1. Lézer [1];[2]

 

Manapság az a szó, hogy lézer már nem nagy újdonság. Mindenki ismeri, mindenki találkozott vele, mindenki alkalmazza, életünk részévé vált. Már a gyerekek is „lézerkardokkal” játszanak.

A lézertechnika hatalmas fejlődésen ment keresztül a kezdetek óta. Ma már nem csak a tudományban, hanem a hétköznapi életünkben is teljesen beleivódott, ez alatt a majdnem fél évszázad alatt.

A lézer, az angol LASER szóból származik (fényerősítés kikényszeríttet fénykibocsátás útján).

Az első lézert az amerikai Maiman fejlesztette ki 1960-ban. A prototípus anyaga, amelyben a lézereffektus lejátszódott, rubinkristály volt. Gerjesztésként, pedig egy villanólámpa fényét használta.

 

 

1.1. A lézer legfontosabb tulajdonságai: [3]

A lézer tulajdonságai közül a szerintem 4 legfontosabbat emeltem ki.
 

§        Az egyszínűség: a lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen f frekvenciájú (vagyis egyetlen hullámhosszú) összetevőből áll. A lézerek spektrális félérték szélessége  kisebb, mint 4nm. Tehát a lézer színe nagyon monokromatikus.

§        Koherencia: a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos. Ez lehetővé teszi nagy úthossz-különbségek esetén is alkalmas interferencia létrehozására.

§        A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb (jól szemléltethető vele a fénysugár). Azt is mondhatjuk, hogy a kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó.

§        Divergencia: a lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel (kisebb, mint 10-3 radián). A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban, így a lézerfény teljesítménysűrűsége a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.

 

1.2. A lézerek fajtái:  [Csillag(1987)] és [Harry(1979)]

 

§        Szilárdtest lézer: a fényerősítő közeg optikailag jó minőségű kristály vagy üveg. Példa erre a típusra a rubin lézer, amely a legrégebben feltalált koherens fényforrás. Ez a rubin kristály, mindenki számára ismert ékszer. A rubin az alumínium oxid (zafír) kristályos alakja, amelyet pontos mennyiségű krómmal egyenletesen szennyeznek, és ez adja a lézer mélyvörös színét. A másik szilárdtest lézer, amit meg kell említeni a Neodímium lézer. A befogadó anyag a YAG (ittrium - alumínium - gránát), amit Nd ionokkal szennyeznek. Ezzel megvalósítható folyamatos és impulzusos lézerműködés is.

 

§        Gázlézer: a fényerősítő közeg gáz vagy gőz.
Hélium – neon lézer a legelterjedtebb típus, mely különböző hullámhosszokon is működhet, de általában a 630 nm – es élénkvörös változatát használják. Gerjesztésére izzókatódos, alumínium ill. cirkonium hidegkatódos folyamatos axilális kisüléssel történik.


Argon lézer egy nemesgázion lézer, amelynél egyenáramú kisülést használnak gerjesztésre. Teljesítménye az előzőnél sokkal nagyobb, viszont felépítése is bonyolultabb. Még a látható, de már a közeli ultraibolya tartományban sugároz.


Szén-dioxid lézer: ez a molekuláris lézerek csoportjába tartozik. Rendszerint hidegkatódos emisszióval gerjesztik, a hélium – neon lézerhez hasonló módon. A gázkisülés alkalmával sokkal több N2 molekula gerjesztődik, mint CO2. Ezek a molekulák metastabil gerjesztett állapotban feldúsulnak, majd ütközéssel átadják energiáját a CO2 molekuláknak.

 

§        Félvezető lézer: néha injekciós lézernek is nevezik. Félvezető anyagokról kimutatták, ha villamos teret kapcsolunk rájuk, lézeres tulajdonságokkal rendelkeznek. Jellemzőjük, hogy igen kicsik és árammal vezérelhetők. Például ilyen félvezető lézer a galliumarzenid (GaAs), melynél már szobahőmérsékleten kimutatható lézerműködés.

 

§        Festék lézer: Sok szerves vegyület fluoreszenciája igen erős, mely alkalmassá teszi őket lézeranyagok céljára. Nagy teljesítményű, széles sávban változtatható hullámhosszúságú lézereket lehet készíteni. Gerjesztésükre más lézereket is lehet alkalmazni.

§        Egyéb lézerek: az előző csoportosítás a fontosabb lézertípusokat tartalmazza. Ebbe a csoportba a kevésbé ismertek tartoznak. Például a keresztirányban gerjesztett xenon impulzus lézer. 

 

2. A lézerek alkalmazásai: [Csillag(1987)]

 

Ennél a pontnál az életben használt lézerekre hoznék egypár példát, mellőzve az ipari alkalmazásokat.

 

2.1. Gyógyászat

 

Az orvosi gyakorlatban nagyon sok helyen alkalmazzák a lézertechnikát. Most csak egy párat említenék.

 

§        A plasztikai sebészetben [10] a nagy fókuszálhatóságnak köszönhetően terjedt el. Lézeres kezelésekről tudni kell, hogy csak akkor marad heg nélküli a vágás, ha nem éri el a bőr legalsó rétegét. A kezelések során alkalmazni kell érzéstelenítést, mert nem fájdalommentes a beavatkozás.

 

§        A lézerek a szépségápolásban [6] hódítanak nagy sikerrel. A látható testrészeken lévő kellemetlen anyajegyek, sérülések, bibír csókok korrekciójában használják előszeretettel.

