O velikosti odevzdané energie laseru do materiálu významně spolurozhoduje divergence paprsku, která se musí minimalizovat, a poloha ohniska laserového paprsku vzhledem k zpracovávanému povrchu. Největší energetické ovlivnění materiálu se dosáhne ztotožněním ohniska laserového paprsku s povrchem materiálu. Některé technologické operace však vyžadují velkou šířku stopy laserového paprsku při menší požadované energii. Dosáhne se toho defokusací laseru vzhledem k povrchu materiálu.

Vyslovená tvrzení o vlivu materiálových charakteristik a laserových parametrech na proces laserování ilustruje obr. 5-1.

Nasazení laserů a laserových technologií přináší novou dimenzi do průmyslové výroby, což koresponduje se stále rostoucími požadavky na zvyšování její kvality a efektivity. Moderní laserové systémy a technologie předčí klasické nástroje kombinací rychlosti, přesnosti, výkonnosti a flexibility. Jednoduchost obsluhy a nenáročnost údržby umožňují okamžité a spolehlivé začlenění do výrobního procesu.

Lasery nacházejí uplatnění v prvotních i finálních stádiích výroby, kdy se běžně používají ke značení, gravírování, řezání, vrtání, sváření, opracování povrchů, čištění, kalení atp. Dnes se laser již nepovažuje jen za špičkovou technologii, ale i za nástroj, který pomáhá dělat práci rychleji a kvalitněji.

Laserové technologie je vhodné rozdělit do základních skupin podle dosažené teploty materiálů:

• Technologie s ohřevem materiálu na teploty nižší než solidus: laserové tepelné zpracování (žíhání, kalení, popouštění, vytvrzování aj.), laserové chemicko-tepelné zpracování a některé druhy laserového obrábění.
• Technologie s ohřevem materiálu na teplotu vyšší než solidus a nižší než teplota vypařování materiálu: natavení povrchu, amorfizování, povrchové legování, naváření, implantování fází, svařování, stříkání, zónová rafinace aj.
• Technologie s ohřevem materiálů na teplotu vyšší než solidus a nižší než teplota tavení materiálu, tj. i na teplotu vyšší než je teplota vypařování materiálu: vrtání, dělení, povlakování a výroba speciálních depozit, žlábkování, gravírování, deformační zpevnění materiálů laserovou šokovou vlnou, označování výrobků apod.

V posledním období nabývá významu měření vzdáleností a rozměrů výrobků (délek, průměrů aj.) pomocí nevýkonového laseru spolu s perspektivní laserovou holografií v nedestrukční defektoskopii na určení velikosti lokální deformace a napětí v pracovní činnosti strojových částí, vibrací, distribuce hmotnosti a redistribuce hmotnosti namáhaných výrobků.

Bezesporná perspektivnost použití laseru v technologických procesech spočívá především v těchto skutečnostech:

• Extrémní koncentrace energie a výkonu, velká účinnost přeměny energie, jednoduchá a neobyčejně přesná regulace energetického účinku laseru na materiál. V současnosti se v technologických procesích mohou využít lasery o výkonu 100 W až 20 kW.
• Možnost rozdělení laseru velkého výkonu na částečné paprsky menších výkonů. Výhodné ovládání laseru a přenos pomocí optických systémů a světlovodů na pracovní místa. Velká bezpečnost při práci.
• Na laser nepůsobí externí magnetické a elektrické pole, proces zpracování nevyžaduje vakuum, v interakci laseru s materiály nevzniká rentgenové záření.
• Bezkontaktnost procesů zpracování - laserové zpracování nevyžaduje nástroje a upínací přípravky, netřeba uvažovat o poškození a porušení nástrojů se všemi důsledky na výrobní náklady a kvalitu výrobků.
• Velká hygiena práce, velká čistota procesu, bezhlučnost operace, tj. humanizace pracovního procesu a prostředí.
• Velká výrobní pohotovost a velká výrobní rychlost (elektromagnetické vlnění v procesech neprojevuje setrvačnost), rychlý start a ukončení technologického procesu - to vše se odrazí v podstatném zvětšení produktivity práce.
• Zmenšení energetické náročnosti mnoha operací, zmenšení podílu následné práce, neobvykle velká kvalita výrobků.
• Nasazení automatizace, robotizace a systémů vyšší automatizace, vytvoření pružných laserových výrobních systémů.
• Kontrola kvality výrobků.

