infracrvenom dijelu spektra sa talasnom duţinom oko 9.4
i 10.6 mikrometara.
Nd:YAG laser je tip ĉvrstotijelnog lasera koji kao izvor zraĉenja koristi matricu
itrijum aluminijum granata (YAG), dopiranu atomima neodijuma Nd. Aktivnu sredinu
ovog lasera predstavljaju trostruko jonizovani atomi neodijuma (Nd+3
). Spada u impulsne
lasere. Nd:YAG je laser sa ĉetiri nivoa, koji emituje infracrveno zraĉenje talasne duţine
1064nm.
Slika 2. Sastavni dijelovi mašine za rezanje laserom
7
3. Rezanje materijala laserom
Rezanje laserskim snopom je precizan postupak kod koga su dimenzione
tolerancije izrezanih komada iste kao kod mehaniĉkih postupaka. Za voĊenje laserskog
snopa koriste se tradicionalne CNC mašine (za rezanje u x-y ravni) i robotske ruke (za
prostorno rezanje u 3 dimenzije).
Slika 3. Rezanje materijala laserom
Novi laserski rezaĉi imaju taĉnost pozicioniranja od 10 mikrometara i ponovljivost
od 5 mikrometara. Standardna hrapavost Rz raste sa povećanjem debljina lima ali se
smanjuje sa snagom lasera i brzinom rezanja. Pri rezanju niskougljeniĉnog ĉelika, laserom
snage od 800 W, standardna hrapavost Rz je 10 μm za debljinu ploĉe od 1 mm, 20 μm za 3
mm, i 25 μm za 6 mm. Ovaj postupak omogućava odrţavanje vrlo uskih tolerancija, ĉesto
do 0.025 mm. Ovu vrstu rezanja odlikuje velika brzina, izuzetno kvalitetan i uzan rez sa
oštrim prelazima na uglovima i niska toplotna disipacija. Nedostatak su relativno male
debljine koje, kod ĉelika, ne prelaze 20mm.
8
Izvori laserskog snopa kod mašina za rezanje su gasni CO2 laser i ĉvrstotijelni
Nd:YAG laser. Zbog većeg opsega snage, širu primjenu ima CO2 laser sa snopom talasne
duţine 10,6μm. Laserski snop se vodi do radnog komada sistemom ogledala ili optiĉkim
vlaknima. Fokusira se na radnu površinu odgovarajućim soĉivima kako bi se postigla
potrebna temperatura za proces rezanja: inicijalna temperatura za poĉetak sagorjevanja
(lasersko kiseoniĉno rezanje), temperatura topljenja (lasersko rezanje topljenjem) ili
temperatura sublimacije (lasersko rezanje sublimacijom).
Slika 4. Laserski snop pri rezanju debljeg materijala
Standardna podjela laserskog rezanja je na tri varijante:
1. lasersko kiseoniĉno rezanje,
2. lasersko rezanje topljenjem,
3. lasersko rezanje sublimacijom.
Lasersko kiseoniĉno rezanje koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za
inicijalno zagrijavanje osnovnog materijala do temperature paljenja (izmeĊu 1150°C i
1200°C). Kao kod gasnog rezanja, mlaz kiseonika poĉinje sa sagorjevanjem i prateći
laserski snop sagorjeva osnovni materijal i izdbaciva ga u vidu šljake iz zone rezanja. Kao
plamen kod gasnog rezanja, tako i laserski snop koji okruţuje mlaz kiseonika vrši
predgrijavanje i neutrališe efekat odvoĊenja toplote. Lasersko kiseoniĉno rezanje se koristi
za niskougljeniĉne i niskolegirane ĉelike debljina izmeĊu 1 i 10 mm. Snaga lasera se kreće
od 1 do 2,5 kW.
9
Lasersko rezanje topljenjem koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za topljenje
osnovnog materijala, a mlaz inertnog gasa svojom kinetiĉkom energijom izdbaciva
rastopljeni metal iz zone reza. Koristi se za visokolegirane ĉelike i neţeljezne materijale.
Gasovi za rezanje su azot ili argon. Za razliku od prethodnog postupka, sva energija
fokusiranog laserskog snopa se troši na topljenje materijala po cijelom presjeku. Snaga
lasera je najmanje 2,5kW, a debljina osnovog materijala je do 8mm. Pritisci inertnih
gasova se kreću od 15 do 20 bar.