 

§        Szemműtétek:[4] lézeres szemoperációk mára már teljesen elfogadottak. Az emberek köre két csoportra bonthatók éleslátás tekintetében közel és távollátók. Ezt egyszerűen szemüveggel vagy kontaktlencsével tudjuk élesre állítani. A lézeres műtéteknél a szaruhártyából vágnak le egy darabot és, mint egy lencsét helyezik vissza. Nagyon jó eredményei vannak ezeknek a műtéteknek.   

 

2.2. Szépségápolás [6];[8]

Hoznék pár példát, hogy milyen területeket érint a lézeres kezelés:

 

§        Epilálás
Rubin lézeres epilálás alapja, hogy a sugár csak a sötétszínű festékekben nyelődik el. Ha a nagy fényelnyelő képességgel rendelkező sötét tüszőket, megfelelő energiával rendelkező fénysugárral megvilágítjuk, azok hirtelen hőmérséklet emelkedéssel reagálnak és a szőrtüszők elhalnak.
 A szőrteleníteni kívánt felületen a fénysugár nyomtalanul áthalad, a sötét szőrtüszőkben elnyelődik.
A lézeres kezelés tartós, a szőrtüszők végleg elhalnak. Többszöri kezelésre azért van szükség, mert a bőrben vannak még nyugvó fázisban lévő szőrtüszők. Ezeknek az eltávolításához kell több kezelés.
Ezek a kezelések higiénikusak, nem járnak fertőzés veszéllyel. A gyantázásnál jóval kevesebb kellemetlenséggel jár.

 

§        Tetoválások eltávolítása: A rubin lézer készülékek képesek magasabb energia tartományban dolgozni, úgy nevezett Q-switch üzemmódban. A kezelés után nem keletkezik heg, a tetoválás nyomtalanul eltűnik.

A sugár a sötétszínű tetováló rétegekben felbontja a festékben lévő kettős kötéseket. Kezelés során a festék színtelenné válik és a fehérvérsejtek számára is elérhető lesz.

 

§        A szeplők eltávolítása:

A szeplők eltávolításának az elmélete ugyanaz, mint a tetoválások eltávolításáé. A különbség, hogy a kezelés során alkalmazott energia tartomány jóval kisebb, mint az előzőben említettnél használt.
E kezelés is tartós hatást eredményez, bár erős napozás esetén kis mértékű lehet a szeplősödés.

 

2.3. Haditechnika

Először talán a sci-fi filmekből jól ismert lézerfegyverek jutnak eszünkbe.

A lézerfegyvereket elsősorban légvédelmi célokra használják.

 

§        Védelem[5]
A mai, kis hatótávolságú, földi légvédelmi rendszert Nagy Energiájú Harcászati Lézernek nevezik.
Ezeknek a fegyvereknek a tesztelésekor, kilőnek egy robbanófejjel ellátott rakétát. Mérföldekkel arrébb, egy kis idő múlva radarral befogják a rakétát, és a fegyver a levegőben felrobbantja a robbanófejet. A sugár a robbanófejre volt irányítva.
 A sugár által hordozott nagy energiát nagy távolságokra el lehet jutatni, anélkül, hogy az ereje csökkenne, így mozgó célpontot is fel lehet hevíteni. Ezek a fegyverek méretileg elférnek egy kamionon, így nagy távolságokra eljuttathatók.

§        Bombázás[4]
Bombázáskor a célpont kijelölésre lézerfényt használnak. A kijelöléshez meg kell közelíteni a célpontot, és mint egy célkeresztet megvilágítják. A  hordozó repülő elektronikája érzékeli a jelet és méteres pontossággal ledobja a bombát a kívánt célpontra.  

 

2.4. Látvány technika[7]

A lézer által kivetített képek nagyon kedveltek, sokan művészetnek tartják. A fiatalok nagyon jól ismerik, mert ha elmennek egy szórakozóhelyre, biztosan találkoznak vele. A látvány technikáról beszélve meg kell említeni Gábor Dénest, kinek a nevéhez a hologram fűződik.

A hologram elve:

 

Ha megvilágítunk egy tárgyat, akkor a Huygens - elv szerint annak minden egyes pontja másodlagos hullámforrássá válik, elemi gömbhullámok indulnak ki belőle. A tárgytól elég kis távolságban, ugyanabban az időpillanatban az egyes elemi hullámok hullámfrontjai az őket létrehozó másodlagos forrásoktól azonos távolságra helyezkednek el, vagyis az összes elemi hullámot beburkoló eredő hullámfront a tárgy alakjáról hordoz információt, ahhoz hasonló.

A tárgyról kiinduló hullámok információt hordoznak a tárgy felületéről

1. ábra Hullámfront

 Ha a tárgy felületén kisebb egyenetlenségek vannak, akkor a tárgytól nagyobb távolságban egyszerű geometriai okok miatt a hullámfront valamelyest kisimul és kisebb szeletei már síkhullámnak tekinthetők.
Ez a változás azonban csak a burkoló hullámfront alakját érinti, nem jelent információveszteséget, a hullámfront továbbra is arra és csakis arra a tárgyra lesz jellemző, amelyről a fény kiindult. Ez a hullám tulajdonképpen a forrásától függetlenül halad tovább.
Ha valamilyen ok miatt már nincs "mögötte" a tárgy, de a hullám a szemünkbe jut, ott a kép akkor is létrejön, látjuk a tárgyat. (Persze a fénysebesség nagysága miatt csak igen szoros időtartamon belül.) A holográfia lényege éppen ebben rejlik. Ha egy eljárással sikerül a tárgyról kiinduló hullámot egy adott helyen rögzíteni, és később "újraéleszteni", a hullám ugyanúgy halad tovább, mint azelőtt, és ugyanolyan érzetet is kelt.

