Mainski fakultet Univerzitet u Kragujevcu Kragujevac
Diplomske akademske studije - Master
DIPLOMSKI RAD
Tema:
Kvalitet obrade laserom
Student: Mentor:
Jakovljevi Jovan 322/2008 Prof. dr Bogdan Nedi
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
2
Sadraj:
1. Uvod
3
2. Industrijski laser 5
2.1 Istorijat i razvoj lasera 5
2.2 Princip rada i opis lasera 6
2.3 Vrste lasera 7
2.3.1 vrsti laseri 8
2.3.2 Teni laseri 10
2.3.3 Gasni laseri 11
2.4 Princip laserske obrade 12
3. Tehnoloke operacije laserske obrade 15
3.1 Lasersko buenje 15
3.2 Larsersko seenje 16
3.3 Lasersko zavarivanje 21
3.4 Lasersko graviranje
4. Oprema za obradu laserom i primeri primene
3.1 Maine za lasersku obradu lima seenjem
3.2 Maine za lasersko graviranje
3.3 Primeri primene laserskog seenja
3.4 Primeri primene laserskog graviranja
5. Laserska maina Bystronic - Bystar 3015
5.1 Namena maine
5.2 Osnovne karakteristike
5.3 Osnovni delovi laserske maine
5.3.1 Upravljaka jedinica
5.3.2 Upravljaki terminal
5.3.3 Laserski modul Bylaser 5200 ARC
6. Eksperimentalna ispitivanja
6.1 Uslovi ispitivanja
7. Zakljuak
27
24
24
27
28
30
33
33
33
34
34
35
37
47
50
69
8. Literatura 70
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
3
1. UVOD
U okviru globalne konkurencije na domaem i svetskom tritu savremena proizvodnja je
izloena intenzivnim pritiscima za poveanjem kvaliteta, smanjenjem vremena izrade,
smanjenjem cene i fleksibilnim promenama proizvodnog programa u cilju zadovoljenja
promenljivih i sve sloenijih zahteva kupaca. Poveanje konkurentnosti i obezbeenje potrebnog
nivoa kvaliteta proizvodnje, kao jednog od vrhunskih zahteva, direktno je povezano sa
uvoenjem novih tehnologija. Laserska obrada je u tom smislu jedna savremena tehnologija koja
je brzo postala potreba u skoro svim proizvodnim industrijama.
Za primene u mnogim oblastima laserska obrada je najprecizniji i najekonominiji
metod na raspolaganju. Za neke, laserska obrada je jedini metod. Od svih postupaka laserske
obrade najrasprostranjenije je lasersko seenje. Snop laserskih zraka je novi univerzalni rezni
alat koji moe praktino da see gotovo sve poznate materijale. Proizvoai prototipova znaju da
je lasersko seenje ekonomina alternativa drugim metodama seenja. U odnosu na postupke
gasnog seenja, seenja testerom i prosecanja prednosti laserskog seenja su: uzan rez,
minimalna zona toplotnog uticaja, pravilan profil reza, glatke i ravne ivice, minimalna ili
nikakva deformacija radnog predmeta, mogunost obrade velikim brzinama, izrada sloenih
profila i brza adaptacija na promenu proizvodnog programa. Brzinom, fleksibilnou i
preciznou, koje su karakteristike laserskog seenja, trokovi proizvodnje se rapidno smanjuju i
brzo vraa investicija.
Tehnoloki problemi u vezi primene laserskog seenja su u nedovoljnom poznavanju primene
laserske tehnike sa jedne strane i nepostojanju dovoljno pouzdanih praktinih podataka i znanja
o uticajnim parametrima na sam proces obrade sa druge strane. Posledica toga je nedovoljna
iskorienost tehnologije laserske obrade s obzirom na mogunosti koje ona prua. Radi daljeg
napretka i usavravanja procesa laserskog seenja poela su da se vre svestrana izuavanja
teoretskih osnova i vre eksperimentalna istraivanja. Dosadanja teoretska i eksperimentalna
istraivanja bavila su se, uglavnom, mogunou primene lasera za razliite namene i vrste
obrada. Mali broj istraivaa je objavio radove koji obrauju problematiku tehnologije laserskog
seenja, posebno kvaliteta obrade kod laserskog seenja. Iz tog razloga vre se istraivanja u
oblasti laserskog seenja koja imaju za cilj da se ustanove i uspostave zakonitosti izmeu
kvaliteta obrade i uticajnih faktora procesa obrade.
Cilj ovog rada je upoznavanje sa tehnologijom industrijskih lasera sa posebnim osvrtom
na tehnologiju laserskog seenja kao i eksperimentalno utvrivanje zavisnosti kvaliteta obrade
od radnih parametara laserske maine.
U drugom poglavlju je dat istorijat i razvoj lasera, osnovni principi rada i vrste lasera.
U treem poglavlju su prikazane osnovne tehnoloke oprecije laserske obrade. Date su
osnovne informacije o obradama laserom kao to su: buenje, seenje, termika obrada,
graviranje i zavarivanje.
U etvrtom poglavlju dat je pregled opreme za obradu laserom kao i primeri primene.
U petom poglavlju je opisana laserska maina - Bystronic Bystar 3015, njena namena i
osnovne tehnike karakteristike.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
4
U petom poglavlju dato je eksperimentalno utvrivanje zavisnosti kvaliteta obrade od
radnih parametara.
Na kraju rada dati su zakljuci i pregled koriene literature.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
5
2. INDUSTRIJSKI LASER
2.1 Istorijat i razvoj lasera
Laser predstavlja svetlost elektromagnetnih talasa u vidljivom spektru. 1704. godine
Njutn je okarakterisao svetlost kao strujanje malih delia (estica). Jangov eksperiment obavljen
1803. godine i neposredno otkrie polarizacije svetlosti su ubedile naunike u ono vreme da
svetlost ima sposobnost talasanja. Maksvelova elektromagnetna teorija je objasnila pojam
svetlosti kao brzinu vibracija u elektromagnetnom polju prouzrokovanih oscilovanjem estica.
Prvi laser je pronaen u Majamiju, maja 1960. godine. To je bio rubinov laser izuzetne
vrstoe. Mnoge vrste lasera su pronaene uskoro posle rubinovog lasera - prvi uranijum laser u
IBM (novembar 1960. godine), prvi helijum-neonski laser 1961. godine, prvi Nd laser: YAG-
laser i CO2 laser 1964. godine, Ar laser 1964. godine, hemijski laser 1965. godine. Kada
poznajemo principe lasera, ovo nije isuvie veliko iznenaenje. Ali iroki i kontinualni razvoj i
primena lasera su zaista izvanredni i predstavljaju preko udo.
Laserski snop, koji emituje lasersko telo razlikuje se od drugih poznatih vidova svetlosti:
laserski zraci su monohromatski, tj. imaju samo jednu odreenu talasnu duinu;
laserski zrak je visokokoherentan, sa paralelnim zracima iste faze;
laserski zrak moe da se fokusira na veoma malu povrinu i da obezbedi visoku
gustinu.
Za poslednjih 16 do 18 godina tehnoloki procesi koji se baziraju na lokalnom
zagrevanju obraivane povrine pomou lasera, dobijaju znaajan razvoj i primenu. Zahvaljujui
visokom fokusiranju laserskog snopa, visokoj gustini energije snopa, mogunosti jednostavnog
upravljanja laserskim snopom i obrade u veoma razliitim sredinama, obrada laserom dobija sve
vei znaaj i ima niz prednosti u odnosu na ostale nekonvencionalne postupke obrade (slika 2.1).
Ovaj novi pravac obrade materijala dobio je naziv laserska tehnologija.
Slika 2.1 Principijelna ema formiranja laserskog snopa
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
6
2.2 Princip rada i opis lasera
Princip rada lasera bazira se na svojstvu emitera-aktivne sredine (vrsto telo, tenost,
gas) da u kratkom vremenskom intervalu, od nekoliko milisekundi emituje u obliku svetlosnog
zraenja deo prethodno uloene energije. Kod lasera sa vrstim emiterom, pobuivanje zraenja
obino se vri prethodnim obasjavanjem aktivne sredine svetlou lampe bljeskavice. Kod
rubinskog lasera, na primer, koristi se impulsna ksenonova lampa, iako ova lampa emituje
svetlost u irokom intervalu talasnih duina, blisku sunevoj, za postizanje laserskog efekta
koristi se samo uska plavozelena oblast =560 nm. Zbog toga, kao i zbog nekorisnog zagrevanja sredine, spontanog zraenja, gubitka u rezonatoru i aktivnoj sredini, stepen korisnog dejstva
kristalnog lasera je mali (1-4%).
Polarni vetaki kristal rubina veliine olovke =7 mm i l=125 mm, stavlja se unutar spiralne impulsne lampe ili paralelno sa pravom lampom. Gornje elo kristala je posrebreno, a
donje je poluposrebreno, ili se blizu ela kristala stave dva kvalitetna ogledala, strogo paralelna i
normalna na osu kristala, koja predstavljaju optiki rezonator. Oko rubinskog tapa i lampe
nalazi se plat sa reflektujuom povrinom.
Kod savremenih lasera svi elementi lasera stavljaju se u omota lasera koji se hladi
posebnim sistemom hlaenja vazdunim ili vodenim. Impulsna lampa spojena je sa impulsnim
generatorom snage 2-6 kW. Impulsni generator sastoji se od izvora napajanja visokog napona, od
1000 V i vie, koji preko ispravljaa napaja baterije kondenzatora.
ema obrade i laser sa vrstim emiterom od rubinskog kristala dati su na slici 2.2:
Slika 2.2 ema obrade rubinskog lasera
Pomou optikog sistema fokusira se laserski snop na predmet obrade postavljen na
radnom stolu.
Do ukljuenja impulsne lampe, joni hroma se nalaze u osnovnom stanju (beli
kruii). Kada se kristal rubina osvetli snanom lampom (isprekidane strelice) joni hroma
apsorpcijom upadnih fotona bivaju pobueni na jedan od viih energetskih nivoa (b, c - crni
kruii). Sa viih energetskih nivoa joni hroma prelaze ne zraei svetlost (viak energije se
predaje kristalnoj reetci) na metastabilni nivo. Sa metastabilnog nivoa vre indukovane prelaze
u osnovno stanje i emituju fotone odreene energije. Svaki emitovani foton (crna strelica)
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
7
indukuje prelaz sledeeg jona i broj fotona se poveava. Efekat pojaanja postoji za one fotone
koji se kreu paralelno osi cilindrinog kristala (d, e). Nakon nekoliko uzastopnih refleksija na
eonim ploama snani fluks fotona prolazi kroz poluposrebreno oledalo (f).
