Lasery a únavová životnost

Od vyklepávání kosy malým kladívkem až po moderní lasery schopné prodloužit životnost leteckých motorů či jaderných reaktorů. Technologie Laser Shock Peening využívá extrémně krátké laserové pulzy k mechanickému zpevnění kovů a ochraně před vznikem trhlin. Jak lze světlem vytvořit „laserové kladivo“ a proč může tato metoda zvýšit spolehlivost letadel, elektráren i kloubních implantátů?

Když si dnes koupíte novou kosu, nejspíš už nebude potřebovat to, co dobře znali naši pradědové – pravidelné vyklepávání ostří. Kovář nebo sekáč jemnými údery speciálního kladívka ztenčoval okraj čepele, čímž ji nejen nabrousil, ale také mechanicky zpevnil (obr. 1). Kov v tenké vrstvě u ostří se při úderech plasticky deformoval, zhutnil se a stal se odolnějším proti otupení. Pro zkušeného sekáče to byla běžná součást údržby nástroje, podobně jako si dnes člověk dobíjí baterii v aku nářadí. Na větších loukách se ráno kosa vyklepala, během dne se několikrát přebrousila brouskem a po delší práci se opět vyklepávala.

1. Sekáč vyklepávající kosu.

Archiv autora.

Údery kladiva provázejí zpracování kovů po tisíce let. Kováři jimi tvarovali meče, podkovy i zemědělské nástroje, ale zároveň nevědomky měnili samotné vlastnosti kovu. Opakované údery povrch zpevňovaly a prodlužovaly jeho životnost. Stejný princip se dodnes používá v moderním strojírenství. Jen to speciální vyklepávací kladívko, po staletí nepostradatelný nástroj každého sekáče, bylo nahrazeno něčím průmyslovějším. Nejčastěji se jedná o kuličkování, kdy je na povrch zpevňovaného kovu směrován proud rychle se pohybujících malých ocelových projektilů – kuliček s velikostí v rozmezí 0,3 až 1 mm. Efekt je stejný jako u kladívka, jen jde o dopad tisíců malých kladívek místo jednoho velkého. V nejpokročilejších aplikacích, kde vyžadujeme větší a hlubší efekt zpevnění, se potom využívá nejmodernější verze naší kladívkové metody – laserové vyklepávání. Zde je mechanický kontakt kladívka nebo kuličky s kovem zcela nahrazen rázovou vlnou vzniklou při dopadu vysokoenergetického laserového pulzu. Technologie nese název Laser Shock Peening (LSP) – tedy česky vyklepávání laserovou rázovou vlnou.

2. Vlevo: schéma procesu vyklepávání laserovou rázovou vlnou – po dopadu krátkého laserového pulzu vzniká rychle expandující plazma doprovázené silnou rázovou vlnou. vpravo: reálné explodující plazma na vzorku pokrytém černou ochranou vrstvou.

V průmyslu jsou laserové přesné řezání kovových desek, svařování, kalení či vrtání nejrůznějších děr technologie založené na zcela jiném principu než laserové vyklepávání. Výše zmíněné výrobní metody využívají kontinuální laserové zdroje, tzn. nepřerušovaný tok fotonů, kde při dopadu dochází k jeho částečné absorpci materiálem (část se odrazí).

Zasažený materiál se prudce zahřívá a může lehce dojít k jeho roztavení. To je princip laserového řezání. Hlavním mechanismem je zde tedy přenos tepla. Technologie vyklepávání laserovou rázovou vlnou využívá místo kontinuálního laseru pulzní zdroj. Světelná energie je koncentrovaná do krátkých časových okamžiků, v tomto případě jde o nanosekundové laserové pulzy, tzn. jednotlivé pulzy mají délku několik miliardtin vteřiny. Na první pohled se to může zdát jako neskutečně krátký okamžik, avšak ve světě pulzních laserových systémů se stále ještě jedná o poměrně dlouhý pulz. U jiných technologií se běžně setkáváme s pikosekundovými či femtosekundovými pulzy, jež jsou ještě tisíckrát, respektive milionkrát kratší. Nanosekundy jsou dost krátké na to, aby se zasažený materiál moc nezahřál, ale současně dost dlouhé na to, aby došlo k absorpci pulzu ve vzniklém plazmatu.