3. Ipari alkalmazások [Horváth(2002)]

 

Az iparban most már számos helyen használnak lézer technológiát. A következőkben röviden szeretném ismertetni, ezeknek pár fajtáját. A lézeres vágást és fúrást a későbbiekben ismertetem)

1. Táblázat Lézer alkalmazások

Lézer típusok

Teljesítmény

[W]

Üzemmód

Alkalmazási terület

Excimer lézer

193 nm\248 nm

6 ..7

5×10-3×10

Impulzus

15-30 ns

Anyagleválasztás, karcolás, fotokémia

Megm., spektroszkópia

He-Ne lézer

632.8 nm

<1

folyamatos

Méréstechnika

Rubin lézer

693 nm

 

4  ..4

1*10-4*10

100-200

Impulzus

1-10 ms

folyamatos

Fúrás

Nd-YAG

1060 nm

10   6

500

Impulzus

10 ns

folyamatos

Fúrás, finomhegesztés

CO2 lézer

10.6 nm

3

5*10 .

4

0.5.2.2*10

Impulzus

5

1-10 ns

 

Vágás, hegesztés ,fúrás, felületi kezelés, stb.

 

3.1. Metrológia [Harry(1979)]

 

A lézerek elterjedése a méréstechnikában azért volt nagyon gyors, mert érintésmentesen dolgozhatunk vele. Más technikákkal szembeni előnyei még a monokromatikusság, koherencia, kis divergencia, melyek széles körű alkalmazást és nagy pontosságot eredményeznek.

A hélium-neon lézert találták a legkedveltebbnek az alkalmazások során. Kis teljesítménye biztonságos, látható fényű, egyszerű felépítésű és kis költsége tette versenyképessé.

 

2. ábra Interferométer

Működési elve: valamely monokromatikus koherens fényforrásból jövő fénysugarat két nyalábra osztanak, majd egyesítenek oly módon, hogy az egyik, a mérendő felületre szerel tükörről visszavert fénynyaláb interferáljon a másik, egy referenciafelületről visszavert fénynyalábbal.
Az alkalmazásokat tekintve a szerszámgép kalibrálásoknál és a méret ellenőrzéseknél kezdődött az elterjedésük.

§        Távolságmérés
Az optikai távolságmérők időbontó módszereket alkalmaznak a visszavert fényimpulzus haladási idejének meghatározására, hasonló módon, mint a radart-technikában. Szokták ezért LIDAR- nak is nevezni.

3. ábra Trafipax

 

 

3.2. Lézer sugaras megmunkálások:

 

Laser Beam Machining, rövidítve LBM, a nagy energiasűrűségű eljárások közé tartozik. A lézersugárban rejlő hatalmas energia felhasználása mára nagyon széles körűvé vált.

A megmunkálás elve, hogy a villamos energiát fénnyé, majd pedig hő energiává alakítjuk.

A sugarat lencsék segítségével fókuszáljuk a megmunkálandó felületre. Az óriási energiasűrűség koncentrációja nagyon gyors hőmérsékletemelkedést hoz létre, melyen bármely anyag megolvad, elgőzölög.
Ipari használatban a szilárdtest-lézerek és a CO2 lézerek terjedtek el.

 

3.2.1. Lézeres stellitezés [Csanádi(2000)]

 

A technológia célja, hogy az alapanyagon nagyon kemény, kopásálló és korrózióálló réteget hozzunk létre.

 

Elve:
Az ötvöző anyagokat (Cr;C;W;Co) mikrométeres por formájában, védőgáz segítségével a felületre juttatunk. Ezeket a szemcséket a lézer ráolvasztja a felületre, úgy hogy az alapanyag és a kialakuló réteg között fémes kapcsolat jöjjön létre.

 

Előnyei:

·        Kisebb mértékű porozitás

·        Jó kohéziós kapcsolat az alapfém és a felvitt réteg között.

·        Kicsi a hő érintett zóna

·        Egyenletes tulajdonságú a felületi réteg

·        Jól automatizálható

·        Kicsi rétegek készítése is lehetséges

Hátrányai:

·        Berendezés igény

·        Nagy költségek

·        Fokozott munkabiztonság szükséges

 

Eredmény:
A lézeres stellitezés jobbnak bizonyult a hagyományos technológiáknál, viszont a költségei is magasabbak, ezért hosszútávú alkalmazásban gazdaságos.

 

3.2.2. Lézeres hegesztés [Takács(2003)]

 

A lézeres hegesztés alkalmas a legtöbb fém és fémes ötvözet hegesztésére. A hegesztésnek két fajtája ismeretes a hővezetéses hegesztés és a mélyhegesztés.

4. ábra Hegesztések


A lézersugarat az anyag felületére fókuszáljuk, ahol az energiájának egy része a felületben elnyelődik, a többi a környezetbe reflexál. Az érintett pontot felmelegíti, így az anyag megolvad, egy része elpárolog. A sugár belépési helyén az anyag plazma állapotba kerül.
A maximális hatásfok és minimális hő érintett zóna elérését a kis fókusz átmérő teszi lehetővé.