Slika 2.3 Pojave koje se deavaju u rubinskom laseru
2.3 Vrste lasera
Postoji vie kriterijuma za podelu lasera. Na slici 2.4 prikazana je najea podela.
VRSTI LASERI: Rubinski laser, Stakleni laser, Nd: YAG laser, Poluprovodniki laseri.
TENI LASERI: Laseri na bazi neorganske tenosti, Laseri na bazi organskih boja.
GASNI LASERI: CO2 laser.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
8
Slika 2.4 Podela lasera
2.3.1 vrsti laseri
Laseri sa vrstim telom nali su primenu u obradi metala i nemetala. Na slici 2.5 data je
podela vrstih lasera.
Slika 2.5 Podela vrstih lasera
Kao aktivna sredina kod lasera na bazi vrstih tela koristi se kristalno ili amorfno telo.
vrsta tela imaju znatno veu koncentraciju aktivnih estica nego gasovi.
Zbog toga je naseljenost energetskih nivoa u vrstim telima mnogo vea od naseljenosti
energetskih nivoa u gasovima. vrsto telo kao optika sredina ima manju optiku homogenost
nego gasovi, to uslovljava vee disperzione gubitke svetlosti i smanjenje kvaliteta rezonatora
pri njegovoj veoj duini, pa zato nema smisla proizvoditi aktivne elemente vee duine. Aktivni
elementi ovih lasera ne prelaze duinu od 60 cm za optiki najhomogenije materijale.
Rubinski laser
Meu laserima sa vrstim telom najpoznatiji je rubinski laser. On je izraen na bazi
laserskog tela od kristalnog sintetikog rubina (Al2O3) u vidu cilindra (10 x 10 mm) sa dodatkom
0.5 trovalentnog hroma (Cr+++). Rubin je mineral bledo ruiaste boje do jarko crvene boje,
pri emu preovladava crvena boja talasne duine svetlosti = 0.6943 m.
Rubinski laseri mogu da rade u impulsnom (sa energijom od nekoliko J) i kontinualnom
reimu (sa energijom do 100 J). Zbog velikog zagerevanja i malog stepena iskorienja koji
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
9
iznosi 1, rubinski laseri se u veini sluajeva koriste kao impulsni. Laseri koji rade u
kontinualnom reimu obino se hlade posebnim sistemom za hlaenje.
Rubinski laser je prvi laser koji je poeo da se koristi za buenje dijamanta i alata za
izvlaenje tanke ice. Ovaj laser u mainstvu se koristi za buenje malih otvora kod razliitih
materijala i za takasto zavarivanje.
Stakleni laser
Stakleni laseri se sastoje od visokoprozirnog staklenog tela u kome su disperzno
rasporeeni joni niodijuma Nd+++, kao aktivna sredina.
Postoje dva vida staklenih lasera:
laseri od silikatnog stakla sa = 1.062 m i
laseri od fosfatnog stakla sa = 1.054 m.
Stakleni laseri imaju relativno visok koeficijent korisnog dejstva (do 3 ) pri maloj
energiji impulsa od 20 J. Izrada tela staklenih lasera je jednostavna, pri emu mogu da se izrade i
relativno velika laserska tela, a da se povea izlazna energija lasera do preko 1000 J. Meutim,
staklo ima loa termofizika svojstva (slaba toplotna provodljivost i otpornost), zbog ega se ne
moe raditi sa velikim frekvencijama. Osim toga staklo odlikuje velika optika raznorodnost
(naroito silikatna stakla), pa nagomilavanje izlazne energije vodi ka poveem rasturanju
laserskog snopa.
Vea zastupljenost ovih lasera u poreenju sa rubinskim je u nioj ceni i mogunosti da
rade u irokom dijapazonu energije 11000 J. Postoje stakleni laseri i sa takozvanim gigantskim
impulsom sa energijom od 104 do 105 J.
Nd: YAG laser
Jedan od najvanijih lasera koji ima mnogobrojne industrijske i naune primene je Nd:
YAG laser (neodijumski laser). YAG je skraeni naziv za itrijev aluminijev granat Y3Al5O12 koji
predstavlja najei izvor laserskog zraenja. YAG spada u grupu vrlo tvrdih materijala.
Zahvaljujui visokoj tvrdoi obrada YAG-a je oteana, jer zahteva dijamantska sredstva.
YAG laser odlikuje visoka prozirnost i visok stepen poliranja. Njegova znaajna prednost
u odnosu na rubinske, a naroito u odnosu na staklene lasere, je visoka toplotna provodljivost i
otpornost, kao i mala osetljivost na visoke temperaturne gradijente, ime je omogueno njegovo
intenzivno hlaenje. Zahvaljujui ovakvim termofizikim svojstvima ovaj laser moe da radi
kako u impulsnom, tako i u kontinualnom reimu rada. U impulsnom reimu ovaj laser oslobaa
energiju od nekoliko stotina mJ u osnovnom modu, sa frekvencijom od 150 Hz. U
kontinualnomreimu snaga njegove emisije je izmeu 1 i 20 W.
Nd: YAG laser je karakteristian po obliku, jer se izrauje u obliku tapova sa poliranim
krajevima, to zahteva poseban tehnoloki postupak.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
10
Poluprovodniki laseri
Poluprovodniki laseri se danas izrauju sa relativno malom jainom pa nisu nali
primenu u obradi metala i nemetala. Imaju relativno iroku primenu u mernoj tehnici, holografiji,
fotografskoj tehnici itd.
2.3.2 Teni laseri
Kao aktivna sredina u laserima na bazi tenosti koriste se rastvori neorganskih jedinjenja
retkih elemenata i rastvori organskih boja. Razlikuje se dve vrste lasera na bazi tenosti:
laseri sa rastvorima neorganskih jedinjenja i
laseri sa rastvorima organskih jedinjenja.
U laserima na bazi tenosti postie se ista koncentracija aktivnih estica kao i u aktivnoj sredini
na bazi vrstih tela, tako da se moe dobiti velika energija zraenja po jedinici zapremine.
Tenost je optiki homogenija od vrstog tela, pa su zato u tenosti manji gubici zraenja nego u
vrstim telima, u kojima postoje razni defekti u strukturi. Hlaenje tenosti kao aktivne sredine
vri se cirkulacijom to predstavlj jednostavnu i efikasnu metodu. Nedostatak lasera na bazi
tenosti predstavlja vremenska nestabilnost rastvora. U rastvoru se ve nakon 12 meseca
stvaraju talozi koji bitno smanjuju lasersko zraenje.
Izborom organskog jedinjenja postie se odgovarajue talasno podruje u kojem laser
moe da zrai, a ukljuivanjem selektovnih elemenata u rezonator postie se lasersko zraenje na
eljenoj talasnoj duini unutar talasnog podruja. Ovakvi laseri mogu raditi i u kontinualnom i u
impulsnom reimu, dok se laseri sa neorganskim rastvorima koriste samo u impulsnom reimu.
Pobuivanje lasera na bazi tenosti vri se optikim pumpanjem.
Laseri na bazi neorganske tenosti
Sada se razvijaju uglavnom laseri na bazi rastvorenih soli neodijuma u neorganskim
tenostima. Kao rastvarai koriste se tenosti kao to su: SeOCl2 i SnCl4, to se pie u obliku:
Nd3+:SeOCl2:SnCl4. Isto tako postoje rastvori: Nd3+:POCl3: SnCl4. Kao emisioni prelazi na ovim
jedinjenjima koriste se isti prelazi jona kao i u Nd laserima na bazi stakla.
Apsorpcioni i emisioni spektri Nd lasera na bazi tenosti i Nd lasera na bazi stakla veoma
su slini, tako da ovu vrstu tenih lasera moemo tretirati kao varijantu YAG lasera.
Laseri na bazi organskih boja
Laseri na bazi organskih boja predstavljaju novu vrstu lasera koja se svojim specifinim
osobinama izdvaja iz grupe tenih lasera. Karakterie ih mogunost kontinualnog menjanja
talasne duine laserske emisije u irokom intervalu, to je posledica osobine organskih boja da
poseduju relativno uzane laserske prelaze. Kao organska jedinjenja koja nazivamo organskim
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
11
bojama, a koriste se kao aktivna sredina, najee se upotrebljavaju: rodamin 6G, rodamin 6,
kumarin 2, kumarin 6, itd.
Organske boje su sloena organska jedinjenja koja jako apsorbuju vidljivu svetlost.
Obino se sastoje iz benzenskih (C6H6), piridinskih (C6H5N), azotnih (C4H4N2) i drugih
prstenova. Veina boja u rastvorima ima jonski karakter. Aktivna sredina, u ovom
sluajuorganska boja, rastvorena je u pogodnom rastvarau. Kao rastvara koriste se alkohol,
benzin, etanol ali je u upotrebi i plastika sa dispergovanom bojom. U prvim tipovima ovakvih
lasera pobuda se vrila pomou rubinskih lasera, ali se kasnije pokazalo da se pumpanje moe
ostvariti i pomou bljetalica.
2.3.3 Gasni laseri
Postoji vie vrsta lasera, koji se meusobno razlikuju po vrsti gasa koji obrazuje aktivnu
sredinu, te po nainu ostvarivanja sredine sa inverznom naseljenou. U odnosu na ostala tela
gasovi imaju tano odreene energetske nivoe pojedinih atoma ili molekula, pa zato postoji niz
moguih prelaza sa nivoa na nivo u razliitim gasovima. Druga karakteristika gasova je njihova
optika homogenost. Gustina gasa je mala, pa zbog toga u gasovima ne dolazi do disperzije
svetlosti i izoblienja svetlosnog zraka. Upravo ova osobina gasova dozvoljava da rastojanje
izmeu ogledala u optikom rezonatoru gasnih lasera bude veliko, ime se lake postie
monohromatinost i bolj usmerenost laserskog zraka. S druge strane, gas kao aktivna sredina ima
i odreene nedostatke: gustina gasa je znatno nia od gustine vrstih tela, pa se zato u jedinici
zapremine ne moe postii velika koliina pobuenih atoma koji emituju svetlost, kao u vrstim
telu. Zbog toga se u gasnim laserima ne moe postii impuls velike snage kao u vrstim telima.