Pro laserové pracoviště platí samostatné předpisy o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci s laserem, zohledňující fyzikální podstatu laseru, fyziku jeho přenosu ze zdroje na pracovní místo, nezvykle velkou koncentraci energie a ostatní specifické zvláštnosti v konkrétním technologickém procesu.

Laserové zařízení a laserové pracoviště je v současné době ještě dost velká investice. Vyžaduje navíc speciální odbornost obsluhy, řídící, registrační a kontrolní techniku a ostatní vybavenost pracoviště.

Vždy, když nastane otázka označení produkce, je použití laseru elegantním a účinným řešením. Laser vytváří na povrchu materiálu s vysokou přesností stálý, mechanicky odolný, velmi kontrastní a jinak nenapodobitelný popis. Vše probíhá v jediné krátké operaci bez použití chemických přísad a inkoustu nebo mechanických zásahů do struktury materiálu. Vhodným typem laseru (Nd:YAG nebo CO₂) lze označit prakticky jakýkoliv kovový i nekovový materiál, přičemž povrch značeného výrobku může mít proměnný tvar a různou povrchovou úpravu. Změnou parametrů laseru lze spojitě přecházet od povrchového popisu v několikamikronové vrstvě materiálu až po laserové gravírování do větší hloubky.

Průmyslové aplikace požadující vyříznutí materiálu do složitého tvaru, řezání se zvýšenou přesností a v malých nebo často se měnících sériích jsou ideální pro použití řezacích laserů. Vrtací lasery se uplatňují všude tam, kde je třeba vrtat otvory malých průměrů. Řezat a vrtat lze široké spektrum materiálů jako jsou kovy, plasty, přírodní a jiné materiály.

Laserovým vrtáním lze vytvořit miniaturní otvory do různých materiálů - např. v leteckém průmyslu nebo při produkci turbín. Správně zfokusovaný a vysoce kvalitní laserový paprsek odstraňuje jednu vrstvu materiálu za druhou dokud není vyhotovena nejpřesnější dírka. K tomuto se často užívá pulzních laserů, které charakterizuje vysoká amplituda výkonu za periodu záření.

Povrchové laserové obrábění zahrnuje spoustu operací jako: zušlechťování tvrzením, termo-mechanické zpracování, přetavování, smaltování, legování, disperze a povrstvování.

Laserové povrchové obrábění nabízí množství výhod před jinými alternativními metodami:

• minimální teplotní vliv na obrobek,
• upravovanou plochu lze udržovat ve velmi přesných limitech,
• nižší zmetkovost,
• výborná přilnavost povrstvení,
• vyšší efektivita procesu kontroly.

d. Svařování

Sváření laserem má řadu výhod, které nelze dosáhnout žádnou jinou technikou. Jelikož je působení laseru pouze lokální, nedochází k tepelnému poškození okolí svaru a tím celého výrobku. Vlastní svar je bezporézní a neobsahuje cizí příměsi. Díky velkým špičkovým hodnotám energie lze svářet i materiály s vysokým bodem tání a rovněž značně odrazivé materiály (Al, Au). Laser umožňuje provádět mikrosvary a dají se svářet i běžně nepřístupná místa.

Laserové svařování se používá hlavně tehdy, když je možné ušetřit na lisování více komponent a tam, kde je potřeba mít pohledově jakostní spoj. Nasazení laseru v daném místě je podmíněno jeho konstrukčním návrhem a kvalitativními požadavky spoje.

