Fyzikálna podstata laserov

Transcription

1 BEZPEČNOSŤ V OBLASTI LASEROVÝCH TECHNOLÓGIÍ Fyzikálna podstata laserov Slovo LASER je skratka z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, v čom spočíva i základ jeho činnosti (ASM Handbook, 1995; Callister, 2000; Ready, 2001). Fyzikálna podstata laserového žiarenia má historické korene v kvantovej mechanike a kvantovej elektronike. Kvantová mechanika je fyzikálna teória vyjadrujúca zákony chovania sa elementárnych častíc a ich sústav (Meyers, 2000). Objasňuje, prečo sa niektoré fyzikálne veličiny menia spojite a iné diskrétne, prečo niektoré dvojice veličín nie sú súčasne meratel né a pod. Rozvoj kvantovej mechaniky bol vyvolaný rozporom medzi experimentálnymi údajmi a teoretickými závermi klasickej (Newtonovej) mechaniky (Grigorjanc, 1989). Pre popis žiarenia čierneho telesa navrhol Max Planck tzv. kvantovú hypotézu, podl a ktorej energia elektromagnetického žiarenia môže byt látkou vyžarovaná, alebo pohlcovaná len po určitých minimálnych kvantách (Haken, 1984). E = h f (1) kde h je Planckova konštanta, f je frekvencia žiarenia. Lasery v priemysle V priemysle sa možno najčastejšie stretnút s využitím laserového lúča pri zváraní, rezaní, kalení, dekorovaní skiel, ryhovaní, naprašovaní a mnohých d alších. Základnou prednost ou laserových technologických operácií je možnost opracovania bez mechanického kontaktu s výrobkom (opracovanie na dial ku, v ochrannej atmosfére), možnost opracovania obtiažne prístupných častí materiálu a technologické spracovanie materiálu klasickými metódami t ažko opracovatel ných. Používa sa k tomu optický zväzok vystupujúci z lasera, ktorý možno pomocou optiky sústredit na malej ploche s priemerom niekol ko µm až mm, čo má za následok zvýšenie hustoty výkonu na hodnotu až 1016 W.cm 2 (Kuncipál, Pilous a kol., 1984; Gajtanska, Christov a kol., 2004). V súčasnosti sa v priemysle najčastejšie používa pät typov laserov (Nd:YAG, diskový, vláknový, CO2, diódový). Jednotlivé typy sa d alej rozdel ujú podl a typu budenia, režimu (kontinuálny, pulzný) a d alších parametrov. Nd:YAG lasery Z uvedených typov je to najstarší typ nasadený v priemysle. Používajú sa Nd:YAG lasery budené výbojkami (LPSS - lamp pumped solid state) (obr. 1), alebo diódami (DPSS - diode pumped solid state). LPSS Nd:YAG lasery majú nízku účinnost premeny elektrickej energie na svetelnú, pretože 1

2 vel ká čast energie výbojky sa nevyužije a premení sa na teplo (je nutné chladenie vodou). DPSS Nd:YAG lasery majú vyššiu účinnost a lepšiu kvalitu zväzku. V dnešnej dobe sa LPSS Nd:YAG lasery používajú najmä v pulznom režime pre laserové zváranie (aplikácie s požiadavkou hlbokého prievaru a malej teplom ovplyvnenej oblasti) a vŕtanie(napr. v leteckom priemysle pre vŕtanie ušl achtilých ocelí a zliatin). Výhodou týchto laserov je vysoká energia v pulze, ktorú tieto aplikácie vyžadujú. Nevýhodou je nízka účinnost, vel ké nároky na chladenie, vysoké prevádzkové náklady a krátka životnost výbojok ( 1000 h). Hlavné použitie je pre značkovanie a gravírovanie kovov, plastov a d alších materiálov (Novák, 2011; Průmyslové lasery, 2012). Obrázok 1: Schematické znázornenie Nd:YAG lasera (Micron Laser Overview, 2015) Diskové lasery Diskový laser je najmodernejšia technológia vyvíjaná predovšetkým firmou Trumpf. Princíp je podobný ako u Nd:YAG laserov s tým rozdielom, že aktívne prostredie tvorí malý tenký disk (obr. 2) (Průmyslové lasery, 2012). Pevnolátkový laser je čerpaný diódami. Diskový laser bol prvýkrát prezentovaný v 90-tych rokoch Adolfom Giesenom na Univerzite v Stuttgarte (Disk laser diversify, 2012). Aktívne prostredie diskových Yb:YAG (vlnová dĺžka nm) laserov je formované do tvaru disku s hrúbkou niekol kých desatín milimetra a priemerom do 10 mm (Novák, 2011; Průmyslové lasery, 2012). CO2 lasery CO2 lasery(obr. 3) patria do skupiny plynových laserov(aktívne prostredie je zmes plynov CO2:N2:He). V priemysle sa používajú lasery budené rádio - frekvenčne (RF) alebo elektrickým výbojom (DC - direct current). Z hl adiska konštrukcie rezonátora sa delia na tzv. sealed off lasery s hermeticky uzavretým rezonátorom a na tzv. flow lasery, kedy rezonátorom neustále prúdi plyn (čo je nutné pri vysokých výkonoch 10 kw). Do výkonov 5 kw sú najčastejšie používané DC RF CO2 lasery (difúzne chladené, RF budené). Budenie aktívneho plynu sa vykonáva rádio - frekvenčným vlnením, ktoré 2