Inverzna naseljenost u ovim laserima postie se pobudom atoma ili molekula gasa pri njihovom
sudaru sa brzim slobodnim elektronima za vreme pranjenja gasa. Pritisak gasa u ovakvim
laserima iznosi od 10-3 do 10-2 Pa.
U praksi razlikujemo tri tipa lasera na bazi pranjenja gasova:
lasere sa neutralnim atomima,
jonske lasere i
molekularne lasere.
Ovi laseri se meusobno razlikuju po mehanizmu nastajanja inverzne naseljenosti i po talasnoj
duini zraenja.
CO2laser
Telo CO2 lasera se sastoji od gasne smee CO2, He i N2, pri emu aktivnu sredinu ine
molekuli CO2. Na slici 2.6 prikazana je principijelna ema CO2 lasera.
CO2 laseri se odlikuju visokom monohromatinou i velikim koeficijentom korisnog
dejstva. Laserski snop ima talasnu duinu svetlosti = 10.6 m, koja je deset puta vea od staklenih i YAG-lasera. Ovi laseri mogu da rade u impulsnom i kontinualnom reimu, a kao
industrijski laseri imaju snagu i do 15 kW. CO2 laserima moe da se vri buenje, seenje,
zavarivanje, markiranje, termika obrada na razliitim materijalima, nanoenje tvrdih prevlaka
itd.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
12
Poveanje temperature gasa na lasersko telo, koje dovodi do elektrinog pranjenja, vodi
ka izrazitom smanjenju izlazne snage, zbog ega je potrebno intenzivno hlaenje gasne smee.
Prema nainu hlaenja, CO2 laseri se dele na:
laseri sa difuznim hlaenjem i
laseri sa konvencionalnim hlaenjem.
Pri difuznom hlaenju, gasna smea se hladi hlaenjem laserskog tela, a pri
konvencionalnom hlaenju, izmenom gasne smee u laserskom telu a potom njenim hlaenjem.
Slika 2.6 Principijelna ema CO2 lasera
Prema nainu protoka gasne smee niz optiki rezonator i prema pravcu elekteinog
pranjenja niz gasni fluid, razlikuju se vie vrsta CO2 lasera:
laseri sa aksijalnim elektrinim pranjenjem i aksijalnim protokom gasa,
laseri sa aksijalnim elektrinim pranjenjem i aksijalnim brzim protokom gasa,
laseri sa transferzalnim elektrinim pranjenjem i transferzalnim protokom gasa i
laseri sa transferzalnim elektrinim pranjenjem i transferzalnim protokom gasa, sa
prethodnom jonizacijom gasa.
Energija protoka gasa, neophodna za proces elektrinog pranjenja, je znatno vea od
potrebne energije. Jedna od efektivnih metoda za reavanje ovog problema je da se izvri
prethodna jonizacija gasa, a samim tim da se smanji napon elektrinog pranjenja.
Efikasnost CO2 lasera je znatno iznad one koja se kree kod drugih tipova lasera. Ovi
laseri mogu da emituju velike snage. Za postizanje velikih snaga izrauju se laseri velikih
duina.
2.4 Princip laserske obrade
Pri sudaru laserskog snopa sa neprozirnim vrstim telom, na njegovoj povrini i u
podpovrinskim slojevima (na odreenoj dubini) se odigravaju razliiti fiziki procesi. Pod
njegovim uticajem dolazi do intenzivnog povrinskog zagrevanja materijala predmeta obrade,
topljenja i isparavanja materijala predmeta obrade. Stoga se, dejstvo laserskog snopa na materijal
predmeta obrade, moe podeliti u nekoliko karakteristinih faza:
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
13
refleksija (odbijanje) laserskog snopa od povrine,
apsorpcija laserskog zraenja po povrinskim slojevima predmeta obrade i
transformacija fotonske energije u toplotnu,
zagrevanje ozraene povrine, sa rastapanjem i isparavanjem povrinskih slojeva,
uklanjanje produkata razaranja i
hlaenje povrine materijala predmeta obrade, po prestanku dejstva laserskog
zraenja.
Pored navedenog, istovremeno se odvijaju i drugi procesi (hemijski procesi i fazna
transformacija), koji bitno utiu na karakter dejstva laserskog zraenja.
Deo laserskog snopa to pada na povrinu predmeta obrade, apsorbuje se u unutranjost
materijala na odreenoj dubini, a deo se odbija (reflektuje) od povrine (slika 2.7).
Slika 2.7 Interakcija laserskih zraka sa obraivanim materijalom
a) refleksija i apsorpcija, b) topljenje, c) isparavanje
1 - laserski zraci, 2 - istopljeni materijal, 3 - granina zona izmeu vrstog i
istopljenog materijala, 4 - odnoenje materijala, 5 - predmet obrade
Koliina laserskog snopa koja se odbija, zavisi od talasne duine svetlosti, gustine snage
laserskog zraenja, toplotne provodljivosti materijala predmeta obrade, specifine energije
potrebne za odreenu obradu itd.
U odreenim sluajevima, visoka refleksija na mnoge materijale pri odreenoj talasnoj
duini laserskog zraenja, dovodi do toga da je materijal nepogodan za obradu laserom.
Na slici 2.8 prikazana je zavisnost koeficijenta apsorpcije od temperature na povrini
metala.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
14
Slika 2.8 Zavisnost koeficijenta apsorpcije od temperature na povrini metala
Bitan uticaj na koeficijent refleksije ima i gustina laserskog mlaza. Sa poveanjem
gustine od 107108 W/cm2 za vei broj metala koeficijent refleksije se znaajno poveava. Poveanje gustine laserskog mlaza iznad 1010 W/cm2, dovodi do znatnog smanjenja koeficijenta
refleksije.
Karakteristino je da koeficijent apsorpcije i refleksije, sa jedne strane, zavise od
karakteristika izvora laserskog zraenja i optikog sistema, a sa druge, od osobina obraivanog
materijala. Apsorpcija zavisi i od stanja povrine predmeta obrade parametra hrapavosti,
predhodne obrade, neistoe, oksidnih prevlaka, itd, kao i od reima obrade brzina
pomeranja snopa laserskih zraka, dimenzija svetlosne mrlje. Poveanjem brzine obrade i
prenika svetlosne mrlje, moe se bitno poveati apsorpciona sposobnost A . U cilju poveanja efikasnosti obrade laserom moe se vetaki sniziti refleksiona sposobnost poveanjem
hrapavosti povrine, prethodnim zagrevanjem ili korienjem raznih prevlaka.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
15
3. TEHNOLOKE OPERACIJE OBRADE LASEROM
Laserski zrak fokusiran na radni prenik 0.15 0.2 mm postao je univerzalni alat koji moe praktino da see gotovo sve poznate materijale. Za razliku od konvencionalnog alata on je
bez oblika, pa se ne mora specijalno naruivati za proizvodnju i ne namee trokove vezane za
skladitenje, otrenje i podeavanje.
3.1 Lasersko buenje
Lasersko buenje je tipina operacija laserske obrade koja predstavlja osnovu za druge
tehnoloke operacije obrade laserom. Proces obrade se zasniva na stvaranju rupe ili otvora na
materijalu predmeta obrade delovanjem fokusiranog laserskog zraenja pri emu se materijal
uklanja isparavanjem. Pri impulsu laserskog zraenja nastupa snano izbacivanje produkata
isparavanja materijala pri emu se dobija rupa ili otvor krunog oblika (sl. 3.1,f).
Slika 3.1 Proces stvaranja rupe u materijalu predmeta obrade sa promenom gustine
snage laserskog zraenja
Pri buenju otvora u limovima ulazni prenik je vei od izlaznog, a krater ima ulazni
konus i venac na poetku (slika 3.2).
Slika 3.2 Popreni presek otvora u eliku dobijen laserskim buenjem
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
16
Kvalitet obrade
Kvalitet obrade kod laserskog buenja odreen je:
tanou obrade,
kvalitetom obraene povrine i
fiziko-hemijskim osobinama materijala u zoni obrade.
Tanost obrade
Tanost obrade, kod izrade otvora laserom, pri pravilnom izboru reima obrade i
stabilnim energetskim i vremenskim parametrima laserskog zraenja, moe biti zadovoljavajua,
sa odstupanjem mera u odnosu na nominalne vrednosti samo za 58 . Tanost obrade moe
znatno da se povea uvoenjem razliitih tehnolokih mera.
Hrapavost
Hrapavost obraene povrine ine mikrogeometrijske neravnine po povrini otvora
dobijenog laserskim buenjem. Hrapavost zavisi od reima obrade i karakteristika materijala
predmeta obrade.
Primena laserskog buenja
Lasersko buenje se koristi za buenje otvora malih prenika (mikrootvora) i buenje
otvora u tvrdim materijalima, koji se klasinim tehnologijama obrade ne mogu izvesti. Laserima
se bue otvori na sitima, dijafragmama, filtrima za izradu sintetikih vlakana, iglama za injekcije
i dr.
3.2 Lasersko seenje
Osnovne karakteristike seenja laserom od kojih zavise tehnoloke karakteristike obrade
(produktivnost, tanost i kvalitet obrade, kao i dubina i irina reza), su definisane sledeim
parametrima:
snaga impulsa P, W,
gustina laserskog snopa qc, W/cm2,
pritisak gasa p, bar,
vrsta gasa,
veliina fokusne take d, mm,
brzina seenja V, mm/s,
tanost pomeranja laserskog snopa po predvienoj konturi i dr.
Laser proizvodi koherentan svetlosni snop laserskih zraka velikog intenziteta energije
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
17
koga karakterie pravost i mala disperzija. U interakciji sa predmetom obrade, ako je energija
vea od sposobnosti materijala predmeta obrade da reflektuje, prenese ili raspe ovu energiju,
dolazi do apsorpcije svetlosne energije i njenog pretvaranja u toplotnu energiju, odnosno do
porasta temperature na ozraenom mestu. Pri znatnom porastu temperature dolazi do pojave
lokalnog topljenja ili isparavanja materijala, to zavisi od intenziteta generisane toplote i dovodi
do stvaranja rupe ili otvora u predmetu obrade. Pomeranjem laserskog zraka ili predmeta obrade
nastaje proces laserskog seenja. Na slici 3.3 prikazano je seenje laserom.
