2 Teoretická část
2.4 Metody dělení vysokopevnostních materiálů
Při dělení polotovarů z běžných hlubokotažných ocelí se nejčastěji využívá technologie stříhání. Jedná se o levnou a efektivní technologii, která ale není vhodná pro dělení vysokopevnostních materiálů z důvodu jejich velmi vysoké pevnosti. Proto se dnes využívá moderních technologií dělení materiálu, např. řezání laserem nebo vodním paprskem (obr. 2.28). [18]
Obr. 2.28: Porovnání principu technologií dělení materiálů vodním paprskem a laserem [9]
2.4.1 Technologie dělení materiálu laserem
Slovo Laser ( Light Amplfication by Stimulated Emission of Radiation) lze volně přeložit jako zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Laser je kvantový generátor a zesilovač koherentního optického záření, které vzniká, když všechny fotony mají stejnou vlnovou délku a nízkou rozbíhavost svazku. [36, 37]
Pavel Hrdý 47 Teoretická část Obr. 2.29: Ukázka laserové řezací hlavy při výrobě [40]
Laserový paprsek je elektromagnetické vlnění, od jiných druhů záření se odlišuje pouze vlnovou délkou o určité frekvenci, která vynucuje přechod elektronů z vyšší hladiny na nižší, čímž se zesiluje původní vlna. Existuje velké množství různých typů laserů, ale každý v sobě zahrnuje tři základní části. Aktivní prostředí, kde dochází k zesilování záření, zdroj čerpání pro excitaci aktivního prostředí a rezonátor, který vytváří zpětnou vazbu mezi zářením a aktivním prostředím. Aktivním prostředím je myšlena látka plynná, pevná či kapalná, která je nasycená více atomy na vyšších energetických hladinách. [36, 37, 38]
Laserové světlo vzniká v prostředí stimulujícího záření potlačením spontánní emise na úkor vynucení emise záření. Spontánní emise záření vzniká, když atomy s energetickou hladinou E2 mají tendenci zaujmout energetickou hladinu s nižší energií E1 a při tom emitují kvantum záření s frekvencí f, která se určí z rovnice
E2 – E1 = h.f, (1) kde h je Planckova konstanta. Vlivem vnějších podmětů se vybuzený atom vrací zpět do základního stavu, přičemž emituje nový foton se stejnou frekvencí, jako měl předcházející foton. Tento způsob se nazývá stimulovaná emise záření. Stimulovaná emise je základ pro vznik laserového světla. Je zapotřebí, aby se nejprve co nejvíce elektronů udrželo na vyšší energetické hladině a posléze na této hladině vydrželo co nejdelší čas. [36, 37, 38]
Řezání laserem je v současnosti velmi rozšířená technologie dělení materiálů.
Fokusovaný laserový svazek fotonů při dopadu na materiál ohřeje místo kontaktu na teplotu varu a okolní materiál je v úzké zóně nataven, jak ukazuje obr. 2.30.
Pavel Hrdý 48 Teoretická část Dělení materiálů je umožněno odpařením materiálu z místa řezu pomocí pracovního plynu, který je do řezu přiváděn pod vysokým tlakem. [36, 37, 38]
Obr. 2.30: Účinek laserového paprsku při dopadu na povrch materiálu [39]
Řezání laserem může být rozděleno do tří skupin. Při sublimačním dělení je materiál z místa řezu odstraňován zářením v důsledku vysoké intenzity záření. Během tavného řezání je materiál působením paprsku laseru v místě řezu roztaven a inertním plynem odfukován. Tímto způsobem jsou řezány vysokolegované oceli, měď, hliník, nikl a jejich slitiny nebo nekovové materiály (keramika, plasty, dřevo, sklo, papír).