Lasersko rezanje sublimacijom koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za
isparavanje osnovnog materijala po cijelom presjeku. Za eliminaciju para metala iz zone
reza koristi se struja inertnog gasa.
Gasovi koji se koriste za rezanje su:
- Kiseonik je izuzetno visoke ĉistoće, veće od 99,95%. Smanjenjem ĉistoće
kiseonika rapidno opadaju brzina rezanja i kvalitet reza.
- Azot se upotrebljava za rezanje visokolegiranih ĉelika. Zahtjeva se visoka
ĉistoća, bez tragova kiseonika.
- Ostali gasovi za rezanje argon i njegove mješavine sa kiseonikom i azotom.
Mješavine se koriste za rezanje Al i Al legura. Mješavina argona i kiseonika se
koristi za rezanje Ti.
Slika 5. Šematski prikaz principa rezanja laserskim snopom. Gas za rezanje može da bude
kiseonik (lasersko kiseonično rezanje) ili azot (lasersko rezanje topljenjem)
10
4. Prednosti i nedostaci
Lasersko rezanje metala ima prednosti nad plazma rezanjem zbog veće preciznosti i
znatno uţeg reza, meĊutim, većina industrijskih lasera ne moţe da reţe veće debljine
metala u poreĊenju sa plazma rezanjem. Novije laserske mašine rade sa većim snagama
(6000 W) i pribliţavaju se plazma mašinama u mogućnosti rezanja debelih materijala. Ali,
poĉetni troškovi takvih mašina su mnogo veći, nego plazma ureĊaja. Prednost rezanja
laserom u odnosu na ostale termiĉke postupke je malo unošenje toplote u zonu reza, a
samim tim i smanjenje mogućnosti deformacije osnovnog materijala, pogotovo kada je
rijeĉ o tankim limovima. Neki materijali se takoĊe teško ili nemoguće reţu
tradicionalnijim naĉinima. Glavni nedostatak rezanja laserom su veliki gubici energije.
Efikasnost industrijskih lasera kreće se u opsegu od 5% do 15%. Utrošak energije i
efikasnost lasera zavise od tipa lasera i variraće zavisno od izlazne snage i radnih
parametara. Zahtjevani udio snage lasera za rezanje, poznat kao unijeta toplota, zavisi od
vrste materijala, debljine, korištenog procesa (reaktivan/inertan), i ţeljene brzine rezanja.
Slika 6. Gubitak energije pri rezanju laserom
11
5. Zaključak
Vaţnost rokova i kvalitete izrade proizvoda nameće potrebu stalnog tehnološkog
razvoja i poboljšavanja uslova proizvodnje te uvoĊenja tehnoloških inovacija u postojećim
procesima ili usvajanje potpuno novih tehnologija. Takvim pristupom u proizvodnji
moguće je ostvariti zahtjeve predodreĊene trţišnim okruţenjem i potrebom za oĉuvanjem
okoliša. Nuţnost uvoĊenja novih tehnoloških rješenja prisutna je i kada se odreĊena
tehnologija primjenjuje za obradu novih materijala.
Nove tehnologije omogućavaju i nova konstrukcijska rješenja koja štede vrijeme i
novac. Rezanjem laserskom zrakom kontrolisane putanje i minimalne debljine moguće je
u potpunosti zamijeniti alate za prosjecanje. Preciznost oblika, kao i površina rezanja, u
potpunosti zamjenjuje klasiĉne obrade. Ova tehnologija se moţe koristiti pri izradi
konstrukcijskih dijelova, medicinskih instrumenata, implanta, zupĉanika i zupĉastih letvi,
lanĉanika, cirkulara, pila, noţeva, plašteva, graĊevinskih elemenata, brtvi motora,
prirubnica, namještaja, lisnatih opruga, galanterije i drugog, a široku primjenu ima u
industriji i brodogradnji.
Slika 7. Rezanje laserom
12
6. Literatura
- „A comparison of the termal cutting processes“, H. Mair i F.-C. Plebuch,
Hoellriegerlskreuth, Thermal Cutting E29/95 (1995),
- „50 godina lasera -otkriće koje je promijenilo znanost, ali i svijet“ – Nataša
Vujiĉić, Zagreb (2010),
- The Welding Engineer s Current Knowledge, GSI SLV, DVS , Njemaĉka ,
(2000)