Slika 3.3 Seenje laserom
U mnogo sluajeva nefokusirani snop laserskih zraka industrijskih lasera vee snage,
nema adekvatnu energiju da uini neto vie sem da zagreje ozraenu povrinu materijala
predmeta obrade. Meutim, ako se snop usmeri kroz soivo za fokusiranje, energija je
koncentrisana na povrinu prenika manjeg od 0.25 mm, to proizvodi snagu od preko 106 W,
sposobnu da istopi mnoge materijale. Laserske maine pored toplote dobijene fokusiranjem
snopa laserskih zraka koriste i pomoni gas koji ima zadatak da odstrani istopljeni materijal iz
zone seenja, da zatiti soiva od isparenja i pomogne u procesu sagorevanja.
Sa tehnoloke take gledita, procesi seenja laserom dovode do punog izraaja termike
efekte (zagrevanje, topljenje, isparavanje, termiko raspadanje i erozija), koji nastaju laserskim
zraenjem.
Poetak seenja laserom uslovljen je spajanjem laserskog zraenja sa radnim predmetom.
Na slici 3.4 dat je ematski prikaz procesa seenja laserom.
Slika 3.4 ematski prikaz seenja laserom
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
18
Metode seenja laserom
Postoje tri metode seenja laserom:
1. Sa potpunim odstranjivanje materijala du linije razdvajanja (isparavanjem i, to je ei
sluaj, topljenjem i ogranienim isparavanjem);
2. Sa deliminim odstranjivanjem materijala du linije razdvajanja (isparavanjem materijala do
odreene dubine i naknadnim odvajanjem materijala mehanikim dejstvom);
3. Bez odstranjivanja materijala du linije razdvajanja (kontrolisanim lomljenjem u vrstom
stanju, pod dejstvom i u toku ozraenja laserom ili kontrolisanim lomljenjem u vrstom stanju,
pod dejstvom mehanike sile, primenjene po ozraenju laserom).
Za seenje metala se najee koristi reaktivan pomoni gas O2, dok se za seenje
nemetala koristi neutralni gas N2 ili inertni gas Ar.
Faktori procesa seenja laserom
Na proces laserskog seenja utiu:
laser (tip, veliina, snaga, reim rada, mod, polarizacija), koji je izvor zraenja;
snop laserskih zraka (talasna duina, koherencija, monohromatinost, divergencija),
koji predstavlja alat u procesu obrade;
obradna glava (sistem za fokusiranje, mlaznica, senzor za pozicioniranje);
koordinatni radni sto (tip, veliina, tanost, sistem upravljanja);
radni predmet (materijal, oblik, dimenzije, tolerancije, kvalitet obrade);
pribor za stezanje;
reimi obrade (snaga lasera, brzina rezanja, poloaj ie u odnosu na povrinu
predmeta obrade, pritisak pomonog gasa) i
okolina (radni uslovi: istoa, vibracije).
Reimi obrade
Snaga lasera
Najvanija karakteristika kojom se vri izbor laserske maine je snaga lasera.
Na slici 3.5 prikazana je zavisnost brzine seenja od snage laserskog snopa za razliite
metale.
Brzina seenja
Produktivnost obrade, zavisi direktno od brzine seenja. Brzina seenja je drugi po
znaaju bitan parametar za seenje laserom i zavisi od niza faktora: snaga lasera, mod, veliina
svetlosne mrlje, vrsta i debljina materijala radnog predmeta itd.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
19
Slika 3.5 Zavisnost brzine seenja od snage laserskog snopa za razliite metale
1. Nerajui elik (h=3.2 mm), 2. Aluminijum (h=0.8 mm),
3. Niskougljenini elik (h=2.3 mm), 4. Titan (h=1.5 mm).
Na slici 3.6 prikazan je uticaj debljine lima na maksimalnu debljinu seenja.
Slika 3.6 Zavisnost maksimalne brzine seenja od debljine lima za niskougljenine elike
P=625 W, 2. P=1250 W
ina daljina soiva
Obzirom da je brzina seenja funkcija gustine snage, izbor soiva za fokusiranje znatno
utie na kvalitet reza.
Varijacija poloaja ie u odnosu na povrinu predmeta obrade pokazuje razliitu
karakteristiku na kvalitet reza.
Na slici 3.7 prikazan je uticaj defokusacije (poloaj ie soiva za fokusiranje u odnosu
na povrinu predmeta obrade) f, na irinu b i dubinu h reza.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
20
Slika 3.7 Uticaj defokusacije f na irinu b i dubinu h reza.
Pomoni gas
Zadatak pomonog gasa je da u procesu seenja zatiti soiva i pomogne u odstranjivanju
isparenog i otopljenog materijala predmeta obrade. Za veinu metala koristi se reaktivan
pomoni gas kiseonik, jer potpomae egzotermnu reakciju. Upotrebom kiseonika kao pomonog
gasa, poveava se ukupna energija upotrebljena u procesu seenja, tako da je mogue poveati
brzinu seenja za 25-40 . Pored vrste pomonog gasa, istoa pomonog gasa je od bitnog
uticaja na parametre obrade i kvalitet reza.
Kvalitet i tanost obrade
Kvalitet obrade kod seenja laserom je odreen kvalitetom reza i tanou oblika i
dimenzija. Kvalitet reza se obino definie geometrijskim karakteristikama (irina reza,
hrapavost obraene povrine) i fiziko-hemijskim karakteristikama na izraenoj povrini
materijala predmeta obrade. Kvalitet i tanost obrade seenja laserom, u najveem stepenu
zavise od: brzine rezanja, snage laserskog mlaza, vrste i pritiska gasa, prenika i poloaja
mlaznice u odnosu na povrinu predmeta obrade. Na slici 3.8 dat je ematski prikaz laserskog
mlaza.
Slika 3.8 ematski prikaz laserskog mlaza
irina reza je bitna karakteristika seenja laserom. Vrednost irine reza kod metala je
mala, kree se od 0.1-0.3 mm, pri seenju elinih limova. irina reza se poveava sa po-
veanjem debljine lima.
Pri obradi metala, po duini reza sa donje strane, formira se greben od otvrdnutog
metala i metalnih oksida, ime se pogorava kvalitet obrade.
Na slici 3.9 prikazana je pojava grebena prilikom seenja metala.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
21
Slika 3.9 - Pojava grebena pri seenju metala laserom
Da bi se smanjila ili da bi se izbegla pojava grebena koriste se razne tehnike: prethodna
oksidacija, fosfatiranje ili hromiranje povrina. Meutim, navedeni postupci nisu lako izvodljivi,
a i sam proces seenja je znatno skuplji. Jedna od tehnika moe biti i seenje laserom u tenoj
sredini. Na slici 3.10 prikazana je ema seenja laserom u tenoj sredini.
Slika 3.10 ema seenja laserom u tenoj sredini
1 - laserski zraci, 2 - predmet obrade, 3 - tenost, 4 - gasna struja
Pri ovoj tehnologiji kapi rastopljenog metala, otvrdnuti u tenosti, izbacuju se gasnom
strujom, pri emu se ne lepe po rubovima reza. Kao tenosti se koriste: tehniki alkohol,
hloroform, voda, i dr. Ova metoda se esto koristi i pri buenju laserom.
Primena laserskog seenja
Lasersko seenje se danas iroko primenjuje pri seenju sloenih kontura od tvrdih i krtih
materijala. Ima primenu i pri obradi sloenih delova koji se izrauju na presi za prosecanje i
probijanje, ako se radi u malim serijama i pri estoj promeni oblika i dimenzija, za ta je izrada
alata skupa i dugotrajna.
Koriste se za seenje svih vrsta metala (ugljenini elici, nerajui elici, legirani elici,
aluminijum, bakar, mesing, titan i dr.), nemetala (plastine mase, guma, koa, tekstil, drvo,
karton i dr.) i neorganskog materijala (azbest, keramika, grafit i dr.).
3.3 Lasersko zavarivanje
Zavarivanje laserom predstavlja tehnoloki proces koji karakterie lokalno topljenje
metala na mestu spajanja - zavarivanja elemenata. Opti zahtev kod zavarivanja laserom je da
laser daje relativno dugake impulse u vremenu od 1-10 ms, sa maksimalnom snagom od 10-100
kW. Meutim, snaga koja odgovara ukupnom intenzitetu, mora biti dovoljno mala da se sprei
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
22
isparavanje i odmicanje materijala. Trajanje impulsa mora biti dovoljno dugo da bi se omoguilo
niim delovima povrine da dou do take topljenja, odvoenjem toplote sa gornjeg dela
povrine.
CO2 laseri se ne koriste kod zavarivanja zbog velikog koeficijenta refleksije, koji se za
veinu materijala kree od 94-98 na sobnoj temperaturi, za talasnu duinu lasera od 10.6 m. Industrijski CO2 laseri snage nekoliko vati, mogu se koristiti za zavarivanje tankih metala
debljine 1 mm (Al i Cu legure). Meutim, takvi materijali mogu se zavarivati ekonominije
klasinim metodama.
Na slici 3.11 data je principijelna ema zavarivanja laserom.
Slika 3.11 Principijelna ema zavarivanja laserom
3.4 Laserska termika obrada
Otvrdnjavanje ili povrinska termika obrada snopom laserskih zraka zasniva se na
zagrevanju, topljenju i udarnom optereenju. Termika obrada laserom je mogua kako za
pojedine zone posebno izloene habanju, tako i za povrine u celini, uz hlaenje razliitim
sredstvima.
Karakteristike otvrdnutog sloja zavise od karakteristika laserskog snopa i niza drugih
parametara, a menjaju se sa dubinom i irinom otvrdnutog sloja. Osnovni parametri
otvrdnjavanja laserskim snopom, u odnosu na indukciono kaljenje, su znaajno poveanje
tvrdoe povrinskih slojeva (3-5 puta), otpornosti na habanje i poveanje proizvodnosti obrade
za 70-90. Otvrdnjavanje povrine metala laserom omoguuje niz prednosti kao to su:
otvrdnjavanje povrine radnih predmeta sloene konfiguracije koje su nepristupane
za obradu klasinim metodama;
primena za zavrnu obradu pri emu se postie visok kvalitet obraene povrine;
mogunost automatizacije procesa, itd.
Na slici 3.12 prikazan je princip otvrdnjavanja laserom i oblik i dimenzije otvrdnutog sloja.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
23
Slika 3.12 Princip otvrdnjavanja laserom i oblik i dimenzije otvrdnutog sloja
3.5 Laserko graviranje
Graviranje laserom ili laserska konturna obrada se koristi za razliite namene:
markiranje ili obeleavanje na predmetima sa nanoenjem serije brojeva ili
drugih oznaka za identifikaciju, ukljuujui i izradu logaritamskih skala;
izrada peaterskih valjaka;
izrada ema razliitih tankih prevlaka od razliitih materijala koje se nanose na
izabranu podlogu, itd,
Pri korienju lasera za markiranje, najee se koristi YAG-laser sa akustinim optikim
modulatorom. Reim rada je pulzirajui. Za ovu namenu dovoljni su laseri sa prosenom snagom
do 50 W. Na slici 3.13 prikazana je ema rada maine za graviranje laserom.