Oxidační řezání se od tavného liší použitím kyslíku jako pracovního plynu s nižším tlakem. Materiál se pomocí paprsku laseru ohřeje na zápalnou teplotu a s přiváděným kyslíkem shoří v exotermické reakci. Tato metoda je vhodná zejména pro ocel, protože u ostatních kovů vlivem působení kyslíku dochází k oxidaci řezných hran. [9, 36, 37]
Výhodou laserového řezání je velká rychlost, přesnost a kvalita řezu, možnosti řezání různých tvarů a malá oblast tepelně ovlivněné oblasti. Vysoká koncentrace energie umožňuje dělit téměř všechny technické materiály. Nevýhodou může být omezení řezané tloušťky materiálu. Dle druhu aktivního prostředí se lasery dělí na plynové, pevnolátkové, chemické, plazmatické a polovodičové. [9, 36, 38]
2.4.2 Technologie dělení materiálu vodním paprskem
Zpracovávat vodním paprskem lze prakticky jakýkoli materiál s téměř neomezenou tloušťkou, ať už se jedná o kovy, keramiku, skla, kompozity či plasty.
Využití vodního paprsku není pouze pro dělení různých materiálů, ale lze jej použít
Pavel Hrdý 49 Teoretická část i pro frézování, gravírování nebo ozdobné popisování. Touto technologií je možné provádět i velmi tvarově složité řezy včetně řezání pod různými úhly během jedné operace. [9, 36, 39]
Fyzikální podstata řezání materiálů paprskem kapaliny vychází z úvahy, že paprsek kapaliny pohybující se dvojnásobnou až čtyřnásobnou rychlostí zvuku lze považovat z hlediska jeho účinků za pevné těleso. Při nárazu paprsku kapaliny o průměru 0,7–1,5 mm na povrch děleného materiálu dochází k akumulaci vysokého tlaku na velmi malé ploše, čímž vznikají v řezaném materiálu rázové vlny. Dále dochází ke vzniku mikrotrhlin, které se v důsledku dynamického zatížení rychle šíří a tím dochází k rozrušování děleného materiálu, ukázka řezné hrany viz obr. 2.31. [9, 36, 39]
Technologie řezání materiálů vodním paprskem se využívá nejčastěji ve dvou základních provedeních. Méně častá je metoda řezání čistým vodním paprskem, využívaná zejména pro nekovové materiály (lamináty, gumotextil, kevlary, grafitové kompozity), kde se jako kapalina používá většinou pouze upravená voda a k vytvoření potřebné rychlosti proudění se uplatňuje tlak 200–600 MPa. [9, 36, 39]
Obr. 2.31: Detail kvality řezné hrany při dělení vodním paprskem [9]
Častěji se v průmyslové výrobě používá řezání vodním paprskem s abrazivní příměsí, kde se zvyšuje účinnost paprsku přimísením abrazivních zrn do proudu vody.
Používají se syntetické nebo přírodní abrazivní materiály např. křemičitý písek, korundová nebo SiC zrna, granát, olivín nebo diamantový prach. Výstupní tryska musí odolávat vysokým abrazivním účinkům a je vyráběna z karbidu wolframu, keramických materiálů na bázi korundu nebo z kubického nitridu bóru. [9, 36, 39]
Pavel Hrdý 50 Teoretická část Obr. 2.32: Řezný cyklus při dělení materiálu abrazivním vodním paprskem a) začátek tvoření stopy řezu; b)stabilizovaná stopa řezu se stupni posuvu paprsku; c) vyrovnání
stupňovitosti řezu [39]
Mezi hlavní výhody této technologie patří již zmiňovaný neomezený rozsah druhů dělených materiálů s jakoukoliv tloušťkou. Při řezu nedochází k tepelnému ovlivnění materiálu (tzv. studený řez), ale pouze k mírnému deformačnímu zpevnění.
Další výhody jsou vysoká přesnost řezu, malé ztráty materiálu (malý prořez) a v neposlední řadě vysoká kvalita, přesnost a rychlost řezu. Hlavní nevýhody vodního paprsku jsou nebezpečí koroze materiálů, vyšší hladina hluku při řezání, podkosení řezné hrany, specifický charakter řezné hrany - rýhování s různě velkým poloměrem zaoblení a možnost výskytu nedořezaného trojúhelníkového útvaru – tzv. „nosu“, vznikajícího ve spodní části řezné spáry při vycházení paprsku z řezu (obr. 2.32). [9, 36, 39]