A lézerforrástól az anyagmegmunkálásig

Az elsı fejezet részletesen ismertette a lézerfény keletkezésének elméleti hátterét és tulajdonságait, a továbbiakban röviden áttekintjük a sugárvezetés, sugárformálás és sugárkezelés legfontosabb alapelveit és eszközeit, amelyek ismerete nélkülözhetetlen ahhoz, hogy a lézerfény az anyagmegmunkáló eljárások hasznos eszköze legyen.

Sugárvezetés

Mivel a legtöbb gépen a lézerforrás fix helyre van beépítve, ezért a rezonátorból kilépı lézersugarat el kell vezetni a lézerfejhez, mely a fókuszáló optikát tartalmazza (2.1.4.1. ábra).

2.1.4.1. ábra: A gázlézerek sugárvezetésének sematikus ábrája

A lézerbıl kilépı lézernyaláb divergenciájának csökkentése különösen akkor fontos, ha a nyitótükör és a fókuszáló optika közötti távolság jelentısen változik a megmunkálás során. Mint ahogy az 1.3.2. fejezetben leírtuk, ezt fordított távcsıvel (inverted telescope) lehet megtenni. Az ezen az optikai eszközön átmenı lézersugárnak eközben megnövekszik az átmérıje, a nyaláb „kitágul”. A fordított távcsı két közös fókuszú homorú tükörbıl (esetleg két domború lencsébıl) áll. A

párhuzamosított A kis divergencia azért is fontos, mert a párhuzamosabb lézerfény kisebb foltra fókuszálható (lásd lentebb). A párhuzamosításnak az szab határt, hogy a „kitágított” lézernyaláb átmérıje a fókuszáló lencsénél nem lehet nagyobb annak átmérıjénél. A teleszkóppal „kitágított”

lézersugarat sugárvezetı tükrök segítségével vezetjük a lézerfejhez. A tükrök száma a megmunkáló fej lehetséges mozgásának összetettségétıl függ (4-10 db teleszkóp és sugárvezetı tükör), kivitele lehet akár sík, akár fókuszáló, anyaga többnyire vörösréz, esetleges bevonatolt. A szennyezıdésekkel szemben a molibdén bevonattal rendelkezı tükör a legellenállóbb. A tükröket vízzel hőteni kell, mivel a sugár kis hányadát elnyelik (0,1-2,5%). Már enyhe szennyezıdés hatására is az abszorpciós képesség ugrásszerően megnövekszik és lokális túlmelegedést, geometriai torzulást, végül beégést, beolvadást, azaz a tükör tönkremenetelét eredményezi. Ennek elkerülése érdekében a tükrök és lencsék közötti teret folyamatosan szellıztetik tiszta levegıvel, a berendezés idıszakos karbantartásakor pedig kiemelkedıen fontos az optikai elemek szakszerő tisztítása.

Szilárdtest lézereknél száloptikán való sugárvezetést alkalmaznak, mivel a szilárdtestlézerekre jellemzı sugarak nem nyelıdnek el sem üvegben, sem kvarcban. Az optikai szálak átmérıje 30-800 µm közötti. A levegıhöz képesti törésmutatója, illetve a teljes visszaverıdés következtében a sugárzás nem tud kilépni a szál palástján (2.1.4.2. ábra).

2.1.4.2. ábra: Sugárvezetés száloptikával

Az üvegszálas megoldás jóval olcsóbb és könnyebben kezelhetı rendszert ad. Az egy darab rezonátorból kibocsátott sugarat egy sugárosztóval több szálba is be lehet csatlakoztatni, és azt így több lézerfejbe kivezetni, ezáltal egy berendezéssel több lézeres állomást is ki lehet alakítani. A kicsatolás lehet egyidejő, illetve vagylagos. A sugárosztóban át nem eresztı, és/vagy részben áteresztı síktükrök, illetve prizmák találhatóak (2.1.4.3. ábra). A sugárosztó után fókuszáló lencsék fókuszálják és csatolják be a sugarat az optikai szálakba, melyek végén aztán kollimátor (győjtı) lencsék helyezkednek el. A kollimátor lencsét ezután a megmunkáláshoz szánt fókuszáló optika követi. Száloptikás sugárvezetésnél ügyelni kell a munkadarabról visszaverıdı sugárzás elleni védelemre, ugyanis a visszavert sugárzással megnövekedett teljesítmény a rendszert túlterheli, így

termikus túlterhelés következtében azonnali tönkremenetelt okozhat. Ezért a lézersugarat a munkadarab felületi normálisához képest legalább mintegy 6º-al meg kell dönteni.