Slika 3.13 ema rada savremene maine za graviranje laserom
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
24
4. OPREMA ZA OBRADU LASEROM I PRIMERI
PRIMENE
U ovom odeljku date su maine za lasersku obradu, njihove tehnike karakteristike i
mogunosti, kao i primeri primene. Maine koje su obuhvaene su:
- Maine za lasersko seenje lima
- Maine za lasersko graviranje
Postoji irok spektar proizvoda koji se mogu obraivati obradom laserskog seenja, a to
su: privesci, rezanje 3D slova, sve numeracije, seenje tekstila, ploice za razne standardizacije
(ISO i sl.), dihtunzi, poklon kutije, rezanje ablona, izrada modela za arhitekte, izrada oznaka,
serijski brojevi, dekorativni elementi, drvorez, prototipovi, itd.
4.1 Maine za lasersku obradu lima seenjem
Laser AMADA EML
Laser AMADA EML (slika 4.1) je kombinovana maina za obradu lima probijanjem i rezanjem laserom. Takode spada u red najsavremenijih maina nove generacije za obradu lima do 6 mm debljine.
Snaga: 4000 W ( 5000W)
Secenje celika, aluminijuma, INOX-a....
Maksimalne dimenzije table 3000 x 1850 mm
Debljina reza 0.2 mm
Kiseonik, azot i vazduh kao asistirajuci gasovi
Secenje i probijanje svih vrsta oblika, kontura, otvora i sl.
Izuzetan kvalitet i preciznost
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
25
Slika 4.1 Laser AMADA EML
Laser AMADA X1
Laser AMADA X1 (slika 4.2) je jedna od najsavremenijih maina nove generacije koja ree limove do 25 mm debljine.
Snaga: 4000 W ( 5000 W)
Secenje celika, aluminijuma, INOX-a...
Maksimalne dimenzije table 1500 x 3000 mm
Kiseonik, azot i vazduh kao asistirajuci gasovi
Secenje svih vrsta oblika i kontura
Izuzetan kvalitet i preciznost reza
Debljina reza 0.2 mm
Kapacitet 80 150 tona mesecno.
Slika 4.2 Laser AMADA X1
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
26
HD-C 2D Maina za seenje laserom, velike brzine
HD-C 2D maina (slika 4.3) spada u grupu maina za seenje laserom velike brzine.
Osnovna oprema CE norma
CNC upravljanje Siemens 840D
Izvor lasera(rezonator)
Poziciona laser dioda
Glava za seenje 5/7,5" fokusne razdaljine sa sistemom soiva (soivo 1,5")
Centralno podmazivanje
Sistem za hlaenje
Ispusni otvor za radne komade
Pokretna traka za odvoz proizvoda
Sto levi/desni
CAD/CAM softver Delovi po izboru
Glava za seenje 3,75-10" fokusne razdaljine
Pribor za odravanje lasera
Rezervna soiva, ogledala i dizne
Slika 4.3 HD-C 2D Maina za seenje laserom
Slika 4.4 Prikaz obrade seenja laserom
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
27
4.2 Maine za lasersko graviranje
LS 900
Ova snana industrijska laserska maina LS900 (slika 4.5) dolazi kao desktop ili verzija
sa sopstvenim postoljem, i sa svojom gravirnom povrinom od 610x610 mm je idealna maina za
iskusne majstore laserskog graviranja, sa srednjim do visokim nivoom proizvodnje. Crveni
laserski zrak za praenje smanjuje mogunost greke tako to omoguava da se izvri simulacija
graviranja pomou tog zraka, pre nego to se pristupi stvarnom graviranju.
Slika 4.5 Laser LS900 za lasersko graviranje
Osnovne karakteristike maine su:
Pogodna maina za korisnike sa srednjim ili visokim obimom proizvodnje.
Heavy duty asija i mehaniki sklop sa opsegom snage laserskog punjenja do 80 W.
Maina sa radnim stolom sa gravirnom povrinom 610 x 610 mm sposobna da primi
velike predmete ili vri matrino graviranje inventarskih ploica u velikom obimu.
Pristup radnom stolu sa prednje strane omoguava lako smetanje i pozicioniranje
predmeta koji se gravira.
Crveni laserski pointer omoguava lako podeavanje tako to vri simulaciju graviranja,
pa operater moe lako da proveri da li e konana gravura stvarno i biti na predvienom
mestu.
Auto focus automatski podeava fokusnu duinu u odnosu na predmet koji se gravira
(ak i u sluaju udubljenih predmeta).
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
28
MBL SD-1325
- Radna povrina: 1250x2500x90mm
- Spindl motor, 2.2KW sa vodenim hlaenjem
- Brzina graviranja: 6000mm/min
- Alati za graviranje: 3.175mm, 4mm, 6mm
- Format: Dictate HPGL, G-code
- Ball Screw: Two-nut rolling ball screw
- Brzina rotacije motora: 6000-24000rpm
- Rezolucija: 0.01mm
- Softver: Type 3 (3D)
- Plexiglass/Guma/PVC/ABS/Drvo/Metal
Slika 4.5 Laser LS900 za lasersko graviranje
Lasersko graviranje i seenje je moderana tehnologija gde se, pomou laserskog snopa dobijenog u specijalnoj maini za graviranje, mogu obraivati razliiti materijali laserskim seenjem i laserskim graviranjem .
4.3 Primeri primene laserskog seenja
Kod nekih maina laserski snop ima debiljnu od 0.01mm to dozvoljava da se vre vrlo precizna seenja. Sloeni oblici i precizni rezovi ne predstavljaju izazov za lasere najnovije generacije. Sve to je potrebno jeste da se poalje ili donese pripremljen crte u odgovarajuem digitalnom formatu.
Sposobnost istog reza, glatkih ivica bez upotrebe noa ili drugog alata za seenje je jedna od najveih vrednosti upotrebe bezkontaktnog seenja. Brzo seenje razliitih nemetalnih materijala daje kvalitetan rez bez potrebe za naknadnom obradom.
Spektar proizvoda koji se mogu obraivati obradom laserskog seenja su: privesci, rezanje 3D slova, sve numeracije, seene tekstila, ploice za razne standardizacije (ISO i sl.), dihtunzi, poklon kutije, rezanje ablona, izrada modela za arhitekte, izrada oznaka, serijski brojevi, dekorativni elementi, drvorez, prototipovi, itd. Lasersko seenje je mnogo vie od zamene za konvencionalne postupke kao to su testerisanje, buenje ili konano probijanje.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
29
Laserskim se seenjem znaajno smanjuju trokovi proizvodnje i nema nepotrebnog skladitenja meu pojedinim fazama. Ne manje bitno, nisu vie potrebni niti dodatni radovi. Osim toga, izborom pojedinog postupka laserskoga seenja, esto se smanjuje i broj sastavnih delova. Na slici 4.6 su dati neki primeri delova izraeni obradom laserskog seenja.
Privezci (plastika) Lasersko seenje na drvetu
Seenje metala laserom Laserom seeni sklopovi dela
Iseen tekst na cilindrinom delu od metala Deo i krugovi u njemu izradjeni laserskim
seenjem
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
30
Seenje metala Seenje drveta
Slika 4.6 Primeri obrade laserskog seenja
4.4 Primeri primene laserskog graviranja
Graviranje je tehniki postupak urezivanja (linija, ukrasa, znakova, likova) u tvrdu, obino ravnu povrinu pravljenjem brazda u njoj. Rezultat graviranja moe biti sam dekorirani predmet ako se gravira srebro, zlato, elik ili staklo, ili moe omoguiti izradu dubokotiskarskih ploa od bakra ili drugog metala za tiskanje slika na papiru kao tisaka ili ilustracija. Otisak
urezanih slika naziva se gravura ili gravira.
Graviranje laserom prua mogunost da se na materijalu po izboru iscrtaju kompleksni oblici, logotipi i tekst uz maksimalnu finou linija. Ovo je naroito znaajno za marketinke agencije koje na ovaj nain mogu svojim klijentima ponuditi personalizovane reklamne poklone, elemente enterijera i sl.
Standardne graverske poslove laser obavlja bez problema, tako da se mogu gravirati i ID
kartice, bedeve, peate, ploice za oznaavanje, kao i mnoge druge predmete. Ono to bi trebalo imati u vidu jeste to da je brzina graviranja drastino manja nego brzina seenja.
Materijali koji se mogu obraivati su razni: drvo, laminatna plastika, akril, staklo, presvueni materijali, keramika, delrin, platno, koa, mermer, papir, anodizirani aluminijum, guma, furnir, fiberglas, obojeni materijali, metal spreman za lasersko graviranje itd...
Slike visoke rezolucije i tekst su idealni za lasersko graviranje. Precizna kontrola brzine
kretanja i snage lasera daje graviranje sa puno detalja u rasponu od povrinskog do dubokog. Na slici 4.7 su dati neki primeri delova izraeni obradom laserskog graviranja.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
31
Drvena plaketa Graviranje na upaljau (drvo)
3D reklama od pleksiglasa Medalje (pleksiglas)
Rezervisano (zlatni gravoplast) Privezak (drvo)
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
32
Gravura na ai (staklo) 3D lasersko graviranje (kristal)
3D motiv u staklu Privezak 3D motiv
Slika 4.7 Primeri obrade laseskog graviranja
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
33
5. LASERSKA MAINA Bystronic Bystar 3015
5.1 Namena maine
Laserska maina Bystronic - Bystar 3015 (slika 5.1) se nalazi u preduzeu Metal sistemi -
proizvodna celina Procesna oprema u Kragujevcu. Namenjena je za industrijsko seenje i
graviranje tabli limova od razliitih materijala. U tabeli 1. navedeni su materijali debljine
previeni za seenje na ovoj laserskoj maini.
