Využívání vysokovýkonových laserů ve výrobě již není žádnou novinkou. V mnoha oblastech postupně nahrazují konvenční metody obrábění. Díky výzkumnému Centru HiLASE, které je součástí Fyzikálního ústavu AV ČR, se do České republiky dostaly i pokročilé laserové technologie. Jejich použitím je možné výrazně zlepšit vlastnosti výrobních dílců a součástí. „Například metoda Laser Shock Peening (LSP) dokáže prodloužit životnost upravené součásti i desetkrát,“ vysvětluje na úvod Jan Brajer, vedoucí oddělení průmyslových aplikací laserů.
Technologií LSP disponuje v České republice jediná instituce, a to právě HiLASE. V čem je tato metoda převratná? LSP nahrazuje klasické technologie vnášení tlakového zbytkového napětí do povrchu, tedy například tryskání balotinou, kuličkování, válečkování či hlazení diamantem. U všech těchto metod platí, že se stlačením povrchu vytvoří předpětí, které brání šíření únavových trhlin. Rozdíl je ale v tom, že konvenčními metodami se zpevňuje celý povrch součásti maximálně do hloubky 0,2 mm, zatímco u LSP se zpracovává pouze předem vytipovaná oblast, kde předpokládáme, že může dojít k lomu. Laser totiž vytvoří zpevněnou vrstvu hlubokou i přes 1 mm, a kdyby se využíval na celou plochu povrchu, docházelo by k deformaci součásti. Zpevněná vrstva je výrazně tlustší a brání tak lépe šíření mikrotrhlin. Právě to je důvodem násobného zvýšení životnosti materiálu oproti běžně užívaným postupům.
Kuličkování i válečkování jsou metody velmi jednoduše představitelné. Ale jak konkrétně dochází ke kompresi povrchu za pomoci laseru?
V Centru HiLASE máme k dispozici speciální laserový systém Bivoj, který je již od roku 2016 považován za laser se světově nejsilnějším průměrným výkonem ve své kategorii. Nedávno na něm bylo stabilně dosaženo energie 145 J a v maximu 146,5 J v 10 ns trvajícím pulzu při opakovací frekvenci 10 Hz na vlnové délce 1 030 nm, což se rovná světovému rekordu. Bivoje zaostříme na vodou pokrytý povrch součásti a vystřelíme nanosekundový pulz. Svazek laseru projde přes vodu, narazí do povrchu a dojde k interakci laseru s materiálem a vytvoření plazmatu.
Celý proces lze v ten moment připodobnit k explozi, kdy chce vzniklé plazma díky dodané energii rychle expandovat. Pak ale zafunguje voda jako bariéra, která tlak na povrchu, dosahující až 6 GPa (teoreticky i 10 GPa), po tuto velmi krátkou dobu podrží. Vznikne rázová vlna, která projde materiálem a vytvoří kompresní zbytkové napětí v povrchu.
Kolik takových pulzů je třeba do jednoho místa poslat, aby došlo k chtěnému zpevnění?
Používáme energii v řádech několika joulů, takže na konkrétní místo stačí jeden pulz, kterým tak zpevníme plochu o velikosti 9 mm2. Velikost svazku je ve většině případů 3 × 3 mm2. Pokud je třeba zpevnit větší plochu, můžeme s laserem střílet do povrchu ve frekvenci 10 Hz a klást „čtverce“ jeden vedle druhého. Hloubka plastické deformace je u každého materiálu jiná, u hliníkových slitin až 20 μm, u běžných ocelí a nerezí od 5 do 10 μm, a u nástrojových ocelí od 1 do 4 μm. Pro kvalitní zpracování ploch je navíc potřeba vytvářené čtverce překrývat, a to nejen proto, abychom měli jistotu, že je povrch zpracován celý, ale i kvůli snižování drsnosti. Když se totiž čtverce kladou těsně k sobě, vznikají mezi nimi mikrometrové výstupky, a musela by se proto používat ještě další dokončovací technologie.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)