A lézer egy plazmacsatornát hoz létre, melyet megolvadt anyag vesz körül. Ez biztosítja, hogy a sugár energiája mélyebbre is eljusson. A plazma csatorna kialakulása és fenntartása a hegesztés feltétele.
A sugár tovább haladásakor az olvadt rész megdermed és teljes egészében összeheged.

Nagyon sok előnye van a lézeres hegesztésnek:

·        CNC vezérlés alkalmazása

·        Keskeny és mély varratok készítése

·        Nagy hegesztési sebesség

·        Kis hőhatás övezet

·        Hozaganyag nélkül is alkalmazható

·        Bármilyen hegesztési pozicióban használható

 

Hátrányai:

·        Az alkatrészek elő gyártásánál nagyon kicsi tűrés mezővel kell számolni

·        Nagyon költséges

 

4. A vizsgálatok célja:

 

A következőkben taglalt méréseimet azért végeztem, mert szerettem volna megbizonyosodni, hogy a különböző változtatott beállítások, milyen mértékű eltéréseket eredményeznek a fúrásoknál és vágásoknál.

A lézeres vágásról tudni kell, hogy a furat alakja nem a szokványos alakkal egyezik meg, hanem egy bizonyos, „tölcsér” alakot formáz.

Mérésem elsődleges célja, hogy meghatározzam, mekkora átmérő különbségek keletkeznek a forma miatt egy ilyen furat alaknál és ez változik–e, ha változtatom a furat nagyságot és az anyag vastagságot.

A lézeres vágással készített munkadarabok vizsgálatának középpontjában a vágás utáni utómegmunkálás és felhasználás kritériumai voltak.

Elsődleges kritériumom, a vágott darab érdessége, hogy igényel-e további megmunkálást vagy ezzel a technológiával készre gyárthatok-e.

Másodlagos vizsgálatom a hőhatás bevitele következtében felkeményedett anyag vizsgálata.

Keménységmérés és mikroszkópos vizsgálatok segítségével.

 

5. A vizsgálandó munkadarab elkészítése

§        Hogyan terveztem a fúrást?

A vizsgálataim elvégzéséhez a hitelesség megőrzése érdekében, úgy gondoltam, hogy több azonos átmérőjű furatra lesz szükségem. Egyazon anyagból kellene készíteni a megmunkálást, de jó lenne, ha ezek több különböző vastagságúak lennének. A vágásoknál alapjában véve a technológiát csak egy ponton változatva, mondjuk a vágósebességet készíteni el a darabokat.

 

·        Kiinduló alapanyag:

Az alapanyag három szabványos lemez:

4x60x1000
8x80x1000
10x100x1000
Az anyagok minősítése: S275JR

A minősítési lap a mellékletben.

 

§        Az elkészítés körülményei és eszközei

A munkadarab elkészítése Pécsen történt a Lemeztechnika Kft-nél.
A vágást és fúrást Trumpf L3030 2600 Watt teljesítményű gépen készítettem el.

 

A gép CNC vezérlésű. A programot külső számítógépen tervezik hozzá, mellyel elvégzi a feladatot. A munkadarabokhoz a programot a számítógép készíti a műszaki rajz alapján. A software felajánlja az optimális technológiai paramétereket A kezelő feladata a rajzok elkészítése és a program beállításainak felügyelete és a gyártási költségek megállapítása. A rajzok számítógépre viteléhez több fajta CAD programot használnak, melyek kompatibilisek a gyártó által adottal.
A gép mellé egy robot is volt telepítve, mely a lemez lapok pakolását végezte.

A vágatok készítésénél a gépkezelő megállította programot és manuálisan változtatta a vágósebességet.

A furatok készítésénél külső kontúrral dolgoztak, hogy lássam a beszúrás mértékét. A kontúrt a furatok nagyságától függően kellett állítani.

Az munkadarab elkészítésének jegyzőkönyvét mellékelem.
 

 

§        A kész munkadarabok:

Mindegyik lemezbe 3x3 furat került. Ezek mérete: 4-7-10 mm-es furatok.
A lemezekből 3 darabot levágtam különböző vágósebességgel. A sebességek: 100-80-60%.

A nagyobb vastagságú lemezeknél a furatokok szélén, az anyag fröcskölődése látszódik.

A vágásoknál szemmel látható, hogy nagyon érdes vágást kaptunk. A beállított vágósebességek csak a lemez szélétől 5 mm-re érvényesek.

6. Lézersugaras fúrás [Kodácsy(1995)]

 

A lézersugaras fúrás alkalmazása a nehezen megmunkálható ötvözetek és a nagyon kicsi furatok készítésénél terjedt el.

A fúrás megkezdésekor a sugár 1010 oC/s sebességgel hevíti fel a munkadarab felületét. A bevitt hőmennyiség elgőzölögteti az anyagot és mélyebbre hatol az anyagban. A furatban összegyűlik az elgőzölögtetett anyag és, ami a furat faláról válik le. Ez a reakció 10...100 MPa nyomást hoz létre a furatban. Ez a felgyülemlett anyag a nyomás hatására a hangnál gyorsabban lövell ki a furatból.

 

A legkisebb elkészíthető furat 0,005 mm átmérőjű, a legnagyobb furat mélység, pedig 23 mm. Zsákfuratok készítése csak különleges technikával oldhatók meg.

Az 1,2 mm-nél nagyobb furatokat temperálással ( körülvágással ) készítik. A megmunkálási idő szükséglete nagyon kicsi, mert például, egy 2,5 mm vastag kemény ötvözetből készített anyagba, egy 0,5 mm átmérőjű kör készítése 1..3 másodpercet vesz igénybe.