Materijali predvieni za seenje
elik debljine 1 15 mm Stw 22, St 37-2
elik debljine 16 25 mm S235 JRG2, QSt 37-2
Nerajui elik i elik otporan na
kiseline debljine 1 25 mm X5CrNi18 -10
Aluminijum debljine 1 15 mm AlMg3
Mesing debljine 1 3 mm CuZn40
Titanijum debljine 1 3 mm Ti
Bakar debljine 1 3 mm Cu
Tabela 1. Materijali predvieni za seenje
5.2 Osnovne karakteristike
Maina ima sledee tehnike karakteristike:
RADNI PROSTOR X 3 048 mm
Y 1 542 mm
Kretanje glave za seenje Z 170 mm
Maksimalna nosivost radnog stola 890 kg
Preciznost pozicioniranja 0.1 mm
Ponovljivost 0.5 mm
Brzina pozicioniranja po X i Y osi istovremeno 113 m/min
Maksimalno ubrzanje 4.5 m/s2
Maksimalna brzina seenja 50 m/min
Maksimalna snaga lasera 5 200 W
Maksimalne dimenzije table predviene za seenje 3 000 mm x 1 500 mm
Tabela 2. Tehnike karakteristike
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
34
5.3 Osnovni delovi laserske maine
Slika 5.1 Laserska maina Bystar 3015
5.3.1 Upravljaka jedinica
CNC i STL upravljaka jedinica (slika 5.2) zajedno sa napajanjem ine upravljako
jezgro ove laserske maine. U posebno odvojenim komadnim ormanima nalaze se kontroleri koji
upravljaju celokupnim radom laserske maine. Vrata sa posebnim sistemom za hlaenje
odravaju temperaturu na odreenom nivou to poveava pouzdanost sistema.
STL - upravljaaka jedinica (prevod sa Nemakog Table Laser Controller) vri
upravljanje zamenom radnih stolova i kontrolom zatitnih sistema na laserskoj maini. U ovoj
upravljakoj jedinici je smeten i glavni prekida napajanja lasera.
CNC upravljaka jedinica sadri CNC (Computer Numeric Control) kontroler. CNC
kontroler vri konvertovanje planove seenja u koordinate po osama. Kontrolie kretanje glave
lasera preko predmeta obrade. Automatski prilagoava brzinu kretanja glave seanja kao i snagu
lasera prema zadatoj konturi predmeta obrade.
Laserska maina izvrava program nezavisno od upravljakog terminala to omoguava kreiranje
i modifikovanje geometrijskih kontura u toku samog izvravanja programa.
A Laserska maina
B Radni sto
C Laser
D Rezonator
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
35
Slika 5.2 Upravljaka jedinica
5.3.2 Upravljaki terminal
Upravljaki terminal (slika 5.3) se nalazi na obrtnom nosau koji je privren za
lasersku mainu. Nosa mu omoguava obrtanje oko ose nosaa kao i horizontalno pomeranje.
Slika 5.3 Upravljaki terminal
A Monitor osetljiv na dodir
B Tastatura
C Dra za runi terminal
A STL upravljaka jedinica
B CNC upravljaka jedinica
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
36
Upravljaki terminal sadri:
Matinu plou i procesor
Hard disk
USB 2.0 interfejs
DVD-RW ureaj za prebacivanje podataka
Mrenu karticu
Windows XP operativni sistem
Monitor osetljiv na dodir
Standardna PC tastatura
Upravljanje mainom se vri preko ekrana osetljivog na dodir ili preko tastature.
Prenos podataka se moe vrite preko mrene kartice direktnim uitavanjem podataka u
upravljaki terminal ili preko ulazno izlaznih ureaja DVD-a ili USB porta.
Slika 5.4 Upravljaki terminal - ureaji
Pored ekrana nalazi se dra za runi terminal koji se koristi prilikom podeavanja lasera,
probna seenja sa razliitim parametrima kao i pojedinanih seenja iz manjih tabli lima (slika
5.5)
A - STOP taster
B Monitor osetljiv na dodir
C Tastatura
D Funkcijski tasteri na monitoru
E DVD R/W ureaj
F USB port
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
37
Slika 5.5 Runi terminal
5.3.3 Laserski modul Bylaser 5200 ARC
Ovaj laserski modul (slika 5.6) spada u grupu lasera sa aksijalnim elektrinim
pranjenjem to znai da se elektrino pranjenje vri u pravcu ose cevi za pranjenje. Prema
brzini protoka gasa spada u grupu lasera brzog aksijalnog toka. Najee se primenjuju za
industrijske lasere velikih snaga.
Slika 5.6 a Laserski modul, kuite
A - STOP taster
B Toki
C Tastatura
A - Indikator lampa
B Izlaz laserskog snopa
i prvo reflektujue
ogledalo
C Donji deo modula
D Gornji deo modula
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
38
Slika 5.6 b Laserski modul
Osnovne karakteristike:
Maksimalna snaga lasera 5 200 W
Laser medijum CO2
Talasna duina snopa 10 600 nm
Prenik laserskog snopa 20 mm
Divergencija laserskog snopa 2
Polarizacija kruna
Tabela 3. Tehnike karakteristike laserskog modula
Princip rada lasera, Bylaser 5200 ARC, sa aksijalnim elektrinim pranjenjem prikazan
je na slici 5.7.
Slika 5.7 ematski prikaz cevi za pranjenje
A - Anoda
B Katoda
C Konektor visokog napona
D Otpornik
A - Zatitna vrata sa
centralnim
zakljuavanjem
B Visoko-naponska
zatita
E Pomona katoda
F Cev za pranjenje
G Protok gasa (meavina CO2/N2 i He)
H Laserski snop
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
39
Proces elektrinog pranjenja koji se odvija u cevi podie temperaturu gasne meavine.
Poznato je da je proces nastanka laserskog snopa mogu samo na niim temperaturama, to znai
da bi na povienim temperaturama dolo do raspada gasnih molekula, a samim tim i do prekida
procesa, tj. do nastanka laserskog snopa. Iz tog razloga gas mora da cirkulie velikom brzinom,
to se postie korienjem gasnih kompresora koji se hlade posebnim kulerima. Velika brzina
protoka gasa znai da gas provodi manje vremena u cevi za pranjenje, a samim tim se i manje
zagreva, tako da zahteva manje hlaenja u odnosu na druge tipove lasera. Deo gasa se prilikom
cirkulacije kontnuirano zamenjuje novim gasom to omoguava nesmetano funkcionisanje
procesa nastanka laserskog snopa. Laserski snop se generie u 16 cevi za pranjenje u cilju
postizanja snage lasera od 5200 W. Cevi za pranjenje su postavljene u 2 nagnute ravni po 8
cevi, to se moe videti na slici 5.8. Krajnje i izlazno spojno ogledalo se montiraju na oba kraja
cevi za pranjenje koje zajedno sa horizontalnim i vertikalnim polarizovanim ogledalima ine
rezonator u kome nastaje laserski snop.
Slika 5.8 Rezonator
Na slici 5.9 prikazan je rezonator sa kompletnim sistemom izlaznih ogledala.
Slika 5.9 Rezonator sa sistemom izlaznih ogledala
A Vertikalno ogledalo
B Krajnje ogledalo
C Horizontalno ogledalo
D Izlazno spojno ogledalo
(polu-propusno)
A Konkavno teleskopsko ogledalo
B Polarizovano ogledalo
C Blenda (zatvara)
D Prednja ploa sa dva vertikalna ogledala
E Rezonator sa 16 DC cevi za pranjenje
F Krajnja ploa sa 4 horizontalana ogledala
G Izlazno spojno ogledalo
H Krajnje ogledalo
I Konveksno teleskopsko ogledalo
J Ogledalo za usmeravanje
K Ogledalo za usmeravanje
L ARC ogledalo
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
40
A Laserski snop iz
rezonatora
B ARC ogledalo
C Laserski snop
D Front talasa
E Ogledalo za usmeravanje
laserkog snopa na nosau
glave za seenje
F Soivo u glavi za seenje
G Radna povrina
Ogledala za usmeravanje laserskog snopa
Usmeravanje laserskog snopa van rezonatora vri se ogledalima sa mogunou
podeavanja odnosno ARC ogledalima (Adaptive Radius Control). Ova ogledala optimizuju
prenik laserskog snopa i obezbeuju skretanje laserskog snopa za 90, slika 5.10. Ogledalo je
konstruisano tako da obezbeuje konstantne optike parametre za razliite uglove skretanja
laserskog snopa. Povrina ogledala se savija uz pomo kontrolisanog pritiska vode, od
maksimalno 14 bara, ime se dobija eljeno zakrivljenje ogledala.
Slika 5.10 ARC ogledalo
Postoje dva naina rada ARC ogledala:
1. Konstantan prenik laserskog snopa preko cele radne povrine i konstantna gustina
laserskog snopa u inoj taci.
2. Variranje prenika laserskog snopa u zavisnosti od materijala koji se see, podeavanjem
parametara seenja.
Slika 5.11 ematski dijagram rada sa konstantnim prenikom laserskog snopa
A Odvodno crevo
B Dovod vode
C Podeavajue
ogledalo
D Senzor pritiska
E Odvodni ventil
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
41
Snaga lasera
Vreme
Snaga lasera
Vreme
MD reim
Impuls 1ms = const.
U cilju postizanja optimalnih parametara procesa neophodno je kontrolisati snagu lasera
u zavisnosti od konture predmeta obrade, brzine seenja i ostalih parametara, odnosno izabrati
odgovarajui reim rada laserskog modula.
U najveem broju sluajeva laser radi u reimu kontinuiranog talasa (CW - continuous
wave). esto nije samo dovoljno smanjiti snagu lasera u reimu kontinuiranog talasa, ve je
potrebno varirati snagu lasera menjanjem odnosa impulsa i pauza.
Za kompleksne oblike predmeta obrade i materijale koje se tee seku impulsni reim je
od posebnog znaaja.
Reimi rada laserskog modula
Ovaj laserski modul podrava sledee reime rada:
1. Reim kontinuiranog talasa (CW)
2. Reim modulacije (MD)
3. Impulsni - pulsni reim (NP)
Reim kontinuiranog talasa znai da laser za vreme procesa seenja radi kontinuirano sa
zadatom snagom.
Slika 5.12 Reim kontinuiranog talasa
Reim modulacije se moe koristiti samo kada je u funkciji CNC kontroler. U reimu
modulacije snaga lasera se menja u zavisnosti od kretanja glave za seenje (ubrzanje ili
zaustavljanje). Ovaj mod onemoguava pregrevanje materijala u uglovima i malim konturama.
Pri frekventnoj modulaciji, frekvencija se varira od 1 do 1000 Hz u funkciji od brzine kretanja.