3 Obrázok 2: Schematické znázornenie diskového lasera (Micron Laser Overview, 2015) prebieha medzi dvoma elektródami, ktoré súčasne zaist ujú vd aka svojej vel kej ploche difúzne chladenie plynu v rezonátore. Tieto lasery vynikajú vysokou spol ahlivost ou, dlhou životnost ou a nízkymi prevádzkovými nákladmi. Využitie CO2 laserov je pre značkovanie, gravírovanie a rezanie nekovov (plasty, koža, papier, sklo a pod.), kedy nie je možné použit vyššie uvedené lasery s vlnovou dĺžkou cca. 1 µm. Tu sa používajú výkony do 1,5 kw. Ďalšou priemyselnou aplikáciou je rezanie a zváranie kovov(výkonyaždo20kw), kdesú CO2laserydobrezavedené.Na rozdielod laserovsvlnovoudĺžkou cca. 1 µm, nemožno žiarenie CO2 lasera (10,6 µm) viest optickým vláknom a pre vedenie zväzku je nutné používat zrkadlá, čo je vel ká nevýhoda - optická dráha je zložitejšia, je nutná jej pravidelná kalibrácia, sú tu nároky na čistotu a údržbu zrkadiel atd. (Průmyslové lasery, 2012). Obrázok 3: CO2 laser (Micron Laser Overview, 2015) Laserové zváranie Laserovézváranievyužívaoptickéžiareniekroztaveniumateriáludo požadovanejhĺbky s minimálnym odparením povrchu. Zváranie v porovnaní s d alšími aplikáciami vyžaduje menšiu intenzitu žiarenia optického zväzku a väčšiu dĺžku laserového impulzu (rádovo ms) Výhodou zvárania laserom je lokalizovaný ohrev a rýchle chladnutie a schopnost zvárat rôznorodé materiály a geometrie. Vlastný zvar je bez prítomnosti pórov a neobsahuje cudzie prímesi. Aby sa zabránilo vzniku trhlín, používa sa pri zváraní prídavný materiál, ktorý je do oblasti lúča dodávaný vo forme drôtu (napr. pri zváraní liatinových odliatkov na hliníkové profily). Niekedy sa používa zváranie s predohrevom, kedy jeden lúč lasera predhrieva materiál v mieste budúceho zvaru a druhý lúč vykonáva následne vlastné zváranie. 3

4 Vd aka vel kým špičkovým hodnotám energie je možné zvárat i materiály s vysokou teplotou tavenia a rovnako značne odrazivé materiály (Al, Au) a materiály predtým nezvaritel né (napr. zváraním medeného plechu s volfrámovým drôtom)(steen, 2003; Vrbová, 1994). Laser umožňuje vykonávat mikrozvary a dajú sa zvárat i bežne nedostupné miesta. V praxi sa používajú najviac lasery s aktívnymi materiálmi Nd:YAG, diskový, vláknový a CO2. V poslednej dobe sa presadzuje zváranie diódovými lasermi, u ktorých aj napriek malej zváracej rýchlosti má takéto zváranie svoje prednosti a to predovšetkým v tom, že zvary sú vel mi hladké a vzhl adovo sa podobajú švovým zvarom (Vrbová, 1994). Laserovým zváraním sa spájajú napr. hermetické puzdrá miniatúrnych relé, kardiostimulátory, kontakty v mikroelektronike, plechy v automobilovom alebo leteckom priemysle (Kuncipál, Pilous a kol., 1984). Zváranie v kondukčnom režime Pri kondukčnom zváraní roztavuje laserový lúč prídavný materiál pozdĺž miesta spojenia (obr. 4). Kondukčné zváranie sa používa na spájanie tenkostenných súčastí, napr. pre rohové zvary na viditel ných hranách krytu. Ďalej sa používa v elektronike. Laser vytvára hladký, zaoblený zvar, ktorý sa už d alej nemusí obrábat. Pre uvedené aplikácie sú vhodné pevnolátkové lasery s pulzným alebo kontinuálnym režimom zvárania. Energia sa pri kondukčnom zváraní dostáva do materiálu výlučne vedením tepla. Preto je hĺbka zvaru iba niekol ko desatín milimetra až jeden milimeter. Tepelná vodivost materiálu obmedzuje maximálnu hĺbku zvaru. Šírka zvaru je vždy väčšia ako hĺbka zvaru (Kondukční svařování, 2015). Obrázok 4: Kondukčné zváranie (Laser Beam Welding, 2010) 4

5 Zváranie s hlbokým pretavením (Keyhole) Pri zváraní keyhole sú potrebné vel mi vysoké výkony, približne 1 MW na jeden cm 2 (Kondukční svařování, 2015). Energia lasera nataví a vyparuje kov pri pohybe laserového lúča. Odparením materiálu sa vytvorí paroplynový kanál (obr. 5), na ktorého stenách sa nachádza roztavený kov. Vo vnútri kanála sú plyny odpareného materiálu a ochranného plynu, ktoré majú vyšší tlak než okolitá atmosféra a tak udržujú roztavený materiál na stenách kanála (Shan, 2010). Tlak pár premiestni natavený kov tak, že v zadnej časti zvarového kúpel a tuhne a vytvára zvarový spoj. Vznik keyhole podporuje prenos laserovej energie do kovu a vedie laserový lúč hlboko do materiálu. To umožní získat vel mi hlboké a úzke zvary (Lošák, 2010). Hĺbka zvaru je až desat krát väčšia ako šírka zvaru a môže dosahovat až 25 mm (Kondukční svařování, 2015). Vol né elektróny odparovaného kovu a ochrannej atmosféry sú urýchl ované interakciou s laserovým zväzkom, dochádza k zrážaniu s parami kovu a ochranného plynu, ionizácii a vzniku plazmy. Táto plazma má väčšiu absorpčnú schopnost než kov, ale zároveň rozptyl uje a odráža laserový lúč a nie je možné zväzok fokusovat. Tieto dva faktory vedú k poklesu hustoty výkonu (Shan, 2010). Zváranie keyhole sa vyznačuje vysokou účinnost ou a vysokými rýchlost ami zvárania. Teplom ovplyvnená oblast je vd aka vysokej rýchlosti malá a deformácie sú nepatrné. Táto metóda sa používa v prípadoch, ked sú požiadavky na vel ké hĺbky zvarov alebo treba zvarit viac vrstiev naraz (Kondukční svařování, 2015). Obrázok 5: Keyhole zváranie (Laser Beam Welding, 2010) Laserové rezanie Laserové rezanie sa využíva v prípadoch, ked je nutné oddelit materiál s vel kou tepelnou vodivost ou. Pri laserovom rezaní je snahou odparit materiál čo najrýchlejšie pri zachovaní čo najmenšej oblasti 5