0,1…0,13 mm átmérőjű furatok készítése fémes anyagokba Nd:YAG lézerrel

 

Megmunkált anyag

Lemezvastagság

mm

Időszükséglet (min)

Teljesítmény-szükséglet

W

 

 

Oxigén

Levegő

Argon

 

 

 

segédgázzal

 

Rozsdaálló acél

3,05

1,46

1,33

3,69

31

Berillium

1,24

4,63

3,41

0,56

24

Al ötvözet

1,65

Nagyon nagy

0,99

0,28

31

Wolfram

0,84

0,32

0,27

1,34

31

Tantal

1,30

0,44

0,35

1,88

42

Vörösréz

2,54

1,63

1,01

Nagyon nagy

31

Mg ötvözet

3,12

Nagyon nagy

12,50

0,36

42

Urán

1,35

0,20

0,22

0,43

42

Furat készítése nem fémes anyagokba:

 

2. Táblázat Fúrás fémekbe

 

Fúrás jellemzői nem fémes anyagoknál:

3. Táblázat Fúrás nem fémekbe

Furat készítése nem fémes anyagokba

Megmunkált anyag

Az anyag vastagsága (mm)

A furat átmérője (mm)

Fúrási idő (ms)

Teljesítmény szükséglet (W)

Kerámia

0,15

0,18

0,8

75

Üvegszállal erősített expozit gyanta

1,6

0,76

250

200

Nylon

0,9

0,15

6

40

Polietilén lemez

0,5

0,38

20

50

Polipropilén cső

0,38

0,33

3

50

PVC lemez

0,5

0,25

10

50

Polisztirén lemez

0,33

0,25

5

50

Kvarc

0,38

0,76

150

350

Gumi

7,62

5

250

160

 

6.1. A mérés

 

A mérést MAHR PMC 800-as mérőberendezésen végeztem. A méretek vizsgálatához kamerás mérést alkalmaztam.

A méreteket a munkadarab tetejéről - ahonnan a sugár behatol - állapítottam meg. A furatokat 8 ponton mértem, az adatok számítására.

A méréseknél két jól elhatárolható vonalat különböztettem meg. A vonalak mélységének megállapítását az optika (élesség) állításával lehetet megtenni.

 

A következő méretek vizsgálatát folytattam le:

§        Bemeneti szélesség

§        Bemeneti átmérő

§        Legkisebb átmérő

§        A legkisebb átmérő mélysége

§        Hullámosság

§        Köralak hiba

 

6.2. Elvárásaim a furat alakjára vonatkozóan: [Kodácsy(1995)]

5. ábra Lézer fúrás

A furat bemeneti szakasza erősen kúpos, a bemeneti átmérő a furatátmérőnél 5..20 %-kal nagyobb.

A rajzon is mutatott visszadermedt kéreg vastagsága 0,03..0,25 mm is lehet.

 

Mérési korlátok:

A mérési eredmények pontossága növelhető lett volna, ha több furatot készítettem és több mérési ponton mértem volna., de a mérések nem voltak automatizálhatók, ezért a mérés nagyon sok időt vesz igénybe.

Egyes hibás mérési adatok nagyon elviheti a statisztikát, mert kevés volt a mért érték.

 

6.3. A mérési számadatok:

A mérési jegyzőkönyvet a mellékletben csatolom, melyből az adatokat kinyertem.

A 4.táblázatban szereplő adatok már átlagolt értékek, mert az azonos nagyságú furatok adatait átlagoltam:

 

4. Táblázat A furat adatai

 

Méret

4-es furat

7-es furat

10-es furat

Eredmények

4 mm vastag lemez

Bemeneti szélesség (mikron)

30,6

26,66

26,33

 

Bemeneti átmérő (mm)

4,24

7,23

10,237

 

Legkisebb átmérő (mm)

4,162

7,131

10,128

 

Átmérő különbség (mikron)

-78

-98

-108

-94,6

A legkisebb átmérő mélysége (mm)

1,763

1,878

2,163

1,934

48,35%

Hullámosság (mikron)

-

-

-

 

8 mm vastag lemez

Bemeneti szélesség (mikron)

62,3

58

37,66

 

Bemeneti átmérő (mm)

4,188

7,19

10,196

 

Legkisebb átmérő (mm)

3,948

6,956

9,797

 

Átmérő különbség (mikron)

-239,2

-233,6

-398

-290,2

A legkisebb átmérő mélysége (mm)

6,358

6,577

6,763

6,566

82,07%

Hullámosság (mikron)

20

19,33

31,66

 

10 mm vastag lemez

Bemeneti szélesség (mikron)

58,3

56,33

41

 

Bemeneti átmérő (mm)

4,159

7,103

10,140

 

Legkisebb átmérő (mm)

3,858

6,870

9,702

 

Átmérő különbség (mikron)

-301

-233

-438

-324

A legkisebb átmérő mélysége (mm)

9,730

9,617

9,581

9,642

96,42%

Hullámosság (mikron)

18

18

32

 

 

6.4. Kiértékelés:

A mérési eredmények alapján a következő keresztmetszetű furattal számolok, mely eltér a várt formától: Szövegdoboz: Mélység

6. ábra A furat formája

A mérés alapján 3 szakaszra bontanám a furat alakját:

·        Bemeneti szakasz: ez az a felső kúpos rész, amit leginkább a bemeneti szélességgel tudnék jellemezni. A felületet elérő lézersugár a közelében lévő részeket is megolvasztja és deformálja.