Sa konstantnim impulsom trajanja 1 milisekunde omoguava podeavanja snage lasera prema
trenutnoj brzini lasera.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
42
Snaga lasera
Period 1/f
irina impulsa u ms
Vreme
Detalj X
MD frekventni reim
Slika 5.13 Reim modulacije
Impulsni ili pulsni reim se koristi kada je potrebno sei rupe malih prenika. Minimalni
prenik moe biti pola debljine lima, ( i kod prosecanja finih kontura).
Slika 5.14 Impulsni reim
5.3.4 Glava za seenje
U glavi za seenje se nalzi soivo koje fokusira laserski snop prema predmetu obrade. U
zavisnosti od vrste materijala koji se see bira se glava za seenje sa soivom odgovarajue ine
daljine.
A Skala pozicije fokusa
B Referentna pozicija za merenje pozicije fokusa
C ina daljina u inima
D Vijci za centriranje mlaznice
E Prsten za podeavanje pozicije fokusa
F Vijak za blokiranje prstena za podeavanje
G Skala na prstenu za podeavanje
H Prikljuak
I Element za fiksiranje
J Mlaznica
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
43
Slika 5.15 Glava za seenje
U cilju postizanja optimalnih rezultata seenja u zavisnosti od debljine materijala kod
seenja je mogue koristiti glavu za seenje koje ima soivo ine daljine 5 ili 7,5 . Na slici
5.16 su prikazane pomenute glave za seenje.
Soivo
Slika 5.16 ina daljina
U tabeli broj 4. su date karakteristike laserskog snopa u zavisnosti od poloaja ie.
ina daljina 5 ina daljina 7.5
Mali prenik ie Veliki prenik ie
Veliki intenzitet snopa u ii Manji intenzitet snopa u ii
Vee brzine seenja kod tanjih limova Manje brzine seenja kod tanjih limova
Deblji limovi ne mogu biti seeni Vee brzine seenja kod debljih limova
Uzan rez iri rez
Soivo blie radnom komadu Soivo udaljeno od radnog komada
Fin rez Hrapav rez
Tabela 4. Poloaj ie
U odnosu na poloaj laserskog snopa na glavi se postavlja mlaznica koja se centrira uz
pomo dva vijka. Mlaznica usmerava pomoni gas ka radnom komadu. Za vreme procesa
seenja pomoni gas izduvava rastopljeni materijal iz zone seenja ime se spreava oteenje
soiva, spreava se da rastopljeni materijal ponovo ovrsne i predhodno iseeni predmet obrade
zavari i spreava vezivanje ljake sa zadnje strane reza.
Oblik i prenik mlaznice koje se montira na glavi za seenje zavisi od:
tipa materijala,
debljine materijala,
procesa seenja.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
44
Slika 5.17 Mlaznica
U zavisnosti pomenutih parametara bira se mlaznica koja moe biti za normalan ili visok
pritisak, slika 5.18.
Mlaznice za normalan
pritisak
Mlaznice za visok
pritisak
Slika 5.18 Tipovi mlaznica
Nosa glave za seenje
Nosa glave za seenje se nalazi na pokretnom mostu koji omoguava kretanje glave za
seenje preko radnog komada u pravcu Y ose, slika 5.19. Laserski zrak se usmerava sa Y ose
prema X osi pomou ogledala montiranih na pokretnom mostu.
Slika 5.19 Pokretni most
A Mlaznica
B Ploa
A Pokretni most
B Nosa glave za seenje
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
45
Sam nosa glave za seenje omoguava pomeranje glave za seenje u pravcu X ose kao i
vertikalno pomeranje u pravcu Z ose.
Slika 5.20 Nosa glave za seenje
Podeavanje poloaja glave za seenje po Z osi je veoma znaajno u procesu seenja jer
obezbeuje konstantan razmak izmeu mlaznice i predmeta obrade ak i kada predmet obrade
nije ravan.
5.3.5 Radni sto
Radni sto ove laserske maine sastoji se od dve reetke za prihvat radnih komada i
pogonske jedinice. Zamena reetki na radnom stolu se moe vriti automatski nakon zavretka
zadatog plana seenja ili runo pritiskom na odgovarajue dugme. Ovaj sistem omoguava
proces seenja materijala na jednoj reetki dok je na drugoj mogue vriti pripremanje
materijala za sledee seenje.
A Razvodna kutija
B Podeavanje hlaenja
mlaznice
C Nosa glave za seenje
D Pomeranje po Z osi
E Crossjet
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
46
Slika 5.21 Radni sto sa izmenjivim reetkama
Reetke slue za pridravanje radnog komada u toku procesa seenja. Mogu biti
napravljene od razliitih materijala. Bakar se pokazao kao najpogodniji za tu namenu jer reetke
napravljenje od ovog materijala traju najdue, a i ljaka se najlake skida sa reetaka
napravljenih ba od ovog materijala.
Slika 5.22 Reetke za tanje i deblje limove
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
47
6. EKSPERIMENTALNA ISPITIVANJA
Eksperimentalna istraivanja imala su za cilj da se utvrdi uticaj parametara obrade na kvalitet rezanja kod laserskog seenja. Ispitivani su uticaji snage lasera, brzine razanja, pritisak pomonog gasa i poloaja zie odnosno fokusa lasersog snopa kao i debljine materijala na kvalitet obraene povrine.
Na slici 6.1 prikazani su uticajni parametri kod obrade laserom.
Slika 6.1 Parametri laserske obrade
Snaga laserskog zraenja. Najvanija karakteristika kojom se vri procena laserske maine je snaga laserskog zraenja. Poto je lasersko seenje toplotni proces, koliina proizvedene toplote je uticajni faktor od koga zavisi sposobnost lasera za seenje. Uzimajui da su ostali parametri isti, poveanje snage laserskog zraenja omoguuje seenje debljih limova i poveanje brzine rezanja. Dobijanje stabilnog izlaza laserskog zraenja (prostornog i vremenskog) predstavlja kljuni faktor za primenu lasera u tehnologiji obrade materijala. Pod stabilnim laserskim izlazom podrazumeva se stabilnost snage, stabilnost moda i stabilnost koncentrisanja energije.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
48
Brzina rezanja je drugi po znaaju parametar za lasersko seenje. Moe biti odreena eksperimentalno odreenim formulama u kojima figuriu gustina snage lasera i osobine materijala koji se see. Vie parametara utie na brzinu rezanja: snaga lasera, mod, veliina svetlosne mrlje, vrsta i debljina materijala radnog predmeta, inicijalne energije topljenja i
isparavanja itd. Uzimajui u obzir kvalitet reza i posmatrajui brzinu rezanja u funkciji od debljine materijala radnog predmeta moe se definisati oblast upotrebljive brzine rezanja koja je ograniena donjom i gornjom graninom krivom. Izvan ove oblasti je oblast nepotpunog seenja. Unutar oblasti upotrebljivih brzina rezanja promenom brzine rezanja vri se promena kvaliteta reza (pojava i veliina ljake, hrapavost itd.). Kao maksimalnu brzinu rezanja uzimamo vrednost iznad koje dolazi do nestabilnosti obrade. Ova nestabilnost se manifestuje u pojavi neravnih
rezova, ljake i dr.
Poloaj ie soiva za fokusiranje u odnosu na povrinu obradka (defokusacija). Varijacija
poloaja ie u odnosu na povrinu radnog predmeta pokazuje razliitu karakteristiku na kvalitet reza. Zavisno od vrste materijala i debljine obratka ia se pozicionira na ili neznatno ispod povrine obratka.U toku procesa laserskog seenja ia soiva za fokusiranje snopa laserskih zraka mora biti stalno pozicionirana u odnosu na povrinu obratka kako bi se obezbedili najbolji efekti seenja.
Pomoni gas. Gas se u zonu obrade dovodi kroz obradnu glavu pri emu mora biti koaksijalan sa fokusiranim laserskim zrakom. Korienjem gasa za produvavanje rastopljeni i ispareni materijal ranog predmeta lake se odvodi iz zone rezanja, to direktno utie na istou i kvalitet reza. Pored toga, rastopljeni materijal ne moe ponovo da ovrsne i prethodno iseeni radni predmet zavari. Korienjem gasa za produvavanje takodje se spreava vezivanje ljake sa zadnje strane reza, a sama brzina rezanja se moe poveati do 40%. Zadatak pomonog gasa je i da u procesu seenja zatiti soivo od isparenog i otopljenog materijala radnog predmeta. Komprimovani vazduh ili inertni gas se koriste za odstranjivanje rastopljenog i isparenog
materijala iz zone rezanja produvavanjem kod nemetala i organskih materijala pri emu se umanjuje pojava gorenja. Za veinu metala koristi se reaktivni pomoni gas, kiseonik, jer pomae egzotermnu reakciju. Upotrebom kiseonika kao pomonog gasa poveava se ukupna energija upotrebljena u procesu seenja tako da je mogue poveati brzinu rezanja za 2540% u odnosu na brzine rezanja kod kojih je vazduh pomoni gas. Ovo je mogue iz dva razloga:
prvi i vaniji je dodatna energija koja se dobija egzotermnom reakcijom, drugi razlog je stvaranje sloja oksida na povrini radnog predmeta. Ovaj sloj oksida poveava apsorpciju laserskog zraenja.
Pored vrste pomonog gasa istoa pomonog gasa je od jako bitnog uticaja na parametre obrade i kvalitet reza. Zavisnost brzine rezanja od istoe kiseonika je od ogromne vanosti u industrijskoj primeni jer degradacija kvaliteta kiseonika od 2% dovodi do smanjenja brzine
rezanja i do 50% a i do drastinog pada kvaliteta reza.
Pritisak pomonog gasa utie na brzinu rezanja brzinom odnoenja rastopljenog i isparenog materijala i na pojavu nastanka ljake po ivicama reza. Pritisak se smanjuje ako se poveava debljina radnog predmeta ili ako se smanjuje brzina rezanja.
Pri delovanju laserskog zraenja na radni predmet dolazi do stvaranja raznih isparenja koja se u osnovnom stanju ili sjedinjena sa esticama atmosferskog vazduha mogu deponovati na optikim povrinama elemenata za fokusiranje. Time se smanjuje njihova optika propusnost za lasersko zraenje. U sluajevima kada je nataloeni sloj veliki, lasersko zraenje moe na njega delovati kao na materijal radnog predmeta, a kako se on nalazi na samom soivu, izazvae oteenja. Vee estice isparenog ili rastopljenog materijala koje se nekontrolisano rasprskavaju mogu izazvati trajno oteenje optikih elemenata. Mlaz gasa koji se produvava neposredno ispred soiva titi ga od oteenja.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
49
Pri laserskoj obradi poluprovodnikih-elektronskih komponenti produvavanje gasom koristi se i za hladjenje radnog predmeta, to je u ovom sluaju veoma vano.