6 zasiahnutej tepelnými účinkami. Najpoužívanejšími lasermi pri tejto technológii sú kontinuálne CO2 lasery so stredným výkonom do 15 kw (Steen, 2003). Pri požiadavke na extrémne úzku šírku rezu je možné vybavit laserové systémy aj pevnolátkovými Nd:YAG lasermi alebo lasermi excimerovými (Mičietová, I. a kol., 2007). Výhodou laserového rezania je vel ká rýchlost, rezanie rôznych tvarov, možnost automatizácie, bezkontaktné pôsobenie, dobrá kvalita rezu a nepatrná šírka rezu, žiadne opotrebenie nástroja, malá zóna tepelného ovplyvnenia a hospodárnost aj pri malých výrobných sériách. Vo väčšine priemyselných aplikáciách využívajúcich laserové rezanie sa privádza koaxiálne s laserovým zväzkom na miesto rezania prúd plynu. Pre rezanie kovov sa privádzajú reaktívne plyny ako napr. kyslík. Potom dochádza k exotermickej reakcii, ktorá urýchl uje proces rezania. Týmto spôsobom sa reže napr. titán, ocele s nízkym obsahom uhlíka a nerezové ocele. Pre rezanie nekovových materiálov, ako sú keramika, plasty a drevo, je na miesto rezania privádzaný inertný plyn, ktorý slúži k odstraňovaniu roztaveného a odpareného materiálu. Takto možno tiež rezat textilné materiály, papier a sklo (Vrbová, Jelínková a kol., 1994; ASM Metals Handbook, 1996, 1993). Dekorácia skla laserom je jednou z modifikácii laserového rezania. V mieste dopadu sfokusovaného laserového žiarenia na povrch skla dôjde k čiastočnému odparenie skloviny a k jej povrchovému popraskaniu. Na vzniknutých trhlinách dochádza k rozptylu svetla a tým sa docieli žiarivého vzhl adu dekorácie. Na túto operáciu sa používa laser ktorého žiarenie je sklom dobre absorbované, napr. kontinuálny CO2 laser (Kuncipál, Pilous a kol., 1984). Prehl ad legislatívy a noriem z oblasti bezpečnosti laserových zariadení Medzi najvýznamnejšie právne predpisy dotýkajúce sa oblasti BOZP pri zváraní možno zaradit : Zákon č. 124/2006 Z. z. Zákon o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov Zákon č. 355/2007 Z. z. Zákon o ochrane, podpore a o zmene a doplnení niektorých zákonov a rozvoji verejného zdravia Nariadenie vlády Slovenskej republiky č. 410/2007 Z. z. o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamestnancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou umelému optickému žiareniu Vyhl. ministerstva zdravotníctva slovenskej republiky 448/2007 Z.z. o podrobnostiach a faktoroch práce a pracovného prostredia vo vzt ahu ku kategorizácii prác z hl adiska zdravotných rizík a o náležitostiach návrhu na zaradenie prác do kategórií Normy z oblasti BOZP pri laserových technológiách. Vo všeobecných zásadách prevencie zákon č. 124/2006 Z. z Zákon o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov ukladá zamestnávatel om povinnost uplatňovat 6