·        Kúpos szakasz: a mérésnél egy jól elhatárolható törésig próbáltam fókuszálni, amely a furat legkisebb átmérője. Ez a szakasz jellemezhető még ennek az átmérőnek a mélységével.

·        Kilövellési szakasz: növekedik az átmérő egy lapos íven keresztül, nem észlelhető egyenes kúposság. Ezen a részen a furatban nem lehetett jól elhatárolható vonalat, törést megállapítani, ebből következtettem az ív alakra. Itt kiszélesedik az átmérő a kilövellő fém hatására.

 

A furatok köralak hibája minden furatnál viszonylag azonos mértékű: 20 mikron

 

 

6.4.1. Az átmérő változások vizsgálata:

Ha lemezenként összeadjuk a furatok eltéréseit és átlagoljuk, a következő diagramot kapjuk:

7. ábra Lemezenkénti átmérő változás

Az elemzésen jól látszik, ahogy növekedik a lemez vastagság, úgy csökken a legkisebb átmérő, tehát nő a kúposság.

Ennek oka az lehet, hogy sokkal több megolvadt fém egyszerűen visszadermed a továbbtartó művelet hatására.

 

Ezt az elemzést tovább boncolgatva másképp is vizsgálhatjuk a furat átmérő változását:

8. ábra Furat átmérő változás lemezenként

 

 

A 8.ábrán ugyanazt az átmérőjű furatot vizsgáltam a 3 lemezen. A lemezvastagság növekedésével itt is észlelhető, hogy növekszik az átmérő eltérés és ez mindegyik furatnál fenn áll.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ezen a diagrammon egyes lemezek furatainak eltéréseit ábrázoltam:

9. ábra Furatokhoz hatása az átmérő változásra

 A 9. ábrán nem egyértelmű a változás növekedése, mert az egyes mérési eredmények, lehet hogy mérési vagy technológiai okok miatt nem megfelelőek a statisztikai eredmények.

 

6.4.2. A mélység vizsgálata:

10. ábra Egyes lemzek furatainak mélysége

 

A 10. ábrán látható, hogy lényeges eltérés nincs a mélységek között. Tehát a legkisebb átmérő a 4-es lemez vastagnál ugyanakkora, mint a 10-es lemeznél.

 

Következő 11.ábrán jól kitűnik, hogy monoton növekszik a furat mélysége, ahogy növelem a lemez vastagságot.

11. ábra Mélység alakulás vastagságonként

 

 

Az előző diagrammokból már jól látható, a lemez vastagság növekedésének hatása a legszűkebb átmérő helyzetére. Most lemezekre vonatkoztatva bemutatnám, hogy alakul a kúposság hossza a teljes vastagsághoz képest. Látszik, hogy a furatnövekedés nem befolyásolja a mélységet.

12. ábra Mélység arány a teljes szélességhez

 

 Elég nagy eltérés van a mélységek alakulása között. A vastagság növekedésével a mélység már szinte elérheti a teljes lemez szélességet.

 

6.5. Összefoglalás:

Megállapíthatjuk, a furat formája eltér a várt formától.

A lemez vastagság nagymértékben befolyásolja az átmérő különbséget és a legkisebb átmérő mélységét.

Az átmérő változás nagyban befolyásolhatja az utómegmunkálások szükségességét.

 

7. Lézervágás [Takács(2003)] [Kodácsy(1995)] [Horváth(2002)]

 

A mai napig ez a legnagyobb felhasználási területe a nagy teljesítményű lézereknek. A lézervágást első sorban lemezeknél alkalmazzák. Lézersugárral gyémánt is vágható, de jól használható nem fémes anyagoknál is.

A vágó berendezések CNC vezérlésűek és mostanra már 3D-s megmunkáló központokká fejlődtek.

 

Működési elve:

 

A nagy teljesítményű lézer sugarat a megmunkálandó felületre irányítunk. A sugárzás nagy részét az anyag elnyeli, ennek következtében felhevül. A felület meghaladja az anyag párolgási hőmérsékletét is, az anyag megolvad. A vágórésben lévő olvadék eltávolítására a sugárral együtt vezetett gázzal segítik elő.

13. ábra Lézer vágás

 

Lézeres vágásoknál a nagyon nagy befolyásoló tényező, az anyag vastagsága, mely számottevően változtatja a vágósebességet.

 

7.1. Érdességi vizsgálat célja:

Mint minden megmunkálás következtében, itt i kialakul a vágott felületen valamilyen érdesség. Ennek mértéke határozza meg az utómegmunkálás szükségességét, alkalmazásainak korlátait.

A vágósebesség állításával szeretnék valamilyen változást kimutatni az érdesség alakulásában.

 

7.2. Mérés:

A mérést Mitutoyo Surftest 201-es érdesség mérővel végeztem.

A leolvasó fejet mindig a próbatest közepére próbáltam beállítani.

Minden darabot egyszer mértem, kivéve ahol kitűnő eredményt kaptam.

Egy darabon megvizsgáltam a darab szélein is az érdességet.

 

A pontosabb eredmények érdekében minden darabot a lehető legtöbb keresztmetszet mellett kellett volna megmérni.

A mérési eredményeket a mellékletben csatolom.

 

Várt eredmények:

§        A lemez vastagság csökkenésével javul a felületi minőség.