Ne vždy je nutné používat ke spojování dílů karoserií hned svařování, které s sebou může přinášet i určité nebezpečí deformace dílů nadměrným ohřevem. U některých pozinkovaných dílů karoserie postačuje při dostatečné pevnosti spoje laserové pájení natvrdo. Tím, že při pájení nedochází k natavení základního materiálu, nedochází také k nebezpečí vzniku koroze spoje, přičemž je možné při pájení používat i některého ochranného plynu.

Laserově pájeného spoje se užívá především tam, kde konstrukční návrh spoje nedovoluje jiné řešení. Důležité jsou i těsnící vlastnosti tohoto spoje.

Laserové tepelné zpracování kovových materiálů využívá laser na ohřev materiálu na teplotu nižší než je teplota solidu. Energetické ovlivnění materiálu se řídí tak, aby se neuskutečnilo vypařování kovu. Využívá se zde množství specifických vlastností laseru a již dříve uvedených předností, především však mimořádné rychlosti startu a ukončení operace, možnosti definovaného tepelného ovlivnění povrchových vrstev materiálů posuzované z hlediska lokalizace, hloubky, plochy, objemu, nerovnosti povrchu, minimální deformace, mechanického působení na materiál, vlastností apod. Proces laserového tepelného zpracování je tedy ve všech fázích extrémně rychlý, je plně automatizovatelný a předurčený pro robotizované automatizované technologické systémy. Tepelné zpracování je možné v obvyklé atmosféře. Početné laserové operace jsou konečné, provádí se ve výrobních linkách a nebo v montážních linkách. Možnost přivést laserový paprsek ze vzdáleného zdroje na pracovní místo optickými cestami představuje ve spojení s robotem úplně novou organizaci práce v tepelném zpracování kovových materiálů. Umožňuje programovanou distribuci laseru ze zdroje do cechů tepelného zpracování, dělení kovů, svařování, naváření, povrchové depozice speciálních vrstev apod. Přitom se zpracovávají jen funkční plochy výrobků, šetří se energie na ohřev celého výrobku, bezproblémové je tepelné zpracování složitých ploch, otvorů a podobně - nepřístupných induktorům a nebo plamenovému ohřevu. Často se oceňuje ostrá lokalizace ohřevu, velmi malé tepelné ovlivnění základního materiálu, malé distorze a deformace výrobků.

Dodnes se aplikace laseru v tepelném zpracování kovů orientovaly především na některé druhy žíhání (rekrystalizační žíhání, žíhání povrchových vrstev, iontovo-implantovaných vrstev apod.), na kalení a na vytvrzování vhodných slitin. Všech těchto případech je třeba vyzvednout řízení procesu zpracování k dosažení požadovaného strukturního stavu, které se opírá o přesnost dávkování energie a doby impulsu laserového působení.

Při laserovém kalení povrchových vrstev zakalitelných konstrukčních materiálů se zahřeje funkční plocha laserem ve velmi krátké době na kalicí teplotu; kritickou a nebo nadkritickou rychlost chlazení ohřátého objemu kovu obvykle zabezpečí vedení tepla v samotném materiálu a nebo se organizuje externě.

Tepelné zpracování funkčních povrchů výrobků s větší šířkou se uskuteční vhodným překrytím jednotlivých stop ovlivnění a nebo oscilací laseru s amplitudou kmitu rovnající se šířce funkčního povrchu (obr. 5-4 a obr. 5-5).

Obr. 5-4: Schéma postupu při plošném tepelném ovlivňování povrchů laserem oscilací

Obr. 5-5: Schéma postupu při plošném tepelném ovlivňování povrchů laserem překrýváním se stop

Laserové tepelné zpracování kovových materiálů a polovodičů se použilo v početných průmyslových aplikacích: ve výrobě převodů a pohonných jednotek, ve speciální výrobě raketového průmyslu a kosmonautiky, ve výrobě polovodičových komplexů apod.