Ispitivanja realizovana u okviru ovog rada su vrena na laserskoj maini Bystronic Bystar
3015 u preduzeu "Metal sistemi - procesna oprema" u Kragujevcu. Karakteristike ove maine su detaljno opisana u prethodnom poglavlju.
Materijal predmeta obrade je 0361(S235 JRG2), njegove karakteristike su prikazane u tabeli 5.
Materijal Hemijski sastav Mehanike osobine
S 235 JRG2
(0361) C0,17% Mn1,4%
Re235 N/mm2 Si 0,03 - 0,30% P, S 0,045%
Tabela 4. Karakteristike materijala
Realizovana ispitivanja su se odnosila na utvrivanju uticaja parametara laserskog seenja na kvalitet dobijenih povrina reza kod materijala 0361 debljina 2, 3 i 4 mm, pri variranju parametara: brzine pomonog kretanja i snage lasera.
Merenje hrapavosti vreno je na mernom sistemu Talysurf 6. Merni sistem slui za merenje karakteristika mikrogeometrije kontaktnih povrina prikazan na slici 6.2. Ureaj je kompjuterizovan i ima irok spektar mogunosti kao to su:
merenje osnovnih i dopunskih parametara hrapavosti i valovitosti,
statistika obrada rezultata merenja parametara hrapavosti,
prikazivanje rezultata na ekranu, njihovo memorisanje, tampanje i crtanje,
prostorno skeniranje povrine.
Korienjem ovog mernog sistema dobili smo vrednosti parametara mikrogeometrije povrine obraenog materijala.
Slika 6.2 Ureaj za merenje hrapavosti Talysurf-6
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
50
6.1 Uslovi ispitivanja
Ispitivanje je izveno variranjem parametara i to:
Snaga lasera (KW): 3.375 5.085
Brzina (mm/min): 1650 2750
Pritisak pomonog gasa O2 (bar): 0.5
Fokus: - 1,0 mm Prilikom ispitivanja seeni su delovi dimenzija 25 x 25 mm.
Rt1 - Rt5, m Maksimalne visine profila na referentnimduinama, na duini ocenjivanja
Ra, m Srednje aritmetiko odstupanje profila na duini ocenjivanja
Rq, m Srednje kvadratno odstupanje profila na duini ocenjivanja
Ry, m Maksimalna visina profila, maksimalna Rti vrednost
Rtm, m Srednja Rti vrednost
Rv, m Najvea dubina udubljenja profila
Rp, m Najvea visina ispupenja profila
Sm, m Srednji korak ispupenja profila
q, o Srednji kvadratni ugao nagiba profila
Rsk Koeficijent asimetrije profila, mera simetrije krive raspodele amplituda
Rku Kurtosis, mera zaotrenosti krive raspodele amplituda
S, m Srednji korak lokalnih ispupenja profila
R3z, m Srednja vrednost rastojanja treeg po visini ispupenja i treeg po dubini
udubljenja na referentnoj duini profila
Rpm, m Srednja vrednost Rpi odreenih na referentnim duinama
R3y, m Najvee rastojanje treeg po visini ispupenja i treeg po dubini
udubljenja na referentnoj duini.
Tabela 6. Parametri topografije povrine koji se mere korienjem Talysurf-6
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
51
Rezultati merenja parametara topografije prikazani su na sledeoj tabeli:
S (S=2mm)
Uzorak 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Rt1 16,9 13,8 22 33 39 62 30 34 40
Rt2 14,2 12,7 29 35 30 30 42 40 25
Rt3 13,9 13,7 22 22 27 33 40 52 36
Rt4 12,4 10,8 20 22 48 26 39 46 32
Rt5 15,8 14,9 31 30 34 22 35 32 26
Ra 3,04 2,87 5,2 5,6 7,4 7,7 7,6 7,7 6,1
Rq 3,86 3,52 6,2 7,0 9,5 10,2 9,3 9,4 8,7
Ry 16,9 14,9 31 35 48 62 42 52 40
Rtm 14,7 13,2 25 28 36 35 37 41 32
Rv 8,4 7,2 15 16 19 23 20 23 17
Rp 13,8 10,0 20 20 29 38 23 29 32
Sm 144 171 165 183 260 249 224 238 306
q 11,2 7,4 13,7 14,9 15,5 15,9 17,5 17,3 14,6
Rsk 0,2 0,3 0,2 0,2 0,4 0,7 0,2 0.4 0,4
Rku 3,4 2,7 2,5 2,8 3,1 4,2 2,4 2,8 3,8
S 76 91 86 89 217 208 173 222 186
R3z 9,5 6,4 16 18 0 0 22 0 0
Rpm 9,6 8,0 13 15 22 22 19 23 22
R3y 11,3 8,9 20 24 0 0 23 0 0
S (S=3mm)
Uzorak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rt1 10,1 - 54 14 20 14 19 24 24 10
Rt2 11,8 - 55 15 22 17 23 29 30 14
Rt3 13,9 - 36 20 23 13 27 25 30 29
Rt4 15,8 - 42 13 28 13 14 22 15 32
Rt5 13,4 - 60 11 24 17 34 25 30 22
Ra 2,47 - 12,5 3,3 6,1 3,5 4,8 5,6 6,3 4,7
Rq 3,13 - 14,9 4,1 7,3 4,4 6,1 6,8 7,7 6,3
Ry 15,8 - 60 20 28 17 34 29 30 32
Rtm 13,0 - 49 15 24 15 23 25 26 21
Rv 6,1 - 32 11 19 12 19 13 18 16
Rp 9,7 - 36 10 17 11 15 17 20 18
Sm 230 - 253 281 335 292 306 217 483 385
q 7,0 - 21,8 7,6 10,7 7,7 9,9 13,0 8,8 8,1
Rsk 0,5 - 0,3 0,2 -0,1 -0,3 -0,5 0,1 -0,3 0,2
Rku 2,9 - 2,3 2,7 2,3 3,0 3,4 2,2 2,5 3,6
S 80 - 213 96 96 95 98 121 104 80
R3z 6,5 - 0 7 10 7 10 14 9 10
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
52
Rpm 8,1 - 26 6 10 7 12 13 14 10
R3y 8,5 - 0 9 14 11 14 19 14 17
S (S=4mm)
Uzorak 1 2 3 4 5 6 7 8 9a 9b 10
Rt1 89 35 44 30 22 29 33 35 3,9 108 105
Rt2 54 66 71 11 25 30 45 49 7,2 85 111
Rt3 92 54 49 14 24 38 56 77 7,2 98 128
Rt4 98 81 77 11 22 56 52 83 7,8 86 117
Rt5 49 21 39 20 28 49 55 72 6,0 90 110
Ra 20,7 11,9 13,0 3,6 5,4 9,3 9,7 15,4 1,67 25,2 34,8
Rq 25,2 15,9 17,6 5,0 6,9 11,6 12,7 20,2 2,04 29,6 38,9
Ry 98 81 77 30 28 56 56 85 7,8 108 128
Rtm 76 52 56 17 24 40 48 73 6,4 94 114
Rv 65 37 4,0 14 14 26 23 64 4,4 66 72
Rp 38 44 43 16 19 30 35 35 5,2 42 57
Sm 1005 790 842 358 806 482 783 735 680 969 801
q 15,3 12,1 12,6 5,8 5,6 8,6 5,5 16,8 2,4 17,7 22,1
Rsk -0,5 0,4 -0,3 -0,2 0,4 0 0,5 -0,9 0,4 -0,6 -0,2
Rku 2,7 3,3 3,1 4,0 2,7 2,9 3,2 3,5 2,5 2,1 1,6
S 233 289 455 125 225 201 367 233 59 419 239
R3z 0 0 0 5 0 0 0 4,6 0 0 0
Rpm 32 28 32 9 14 19 29 27 3,3 35 52
R3y 0 0 0 10 0 0 0 0 6,5 0 0
Tabela 7. Rezultati merenja
Nakon merenja parametara topografije povrina, izvrena je izrada fotografija svih dobijenih uzoraka. Ova merenja su imala za cilj utvrivanje uticaja reima laserskog rezanja na oblik linija reza.
U narednom delu teksta prikazani su parametri topografije pri obradi lima, profili
topografije povrina i fotografije dobijenih povrina za svaki eksperiment ponaosob.
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
53
Eksperiment
2.1
S=2mm
v,
mm/min
P, KW Ra,
m
Rtm,
m
5600 1,2 3.04 14.7
Slika 6.3 Uslovi eksperimenta 2.1 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0
10
20
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Slika 6.4 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.1
Eksperiment
2.2
S=2mm
v,
mm/min
P, KW Ra,
m
Rtm,
m
5600 1,2 3.04 14.7
Slika 6.5 Uslovi eksperimenta 2.2 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0
10
20
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
54
Slika 6.6 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.2
Eksperiment
2.3
S=2mm
v,
mm/min
P, KW Ra,
m
Rtm,
m
4000 0,8 5,2 25
Slika 6.7 Uslovi eksperimenta 2.3 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0
10
20
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Slika 6.8 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.3
Eksperiment
2.4
S=2mm
v,
mm/min
P, KW Ra,
m
Rtm,
m
4000 1,6 5,6 28
Slika 6.9 Uslovi eksperimenta 2.4 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0
10
20
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
55
Slika 6.10 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.4
Eksperiment
2.5
S=2mm
v,
mm/min
P, KW Ra,
m
Rtm,
m
4000 1,2 7,41 36
Slika 6.11 Uslovi eksperimenta 2.5 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0
10
20
30
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Slika 6.12 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.5
Eksperiment
2.6
S=2mm
v,
mm/min
P,
KW
Ra,
m
Rtm,
m
3500 1,2 7,7 35
Slika 6.13 Uslovi eksperimenta 2.6 i izgled povrine uzorka
Diplomski rad Mainski fakultet - Kragujevac
56
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Slika 6.14 Topografija povrine uzorka eksperimenta 2.6
Eksperiment
2.7
S=2mm
v,
mm/min
P,
KW
Ra,
m
Rtm,
m
3000 1,2 7,6 37
Slika 6.15 Uslovi eksperimenta 2.7 i izgled povrine uzorka
Duzina profila , mm
Vis
ina n
era
vnin
a ,
m
-20
-10
0