Laserové řezání je pro své nesporné výhody velmi rozšířenou a hojně používanou technologií. I přes vysoké investiční náklady nachází uplatnění v mnoha oblastech. INg. JAN KAšPAR, MESSER TECHNOGAS S. R .O.
Laserové řezání se vyznačuJe v porovnání s jinými termickými metodami dělení materiálu vysokou řeznou rychlostí, vynikající kvalitou řezu, minimálními deformacemi výpalků a možností řezat téměř všechny běžně používané konstrukční materiály. Zmiňme alespoň oceli, neželezné kovy a jejich slitiny, materiály intenzivně reagující s kyslíkem a dusíkem (titan, tantal, zirkon), ale i nekovové materiály, jako je dřevo, plasty, kompozity, papír, keramika. Tloušťka řezaného materiálu je omezena v závislosti na jeho druhu, výkonu laseru, asistenčním plynu a dalších faktorech. Princip laserového řezání Laserové řezání je založeno na principu přívodu vysoce koncentrované energie laserového svazku do místa řezu. Dopadem laserového svazku na povrch materiálu dochází k lokálnímu prudkému ohřevu. Řeznou tryskou (jejímž středem prochází laserový svazek) je přiváděn asistenční plyn. Princip laserového řezání je zobrazen na obr. 1. Při vlastním procesu řezání laserem se uplatňují tři fyzikální jevy – spalování kyslíkem, tavení a sublimace (odpaření materiálu). V praxi se zpravidla uplatňuje kombinace těchto jevů. Který z nich bude dominantní, závisí především na základním materiálu a na použitém asistenčním plynu. Obecně platí, že spalování kyslíkem převažuje při řezání nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Proces tavení dominuje při dělení vysokolegovaných ocelí a neželezných kovů dusíkem a sublimace se uplatňuje u materiálů, které nemají tavnou teplotu (dřevo, keramika, kompozity, papír atd.). Volba a vlastnosti asistenčních plynů Podmínkou pro dosažení optimálních řezných parametrů a jakosti výpalků je použití vhodných řezných (asistenčních) plynů (tab. 1). Důležité je nejen dodržení předepsané čistoty asistenčních plynů, ale i nastavení správného pracovního tlaku a zajištění potřebného množství plynu. Kyslík Kyslík se používá pro řezání nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Laserové řezání se v tomto případě podobá autogennímu řezání. Materiál je laserovým svazkem ohříván a poté spalován v proudu čistého kyslíku (exotermická reakce hoření železa). Produkty hoření (oxidy) a tavenina jsou následně dynamickým účinkem proudu kyslíku vyfukovány ve formě strusky a vzniká řezná spára. Řezná plocha je pochopitelně pokryta vrstvou oxidů (obr. 2.). Čistota kyslíku má významný vliv na rychlost řezu. Pomocí vysoké čistoty kyslíku lze rychlost řezu (v závislosti na tloušťce materiálu) zvýšit až o 20 %. Díky tomu se ještě sníží termické ovlivnění materiálu a tím i vzniklé deformace. Proto se v oblasti laserového řezání prosadil kyslík čistoty 3.5 (99,95%). Kyslík se v některých případech používá i pro řezání hliníku a jeho slitin. Výhodou je zvýšení řezné rychlosti, což je však negativně kompenzováno snížením kvality řezu. Kyslík způsobí oxidaci řezné plochy, což zpravidla vyžaduje další operace před fi nálním zpracováním. Dochází též ke zvýšení drsnosti povrchu. Dusík Dusík je vhodný pro řezání vysokolegovaných ocelí a neželezných kovů. Při vlastním procesu řezání se uplatňuje fyzikální princip tavení. Řezaný materiál je laserovým svazkem ohříván na teplotu tavení a vyfukován proudem řezného dusíku o tlaku až 32 bar. Tímto procesem vzniká řezná spára. Díky inertizačnímu účinku dusíku jsou řezné plochy kovově lesklé, bez oxidů. I v tomto případě má čistota asistenčního plynu veliký význam. Už pouhých 50 ppm (0,005 %) kyslíku v dusíku vede při řezání nerezové oceli ke vzniku oxidace a vytvoření náběhových barev na řezných plochách (obr. 3.). Proto se pro laserové řezání používá dusík čistoty 5.0, který zajistí hladký, kovově lesklý povrch řezné plochy (obr. 4.). Z kvalitativních důvodů je možné řezat dusíkem i nelegované a nízkolegované oceli. Řezné plochy jsou kovově lesklé, bez oxidů. Rychlost řezání je však nižší, protože se neuplatní exotermická reakce spalování železa. Argon Materiály jako titan, tantal, zirkon nebo magnezium jsou náchylné k tvorbě oxidů a nitridů. Z tohoto důvodu je vhodné zvolit jako řezný plyn argon. Argon je inertní plyn a jeho aplikací vznikají řezné plochy prosté oxidů a nitridů. Tím odpadají případné další operace, jakými jsou frézování, broušení nebo moření. I v tomto případě platí, že čím vyšší je čistota argonu, tím čistější budou řezné plochy. Běžně se používá argon čistoty 5.0 (99,999%). Stlačený vzduch Pro laserové řezání lze použít i stlačený vzduch. Tato alternativa však potlačuje hlavní výhody laserového řezání, tedy vysokou řeznou rychlost a vynikající kvalitu řezu. Vysoké požadavky na čistotu asistenčních plynů mají své opodstatnění, jak již bylo výše popsáno. Použijeme-li stlačený vzduch pro řezání austenitických ocelí, dochází ke snížení řezné rychlosti a vzniku náběhových barev (obr. 5.). Podobná situace je u hliníku a jeho slitin, kde použitím vzduchu vzniká zoxidovaná řezná plocha, která vyžaduje další opracování. Ani při řezání nelegovaných a nízkolegovaných ocelí se nedosahuje srovnatelných výsledků jako při použití optimálního média (kyslíku 3.5). Do značné míry je potlačena exotermická reakce hoření železa a tím výrazným způsobem klesá rychlost i kvalita řezu. Na spodní straně výpalků se často objevují otřepy. Zásobovací systémy Úkolem zásobovacího systému je dopravit asistenční plyny v požadovaném množství a tlaku od zdroje do místa spotřeby. Pro dosažení požadovaných tlakových a průtokových parametrů (tab. 2.) je nezbytné vhodně dimenzovat nejen zdroj plynů (tlakové láhve, svazky, stacionární zásobníky), ale také redukční stanice a potrubní rozvody. Během distribuce nesmí docházet ke kontaminaci dopravovaného média. Dostatečnou jistotu poskytuje odborná instalace celého systému, umístění fi ltru do potrubí a volba vhodných plynových armatur. Velkou pozornost je třeba věnovat použitým materiálům. Při svařování potrubí je nutné dostatečné formování kořene svarů. Použití pryžových hadic se pro zásobovací systémy příliš nedoporučuje, neboť skrývají riziko difundování dusíku, kyslíku a obzvlášť vzdušné vlhkosti. Speciální plynové hadice toto riziko výrazně snižují. Závěr Ve strojírenské praxi jsou lasery nejčastěji používány pro dělení materiálu. Své uplatnění však stále častěji nacházejí i v dalších oblastech, jako je kalení, navařování, pájení a svařování. Článek o laserovém svařování připravujeme pro listopadové vydání časopisu Technik.