§        A vágósebesség növekedésével csökken az érdesség.

§        Olyan érdességi értékek, amelyek egy simítási műveletnek felelnek meg.

 

7.3. Mérési számadatok:

A számításoknál az átlagos érdességet (Ra) vettem figyelembe.

 

5. Táblázat Érdesség eredmények

A mért Ra (mikron) értékek átlagolva

 

 

Vágósebesség

Átlagolt érdesség

 

 

100%

80%

60%

 

Lemez vastagság

10-es lemez

8,22

6,26

10,35

8,27

8-as lemez

4,06

11

9,78

8,28

4-es lemez

1,37

2,83

5,47

3,22

 

Átlagolt érdesség

4,55

6,69

8,53

 

  

7.4. Következtetés

 

A lemez vastagság csökkenésével jelentősen javul a felületi minőség.

 

14. ábra Vastagság hatása az érdességre

A kis lemez vastagságnál gyorsabb a vágási folyamat, nincs akkora hő bevitel, tehát nincs akkora deformáció. Ennek hatására javul a felületi minőség.

 

Most pedig vizsgájuk meg a vágósebesség oldaláról az érdességet. Ha átlagoltan ábrázoljuk, nagyon jól látszik, hogy a leggyorsabb, optimális sebességtől eltérni, mekkora érdesség növekedést jelent.

 

15. ábra Vágósebesség hatása az érdességre

   

 

Egy munkadarabon elvégeztünk egy olyan mérést, amikor a két szélén és a közepén mértük az érdességet. Meglepő módon, az anyag közepén volt a legrosszabb a minőség, míg mindkét szélén körülbelül azonos nagyságrendű. Lehetséges, hogy ahol a nyomás hatására megindul a kilövelés, letöredezett felület marad, mely minősége rosszabb, mint ahol az olvadt anyag távozik (bemenő rész), vagy ahol a közepéről kilépő szemcsék lecsiszolják a felületet (kilépő oldal)     

 

7.5. Összefoglalva:

§        A lézeres vágás a felületi érdesség alapján az ISO 1302 szerint az N7…N10 - ig tartományba esik. Az érdességi értékek félsimítás és nagyolás értékeinek felelnek meg.

§        Utómegmunkálás mellőzése csak nagyon vékony lemezek vágásakor lehetséges, mert ott jó lesz a felületi minőség.

§        A lemez vastagság növekedésével nő az érdesség.

§        A számított adataim sokkal pontosabbak lettek volna, ha több mérést végzek és a felületek több keresztmetszetében.

 

8. Keménységi vizsgálatok célja:

 

Ahol hő bevitel van ott valamilyen keményedés lép fel az anyagban. Ez a felkeményedés szűkíti az adott anyag felhasználhatóságát. Megváltoztatja a szövetszerkezetet, ezzel repedés keltő helyeket hozhat létre.

A vizsgálat során a felkeményedést és a hőhatás övezetet mértékét, nagyságát mértem.

A befolyásoló tényezők, mint anyag vastagság és vágósebesség különbség hatásainak kimutatása is cél volt.

 

8.1. Mérés

A próbatesteket metalográfiai gyorsdarabolóval elvágtam, majd műgyantába foglaltam és így készítettem el a csiszolatot, majd a polirozást és maratást.

A keménység mérést Vickers mikro keménység mérőgépen végeztem el.

Az idő hiányában nem tudtam megfelelő számú keresztmetszetben mérni a keménységeket.

Egy munkadarabon 5 mérést végeztem el a vágott éltől távolodva. Az egyik munkadarabon még az éllel párhuzamosan is mértem a keményedést.

A 10-es vastagságú 100%-kal vágott lemez metalográfiai vágásánál le kellett köszörülni a sorját a polirozáshoz, ezért ennél a darabnál ezt is figyelembe kell venni.

A mérés által kapott számadatok:

A lemez szélétől való távolság és a hozzá tartozó Vickers keménység.

 

8.2. Mérési számadatok:

A mért adatokat a 6. táblázatban mutatom be:

6. Táblázat Keménységi adatok

4-es lemez vastagság

8-as lemez

Vágó-sebesség

Távolság

Keménység

Vágó-sebesség

Távolság

Keménység

60%

0,07

263

60%

0,09

251

0,21

175

0,25

189

0,39

162

0,5

171

0,68

159

0,9

162

2

110

80%

0,012

257

80%

0,08

263

0,28

182

0,25

168

0,5

162

0,47

156

1

145

1,02

145

1,5

143

100%

0,1

234

100%

0,1

340

0,32

182

0,25

245

0,5

162

0,43

197

0,9

153

0,68

156

1,8

108

1,08

151

 

 

 

 

 

10-es lemez

Vágósebesség

Távolság

Keménység

60%

0,08

214

0,26

214

0,46

189

0,71

185

0,96

175

1,24

173

2

151

80%

0,05

276

0,21

189

0,39

175

0,67

153

1,17

151

100%

0,1

276

0,26

197

0,46

168

0,73

165

1,23

153

 

8.3. Következtetések:

Szeretném diagrammos formában bemutatni lemezenként a keménység alakulását:

16. ábra Keménység a 4-es lemeznél
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Jól látható, hogy a felkeményedett réteg kb. 0,1 - 0,2 mm-re van a vágott felülettől. A vágósebességek változtatása nem tűnik keménység befolyásoló tényezőnek.

A felkeményedés maximális értéke 263 HV, amely nagyon csekély, bár az alapanyag keménységének a kétszerese.