7 všeobecné zásady prevencie pri vykonávaní opatrení nevyhnutných na zaistenie bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, vrátane zabezpečovania informácií, vzdelávania a organizácie práce a prostriedkov. V zmysle vyhlášky Slovenského úradu bezpečnosti práce č. 59/1982 Z. z., ktorou sa určujú základné požiadavky na zaistenie bezpečnosti práce a technických zariadení sa zváranie alebo rezanie laserovým lúčom sa smie robit iba v oddelenej miestnosti alebo v oddelenom priestore, rezanie menších predmetov (častí) aspoň v ochrannom kryte. Pri sledovaní pracovného procesu optickým systémom musí byt pracovník chránený vsadeným ochranným filtrom. Pri rezaní musí byt pod rezaným materiálom podlaha s nehorl avou úpravou a s difúznym povrchom. Zariadenie na rezanie laserovým lúčom musí byt vyriešené tak, aby sa zabránilo prípadnému odrazu lúča od rezaného materiálu do priestoru obsluhy zariadenia (Vyhláška SÚB č. 59/1982 z.z., 1982). Za jednu z najvýznamnejších noriem z oblasti bezpečnosti laserových zariadení sa považuje norma STN EN Bezpečnost laserových zariadení. Čast 1: Klasifikácia zariadení a požiadavky. Za ciel si kladie najmä: zaviest systém pre klasifikáciu laserov a laserových zariadení vyžarujúcich žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 180 nm do 1 mm podl a úrovne nebezpečenstva spôsobeného optickým žiarením, ktorý napomôže zhodnotit nebezpečenstvo a stanoví príslušné riadiace opatrenia, stanovenie požiadaviek na výrobcu, aby poskytli informácie, ktoré umožnia prijatie vhodných bezpečnostných opatrení, pomocou štítkov a inštrukcií dostatočne varovat osoby pred nebezpečenstvami, spojenými so žiarením, ktoré vyžarujú laserové zariadenia, obmedzit pravdepodobnost vzniku zranení minimalizovaním nadbytočného žiarenia a umožnit lepší riadenie nebezpečenstiev spôsobených laserovým žiarením prostredníctvom ochranných prostriedkov (STN EN , 2015). Pre jednoduchšiu orientáciu z hl adiska nepriaznivých účinkov na zdravie sa laserové zariadenia zarad ujú do tried podl a STN EN :2015. Limit prístupnej emisie (AEL - accessible emission limit) je definovaný v zmysle tejto normy ako maximálna prístupná emisia, ktorá je povolená v rámci určitej triedy. Prípustná emisia je úroveň žiarenia stanovená v danom umiestnení, s clonami apertúr alebo s vymedzujúcimi apertúrami. Stanovuje sa v prípadoch, kedy sa predpokladá ožiarenie l udského tela, jej hodnota sa porovnáva s limitom prístupnej emisie za účelom stanovenie triedy laserového zariadenia. Hodnoty AEL sú odvodené od MPE. Klasifikácia laserových zariadení je založená na stanovení úrovní prístupnej emisie a porovnaním týchto úrovní s limitami prístupnej emisie (AEL), ktoré sú priradené k jednotlivým triedam. Za správnu kvalifikáciu laserového zariadenia je zodpovedný výrobca. Laserové zariadenie je zatriedené na 7

8 základetakejkombinácievýstupnýchvýkonovavlnovýchdĺžokprístupnéhožiareniavcelomfunkčnom rozsahu zariadenia po celú dobu životnosti laserového zariadenia, ktoré vedú k jeho zaradeniu do najvyššej príslušnej triedy. Ak užívatel upraví laserové zariadenie tak, že sa zmenilo jeho prístupné laserové žiarenie, je zodpovednost ou užívatel a zaistit, aby zariadenie bolo správne preklasifikované (STN EN , 2015). Pre účely klasifikácie laserových zariadení sa používa rozdelenie do tried (podl a zvyšujúcej sa nebezpečnosti pre oko): trieda 1, trieda 1C, trieda 2, trieda 2M, trieda 3R, trieda 3B a trieda 4. Klasifikácia bola vyvinutá preto, aby pomohla užívatel ovi pri hodnotení rizík laserov a pre stanovenie nevyhnutných riadiacich opatrení. Klasifikácia laserov zodpovedá potenciálnej nebezpečnosti prístupného laserového žiarenia s prihliadnutím na možnost poškodenia pokožky a oka, pričom neberie do úvahy ostatné potenciálne nebezpečenstvá ako elektrické, mechanické alebo chemické, prípadne riziká vyvolané sekundárnym optickým žiarením (STN EN , 2015). V nariadení vlády SR č. 410/2007 Z. z. o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamestnancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou umelému optickému žiareniu sú uvedené: 1. Limitné hodnoty expozície laserovému žiareniu, 2. požiadavky a náležitosti posudzovania rizík z expozície umelému optickému žiareniu, 3. opatrenia na odstránenie alebo zníženie rizík z expozície umelému optickému žiareniu, 4. minimálny rozsah poučenia zamestnancov pracujúcich s laserovým zariadením, 5. povinnosti zamestnávatel a zabezpečit primeraný zdravotný dohl ad pre zamestnancov, 6. náležitosti prevádzkového poriadku pri používaní laserového zariadenia (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). Posudzovanie rizík z expozície umelému optickému žiareniu: Zamestnávatel je povinný posúdit úroveň umelého optického žiarenia, ktorému sú zamestnanci exponovaní, a ak je to potrebné, zabezpečí meranie alebo vypočíta jeho úroveň, aby bolo možné stanovit a realizovat opatrenia na zníženie alebo odstránenie tejto expozície. Na posúdenie, meranie alebo výpočet expozície umelému optickému žiareniu sa používajú metodiky uvedené v príslušných harmonizovaných medzinárodných normách a odporúčaniach. Posudzovanie alebo výpočet expozície umelému optickému žiareniu sa môže vykonat s použitím údajov o úrovniach žiarenia poskytovaných výrobcom zariadenia. Posudzovanie, meranie alebo výpočet expozície umelému optickému žiareniu vo vhodných časových intervaloch v závislosti od druhu zdroja umelého optického žiarenia a miery rizika zabezpečuje 8