2.1.4.3. ábra: Sugárosztók alaptípusai

a) teljesen visszaverıdı b) részben áteresztı, részben visszaverıdı sugárosztó

Sugárformálás

Ahhoz, hogy sugár munkavégzı közegünkké válljon, a majdnem párhuzamos nyers sugarat (5-15 mm átmérıjő) fókuszálni kell 0,1-0,2 mm átmérıjőre a megfelelı teljesítménysőrőség elérése érdekében. A lézersugár minısége szempontjából a nyalábderék közvetlen környezetében teljesül leginkább a koherencia, így ez a pozíció alkalmas a leginkább a fókuszáló optika elhelyezése.

A fókuszáló optikáknak két fajtáját tudjuk megkülönböztetni. A sugarat átbocsátva fókuszáló optikai elemek idegen szóval a transzmissziós lencsék, illetve a sugarat visszaverve fókuszáló reflexiós tükrök.

a.) A fókuszáló lencsét hőteni csak a fejbe beáramló nagynyomású gázzal (2.1.4.4. ábra), illetve a lencse pereménél lehet. Ezáltal jóval kisebb hıterhelést enged meg, így nagyobb átlagteljesítményő eljárásokra nem alkalmas. A lencse megválasztásával két jellemzın tudunk változtatni:

- ha a lencse fókusztávolsága nagy, akkor kisebb a lézersugár kúpnyílása, vagyis nagyobb mélységben tudunk nagy teljesítménysőrőséget elérni, de ezáltal nem lehet kis fókuszpontot felvenni.

- ha kis fókusztávolságú lencsével dolgozunk, akkor nagy a kúpnyílás, tehát csak közvetlen a fókuszpontban lesz nagy a teljesítménysőrőség, viszont ekkor nagyon kicsi lehet a fókuszpont átmérıje.

b.) Nagyobb teljesítményeknél a lencse egyszerően szétrobbanna, így fókuszáló tükröt kell használni (2.1.4.5. ábra), melynek hőtése megoldható a hátoldal felülete mentén, így a lencsére megengedhetı teljesítmény érték többszörösét is

kibírja. A tükrök anyaga megegyezik a síktükrökével, viszont szigorúan bevonattal ellátottak, tekintve a szennyezıdések nagyobb valószínőségét. Alakjuk lehet parabola, fazettált, illetve integráló. További elıny, hogy ezzel a kialakítással kisebb fókuszáló fej hozható létre, így például csövek belülrıl történı hegesztésénél kiválóan bevált.

2.1.4.4. ábra: Fókuszáló lencse felépítése

2.1.4.5. ábra: Fókuszáló tükör felépítése Kezelés

A fókuszált lézersugarat már csak a megfelelı helyre kell irányítani, ez különbözı sugáreltérítési módszerekkel valósítható meg:

- sugáreltérítés a lézerfej mozgatásával, - munkadarab mozgatása álló lézersugár alatt,

- tükrös vagy prizmás eltérítés a lézersugár párhuzamosan eltolásával (síkágyas), - forgótükrös eltérítés a sugár szöghelyzetének változtatásával,

- galvanométeres,

- egy, három ponton felfüggesztett tükörrel,

- hajlékony optikai szállal, a szál végének pozicionálásával.

A galvanométeres fej két, egymástól függetlenül elforgatható tükör segítségével a fókuszáló optika mozgatása nélkül fókuszálja a sugarat adott pontra, lehetıvé téve a pont-, illetve vonalhegesztést. A megoldás különleges követelményeket támaszt a fókuszáló lencsével szemben, mivel a fókusztávolság több méter is lehet.