 

Vizsgáljuk a 8-as lemezt!

17. ábra Keménység a 8-as lemeznél

 

A felkeményedett réteg itt sem növekszik, bár a hő bevitel lényegesen nagyobb. A keményedés értéke maximálisan 273 HV - t mértem. Ez az érték nincs az alapanyag keménységének kétszerese.

 

 

 

 

 

 

 

 

A legvastagabb, a 10-es lemez:

18. ábra Keménység a 10-es lemeznél

A 18. ábrán látható, hogy a 10/100% felület a többihez képest meglehetősen kilóg, de ennek az oka lehet a felület köszörülése is.

A maximális keménység itt is csak 340 HV. A keményedett réteg vastagsága 0,2 – 0,3 mm-ig feltételezhető.


8.4. Összefoglalás:

§        A lézeres vágás nagyon kicsi hő bevitellel jár. A hőhatás övezet nagysága a lemezvastagság változásával együtt kis mértékben változik, de így is 0,1 – 0,3 mm.

§        A keménység értéke nem éri el a repedés képződés határát.

§        A méréseim alapján a maximális keménység 340 HV, amely igen csekély, ahhoz képest, hogy a nitridált kéreg keménysége 1000 – 1200 HV között van.

§        Sokkal több munkadarabon és sokkal több keresztmetszetben, ponton szükséges mérni a pontosabb eredményekhez.

 

 

 

9. Értékelés:

 

Vizsgálataim alapján a lézeres technológiáról elmondható, hogy:

·        a technológia igazán a finom lemezek megmunkálásánál mutatja a legjobb eredményt.

·        a lemez vastagság nagymértékben befolyásolja készített munkadarab minőségét, meghatározza az utómegmunkálások szükségességét.

·        a lézer hő mennyiség bevitele igen kicsi, ezért nem okoz komoly szerkezeti változást.

·        a furatok alakja eltér a szokványos alaktól, ezért a technológiát választó tervezőknek ezzel számolni kell.

·        a lézeres technika nagy előnye, hogy nem csak fémek megmunkálására használható és nagyon gyors vágósebességgel képes dolgozni.

·        alkalmazása komoly szaktudást igényel.

·        alapjában véve a lézerfej könnyű és gyors mozgatása kiterjeszti az alkalmazhatóságot.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hivatkozások

 

Internet oldalak:

[1] http://www.mozaik.info.hu

[2] http://www.szerepjatek.hu/laserworld.htm

[3] http://people.freeweb.hu/know.htm

[4] http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme/bor/

[5] http://www.swhw.hu/printer.php?cid=11846

[6] http://www.swhw.hu/printer.php?cid=11846

[7] http://www.gyakg.u-szeged.hu/TANTARGY/fizika/opt/hol/

[8] http://www.lanyi.hu/lezer/lezer.html

[9] http://www.bzlogi.hu/

[10] http://www.plasztika.net/laser/

Egyéb:

http://www.muszeroldal.hu/

http://www.lemeztechnika.hu/2.htm

http://titan.physx.u-szeged.hu/~opthome/optics/indexh.html

 

Irodalom:

[Csanádi (2000)]

Csanádi Péter készítette: Ipari Lézer Alkalmazási Szeminárium
2000.október 26-27. Balatonfüred

Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Alapítvány, 2000

[Csillag (1987)]

Csillag László Dr. - Kroó Norbert Dr.: A lézerek titkai

Kozmosz Könyvek
Kossuth Nyomda, Budapest, 1987

[Horváth (2002)]

Horváth Mátyás - Markos Sándor: Gépgyártástechnológia

Műegyetem Kiadó, 2002

[Harry (1979)] Harry John E.:

Ipari lézerek és alkalmazásuk

Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979

[Kodácsy (1995)]

 Kodácsy János Dr.– Szabó András Dr.: Finomfelületi és különleges megmunkálások

Felelős kiadó: Dr. Madarász László mb. főigazgató

[Takács (2003)]

Takács János Dr.: A gépgyártást is meghódítják a lézerek

Gépgyártás XLIII. Évfolyam, 2003. 1-2. szám

 

 

Ábra és táblázatgyűjtemény

 

1. ábra Hullámfront

2. ábra Interferométer

3. ábra Trafipax

4. ábra Hegesztések

5. ábra Lézerfúrás

6. ábra A furat formája

7. ábra Lemezenkénti átmérő változás

8. ábra Furat átmérő változás lemezenként

9. ábra Furatokhoz hatása az átmérő változásra

10. ábra Egyes lemezek furatainak mélysége

11. ábra Mélység alakulás vastagságonként

12. ábra Mélység arány a teljes szélességhez

13. ábra Lézervágás

14. ábra Vastagság hatása az érdességre

15. ábra Vágósebesség hatása az érdességre

16. ábra Keménység a 4-es lemeznél

17. ábra Keménység a 8-as lemeznél

18. ábra Keménység a 10-es lemeznél

 

1. Táblázat Lézer alkalmazások

2. Táblázat Fúrás fémekbe

3. Táblázat Fúrás nem fémekbe

4. Táblázat Furat adatai

5. Táblázat Érdesség eredmények

6. Táblázat Keménységi adatok

 

 

 

 

Mellékletek

 

 

·        Alapanyagok műbizonylata

·        A lézervágás és fúrás CNC programja

·        Koordinátamérési adatok eredmények

·        Érdesség mérés eredménye (fénymásolat)