9 pracovná zdravotná služba. Meranie alebo výpočet expozície umelému optickému žiareniu môžu vykonávat aj právnické osoby alebo fyzické osoby, ktoré majú pre túto činnost vydané osvedčenie o odbornej spôsobilosti. Údaje o úrovni expozície umelému optickému žiareniu získané na základe posudzovania, merania alebo výpočtu sa uchovávajú v písomnej forme po dobu 20 rokov od skončenia práce na pracovisku s expozíciou umelému optickému žiareniu (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). Pri posudzovaní rizík z expozície umelému optickému žiareniu zamestnávatel prihliada najmä na: úroveň, vlnovú dĺžku a dĺžku trvania expozície umelému optickému žiareniu a ich vplyv na prekračovanie hodnôt podl a písmena b), limitné hodnoty expozície, vplyv na bezpečnost a zdravie osobitných skupín zamestnancov, vplyv na bezpečnost a zdravie zamestnancov v prípade vzájomného pôsobenia optického žiarenia a fotosenzitívnych chemických látok na pracovisku, nepriame účinky, ako napríklad výbuch alebo požiar, doplnkové vybavenie navrhnuté na zníženie úrovne expozície umelému optickému žiareniu, príslušné informácie získané výkonom zdravotného dohl adu vrátane publikovaných informácií, spolupôsobenie viacerých zdrojov expozície umelému optickému žiareniu, zaradenie lasera do triedy v súlade s príslušnými harmonizovanými normami a podobné klasifikovanie akéhokol vek umelého zdroja, ktorý môže spôsobit podobné poškodenie ako laser triedy 3B a 4, informácie poskytované výrobcami zdrojov optického žiarenia a príslušných pracovných zariadení (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). Ochranné opatrenia pri manipulácii s laserovým zariadením: Ak nie je manipulácia s laserovým zariadením zabezpečená tak, aby sa vylúčilo zasiahnutie osôb lúčmi lasera, používa sa najväčší použitel ný priemer lúča a len taká energia výstupného výkonu, ktorá je predané použitie laserového zariadenia nevyhnutná. Nastavovanie optických systémov laserového zariadenia okrem laserového zariadenia triedy 1 sa zabezpečuje spôsobom, ktorý vylučuje zasiahnutie oka a kože laserovým žiarením s hodnotami vyššími, ako sú uvedené v tomto nariadení, 9

10 Mikroskopy, d alekohl ady a iné optické systémy, ktoré sa používajú na pozorovanie priameho alebo odrazeného žiarenia lasera, sa upravia tak, aby vystavenie oka žiareniu lasera neprekračovalo najvyššie prípustné hodnoty, Ak sa nedá vylúčit zasiahnutie očí a kože zamestnancov pracujúcich s laserovým zariadením priamym alebo zrkadlovo odrazeným žiarením alebo difúzne odrazeným žiarením s hodnotami vyššími, ako je uvedené, ochrana očí a kože sa zabezpečuje účinnými osobnými ochrannými pracovnými prostriedkami, Ak je to nevyhnutné, možno lúč lasera smerovat do vol ného priestoru bez ukončenia absorpčnými terčmi. V takomto prípade možno laserové zariadenie po predchádzajúcom posúdení príslušným orgánom štátnej správy v oblasti verejného zdravotníctva použit len na účely, ktoré takéto usporiadanie vyžadujú. Pri použití laserového zariadenia mimo uzavretých objektov sa lúč lasera usmerňuje tak, aby neboli zasiahnuté nezamerané subjekty. V priestore, v ktorom sa pracuje s laserovým zariadením, nemôžu byt uložené látky, z ktorých vplyvom laserového žiarenia môžu vzniknút škodlivé plyny alebo výbušné zmesi, Súčast ou ochranných opatrení sú požiadavky na označovanie a vybavenie laserového zariadenia a pracoviska, na ktorom sa toto zariadenie používa, a zabezpečenie bezpečnostných a zdravotných požiadaviek na pracovisko s laserovým zariadením (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). Požiadavky na označovanie a vybavenie laserového zariadenia a pracoviska s laserovým zariadením: Vchody do priestorov, v ktorých je umiestnené laserové zariadenie triedy 1M, 2, 2M, 3R, 3B alebo 4, sa označujú príslušnou výstražnou značkou, Laserové zariadenie sa vybavuje svetelnou a akustickou signalizáciou chodu a štítkom s príslušným textom v súlade s príslušnou technickou normou, Laserové zariadenie vybavené pevným krytom sa označuje zákazom snímania krytu. Pri zámernom odstránení krytu sa s týmto zariadením zaobchádza ako s laserovým zariadením triedy zodpovedajúcej parametrom jeho výstupného žiarenia a vykonávajú sa všetky ochranné opatrenia ustanovené týmto nariadením vlády pre laserové zariadenie danej triedy (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). 10

11 Prevádzkový poriadok pracovísk, na ktorých sa používa laser triedy 2 až 4, alebo v prípade rizika nadmernej expozície očí aj laser nižšej triedy, obsahuje najmä: posudok o riziku, návod na obsluhu laserového zariadenia a režim práce, technickú dokumentáciu laserového zariadenia, zakázané manipulácie a úkony, pri ktorých môže dôjst k nežiaducemu zasiahnutiu osôb lúčom, zoznam osôb oprávnených na prácu s laserom, postup pri havárii a inej mimoriadnej udalosti, preventívne a ochranné opatrenia na odstránenie alebo zníženie rizika vyplývajúceho z expozície laserovému žiareniu (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007). Povinnost vypracovat prevádzkový poriadok sa nevzt ahuje na pracoviská, na ktorých práca s laserovým zariadením nie je stálou súčast ou pracoviska. (Nariadenie vlády SR č. 410/2007, 2007) Vpríloheč.1.Vyhláškyč.448/2007Z.z.jeuvedenýfaktorOptickéžiarenie Lasery.Vzmysletejto vyhlášky sa do druhej kategórie zarad uje práca s lasermi triedy 2, 2M a 3R a taktiež práca s lasermi triedy 3B a 4, pri ktorých technické zabezpečenie a spôsob používania vylučujú zásah zamestnancov priamym alebo odrazeným lúčom. Do tretej kategória sa zarad ujú práce s lasermi triedy 3B a 4, pri ktorých technické zabezpečenie a spôsob používania nevylučujú zásah zamestnancov priamym alebo odrazeným lúčom (Vyhláška MZSR č 448/2007 z.z., 2007). Prvá norma z oblasti zvárania laserom STN Bezpečnostné ustanovenia pre laserové zváranie kovov bola vydaná v roku Spracovatel om bol Výskumný ústav zváračský v Bratislave. Táto norma ČSN je od normou STN s pôvodným číslom. V norme sú definované bezpečnostné opatrenia pre laserové zváranie, pričom táto norma sa musí používat súčasne s normami STN (Zváranie. Bezpečnostné ustanovenie pre zváranie kovov. Projektovanie a príprava pracovísk) a STN (Bezpečnostné ustanovenia pre zváranie kovov. Prevádzka. ) V zmysle tejto normy: Pred škodlivými účinkami laserového žiarenia sa pracovník musí chránit predpísanými okuliarmi s ochranným účinkom pre vlnovú dĺžku žiarenia vznikajúceho na používanom laserovom zváracom zariadení. Optické systémy sa musia nastavovat takým spôsobom, ktorý vylučuje expozíciu oka nad medznú prípustnú hodnotu. Mikroklimatické podmienky na pracovisku musia vylúčit zahmlievanie optiky, zrážanie vlhkosti na krytoch a kondenzáciu vodných pár vnútri laserov (STN , 1993). 11

12 Na základné materiály s vysokým súčinitel om odrazu sa musí pred spracúvaním laserom naniest povrchová vrstva obmedzujúca odraz laserového lúča alebo je potrebné urobit iné opatrenie, ktoré obmedzí nepriaznivé pôsobenie odrazov. Pri programovaní a overovaní automatickej činnosti laserového zváracieho zariadenia pracovník nesmie byt vo vymedzenom nebezpečnom priestore, ak nie je kombináciou ochranných prvkov vylúčené jeho ohrozenie laserovým lúčom. Na dverách miestnosti, kde je umiestnené laserové zváracie zariadenie, aj na laserovej hlave musí byt výstražná bezpečnostná značka. Údržbaa opravazdrojalaserovéhožiareniasa smie robit ažpo odpojeníprívoduelektrickejenergie a vybití zostatkových napätí vyskratovaním voči ochrannej svorke na to určeným skratovacím prípravkom (STN , 1993). Zo slovenských technických noriem taktiež stoja za pozornost STN EN : 2007 Bezpečnost laserových zariadení. Ochranné kryty laserov, ktorá špecifikuje požiadavky na ochranné kryty lasera, stále alebo dočasné (napríklad pri údržbe), ktoré vymedzujú pracovnú zónu laserových obrábacích strojov a požiadavky na originálne ochranné kryty laserov s výrobcom zaručeným ochranným účinkom. Za významné normy treba považovat aj tie, ktoré sú zamerané na ochranu očí proti laserovému žiareniu. Prvou z nich je STN EN Osobné prostriedky na ochranu očí. Filtre a prostriedky na ochranu očí proti laserovému žiareniu (ochranné okuliare proti laseru). Táto európska norma sa vzt ahuje na prostriedky na ochranu očí, ktoré sa používajú na ochranu proti náhodnej expozícii laserovému žiareniu v spektrálnom rozsahu od 180 nm (0,18 m) do m. Druhou z noriem je STN EN 208: 2010 sobné prostriedky na ochranu očí. Prostriedky na ochranu očí počas nastavovania laserov a laserových systémov (ochranné okuliare na nastavovanie lasera). Táto európska norma sa vzt ahuje na filtre a ochranné prostriedky na ochranu očí pri nastavovaní laserov a laserových systémov definovaných v EN :2015 Škodlivé účinky laserov na zdravie človeka Z hl adiska mechanizmu poškodenia sa môžu prejavit účinky spôsobené vyžarovaným lúčom a účinky spôsobené samotným zariadením pri údržbe a opravách. Vyžiarený lúč má tepelné (koagulácia), mechanické (nárazové, tlakové) a elektrické účinky (v mieste dopadu môže vzniknút elektrické pole). Kritickými orgánmi sú koža a oko. Mechanizmus, ktorým laserové žiarenie spôsobuje poškodenie tkanivá je podobný pre všetky biologické systémy a môže zahrňovat súčasné pôsobenie tepla, termoakustických zmien a fotochemických procesov. Laserové žiarenie sa odlišuje od väčšiny d alších známych žiarení kolimáciou zväzku. Laserové žiarenie so vstupným vysokým objemom energie, vedie k prenosu nadmerného množstva energie do 12

13 biologického tkaniva. Základnou príčinou všetkých typov poškodenia biologických systémov laserovým žiarením je absorpcia žiarenia týmto systémom. Absorpcia prebieha na úrovni atómov alebo molekúl a tento proces je závislý na vlnovej dĺžke, ktorá určuje, ktoré tkanivo je určitý laser schopný poškodit (STN EN , 2015). Ak systém absorbuje dostatočné množstvo energie, molekuly, ktoré ho tvoria zrýchlia svoje kmitanie a tým dôjde k zvýšeniu teploty. Väčšina poškodení tkaniva laserom je spôsobená ohriatím absorbujúceho tkaniva alebo tkanív. Toto tepelné poškodenie sa obvykle vzt ahuje k obmedzenej ploche, ktorá je väčšia ako je miesto priamo absorbujúce laserové žiarenie a jeho stred je v mieste dopadu ožarujúceho zväzku. Bunky v tejto oblasti vykazujú spálenie a poškodenie tkaniva plynúce predovšetkým z rozložených proteínov (STN EN , 2015; STN EN 207, 2000). Poškodenie môže byt taktiež výsledkom fotochemického procesu, ktorý je vyvolaný absorpciou danej energie žiarenia. Skôr ako uvol nenie energie však prebiehajú chemické reakcie. Je dokázané, že tieto reakcie sú schopné vyvolat poškodenie už pri nízkych úrovniach ožiarenia. Vplyvom tohto mechanizmu môžu niektoré biologické tkanivá (pokožka, šošovka oka, čiastočne sietnica) vykazovat nezvratné zmeny spôsobené dlhým ožiarením miernymi úrovňami UV žiarenia a svetla s krátkou vlnovoudĺžkou.takétofotochemickézmeny môžuviest kpoškodeniusystému,akje dobatrvaniaožiarenia nadmerná, alebo sa dlhšiu dobu opakujú kratšie ožiarenia (STN EN , 2015; Henderson, 1997). Lasery s vysokými špičkovými výkonmi a s krátkymi pulzmi môžu zväčšit poškodenie tkaniva rozdielnou kombináciou mechanizmov vyvolávajúcich poškodenie. Energia je dodávaná k biologickému tkanivu vo vel mi krátkom čase a preto vzniká vysoká intenzita ožarovania. Tkanivo je pritom vystavené rýchlemu nárastu teploty a kvapalné zložky tkaniva sa premenia na plyn. Vo väčšine prípadov je táto zmena taká rýchla, že bunky praskajú. Zmeny tlaku tak vyvolávajú kruhovú oblast v okolí spáleného centra. Podobné zmeny tlaku môžu vznikat pôsobením tepelnej rozt ažnosti (STN EN , 2015). Niektoré biologické tkanivá, ako napr. pokožka, očná šošovka a čiastočne aj sietnica, môžu vykazovat nezvratné zmeny vyvolané dlhým ožiarením svetlom miernej úrovne. Zmeny sú výsledkom fotochemických reakcií vznikajúcich z aktivácie molekúl. Aktivácia je spôsobená zachytávaním fotónov. Takéto fotochemické zmeny môžu viest k poškodeniu tkaniva pri nadmernom ožiarení, alebo ak bolo tkanivo ožarované opakovane kratšiu dobu (Micron Laser Overview, 2015).V tabul ke 1 sú uvedené druhy biologického nebezpečenstva v závislosti od rôznych typov laserov. Lasery pracujúce vo viditel nej a krátkovlnnej infračervenej oblasti spektra sú vel mi nebezpečné pre oči, pretože vel a vlastností potrebných preto, aby oči boli účinným snímačom svetla spôsobuje, že na silno pigmentované časti oka dopadá vysoká dávka ožiarenia. Zvýšenie intenzity ožarovania medzi rohovkou a sietnicou je približne dané pomerom plochy zornice k ploche obrazu, vytvoreného na sietnici dopadajúcim svetlom. (Micron Laser Overview, 2015; STN EN , 2015). Prevlnovédĺžky v rozsahuod 400do 1400nm sa za najväčšienebezpečenstvopovažujepoškodenie sietnice. Pre vlnové dĺžky menšie ako 400 nm a väčšie ako 1400 nm je najväčším nebezpečenstvom 13

14 Tabul ka 1: Druhy biologického nebezpečia v závislosti od rôznych typov laserov (Henderson a Schulmeister, 2004) Typ lasera Vlnová dĺžka Biologický Pokožka Rohovka Šošovka Sietnica [µm] účinok CO2 10,6 tepelný x x H2 F2 2,7 tepelný x x Erbium:YAG 1,54 tepelný x x Nd:YAG 1,33 tepelný x x x x Nd:YAG 1,06 tepelný x x GaAs diodový 0,78-0,84 tepelný x He-Ne 0,633 tepelný x Argón 0,488-0,514 fotochem. x x fotochem. Excimer:XeF 0,351 fotochem. x x x XeCl 0,308 fotochem. x x KrF 0,254 fotochem. x x poškodenie rohovky alebo šošovky. Pre zdroje s rozbiehavým zväzkom s týmito vlnovými dĺžkami by malo byt zabránené priblíženiu oka ku zdroju na malú vzdialenost (STN EN , 2015). Pokožka môže znášat d aleko väčšie množstvo ožiarenia energiou laserového zväzku ako oko. Biologické účinky ožiarenia kože laserom pracujúcim vo viditel nej oblasti spektra (400 nm až 700 nm) a infračervenej (700 nm až 1060 nm) sa môžu menit od mierneho sčervenania až po vel ké opuchy. V tkanivách s vel kou pohltivou absorpciou je po ožiarení vel mi krátkymi pulzmi laserov s vysokým špičkovým výkonom prevládajúci popolavý povlak. Biologické účinky nemusia byt doprevádzané sčervenaním. Extrémne vysokým ožiarením môže vzniknút pigmentácia, zápal a zjazvenie pokožky, ako aj poškodenie podkožných orgánov. Skryté, alebo kumulatívne účinky laserového žiarenia neboli zistené ako prevládajúce, aj ked niektoré výskumy naznačujú, že pri špeciálnych podmienkach, malé oblasti l udského tkaniva, môžu byt citlivé na opakované lokálne ožiarenie s tým výsledkom, že dôjde k zmene úrovne ožiarenia, nevyhnutnej k minimálnej reakcii a reakcie sú pre takéto nízko úrovňové ožiarenia silnejšie (Lasers In Manuf., June 2008). Riziká pri práci s lasermi Prevádzkou zariadení používajúcich laser môžu vzniknút nasledujúce riziká: mechanické riziko, elektrické riziko, riziko hluku, tepelné riziko, vibračné riziko, 14

15 Obrázok 6: Pôsobenie laserového žiarenia rôznych vlnových dĺžok na l udské oko(micron Laser Overview, 2015) riziká vytvárané žiarením, napr. riziká tvorené priamym alebo odrazeným lúčom, riziká tvorené ionizujúcim žiarením, a pod., riziká spôsobené zanedbaním ergonomických zásad pri konštrukcii zariadenia, riziká vytvárané v súvislosti s materiálmi, napr. vzájomné pôsobenie laserového lúča a materiálu, riziká vytvárané látkami použitými v stroji (laserové plyny, rozpúšt adlá, plyny generujúce laserové žiarenie, laserové farbivá) (Henderson, 1997). Dodávka energie a prostredie v ktorom stroj pracuje, môžu spôsobovat poruchy stroja, čo spôsobuje rizikové stavy, alebo vyžaduje najrôznejšie zásahy v rizikových priestoroch. K d alším rizikovým faktorom prostredia patria: teplota, vlhkost, 15

16 vonkajšie nárazy- vibrácie, pary, prach, plyny z okolia, elektromagnetické- rádiofrekvenčné rušenie, prerušovania- kolísanie napätia, ako aj nedostatočná hardvérová a softvérová kompatibilita a integrita (Henderson a Schulmeister, 2004). Znečistenie ovzdušia: vyparený materiál a produkty reakcií pri tepelnom delení (rezaní), vŕtaní a zváraní laserom. Tieto materiály môžu tiež obsahovat azbest, oxid uhličitý, oxid uhol natý, ozón, olovo, ortut, ostatné kovy a biologické materiály, plyny z laserových systémov s prúdiacim plynom, alebo plyny z vedl ajších produktov laserových reakcií, ako bróm, chróm a kyanovodík, plyny a pary z kryogénnych chladiacich látok (Henderson, 1997; Henderson a Schulmeister, 2004). Riziká vedl ajších žiarení: vedl ajšie ultrafialové žiarenie - môžu sa vyskytnút významné nebezpečenstvá spôsobené UV žiarením pri zábleskových svetelných zdrojoch a výbojkách, špeciálne tam, kde sú použité na prenos UV žiarenia rúrky, alebo zrkadlá (napr. kremeň), viditel né a infračervené žiarenie- vyžarované z bleskových výbojok a budiacich zdrojov a konečné opätovné vyžarovania môžu byt tak intenzívne, že môžu spôsobit potenciálne nebezpečenstvo (Henderson, 1997). Ďalšie riziká: Možnost explózie kondenzátorovej batérie alebo optických systémov budenia je aktuálna počas prevádzky niektorých laserových zariadení vysokého výkonu. Pri takých operáciách, ako rezanie, vŕtanie, alebo zváranie je možné, že v pracovnej oblasti dôjde k úletu častíc opracovaného materiálu. Rovnako sú možné explozívne reakcie činidiel chemických laserov alebo plynov (Henderson a Schulmeister, 2004).tgarte (Disk laser diversify, 2012). Aktívne prostredie diskových Yb:YAG (vlnová dĺžka nm) laserov je formované do tvaru disku s hrúbkou niekol kých desatín milimetra a priemerom do 10 mm (Novák, 2011; Průmyslové lasery, 2012). Referencie Callister, W. D Materials Science and Engineering an Introduction. USA: Willey. ISBN

17 Gajtanska, M., Christov, I., a Igaz, R Lasery a ich využitie v priemysle. Zvolen: TU Zvolen. ISBN , 295 strán. Grigorjanc, A. G Osnovy lazernoj obrabotki materialov. Moskva: Mašinostroenie Moskva. Haken, H Laser Theory. Berlin: Springer Verlag. Henderson, R. a Schulmeister, K Laser Safety. Institute of Physics Publishing. ISBN , 459 strán. Henderson, R. A A Guide to Laser Safety. Cornwall: T. J. International. ISBN , 243 strán. Kuncipál, J., Pilous, V., a Dunovský, J Nové technologie ve svařování. Praha: SNTL. Lošák, G LASER - v službách delenia a spájania materiálov. Dostupné na internete: Meyers, R. A Encyclopedia of Physical Science and Technology. San Diego: Academic Press. Mičietová, A., I., Maňková, a K., Velíšek Top trendy v obrábaní. V. čast Fyzikálne technológie obrábania. Žilina: MEDIA/ST Žilina. Novák, M Hlavní typy laserů používaných v průmyslu. In: Lasery a Optika. Dostupné na internete: hlavni-typy-laserupouzivanych-v-prumyslu-128 Ready, J. F LIA Handbook of materials Processing. Orlando: Magnolia Publishing. ISBN ISBN , 964 strán. Shan, J Welding and joining of magnesium alloys. Laser welding of magnesium alloys. In: LIU Cambridge: s Steen, W. M Laser Materials Processing. London: Springer-Verlag. ISBN , 896 strán. ASM Handbook ASM HANDBOOK Welding, Brazing and Soldering. Metals Park Ohio: ASM International. ISBN ASM Metals Handbook ASM Metals Handbook: Machining process. ASM Metals Handbook ASM Metals Handbook: Welding, Brazing and Soldering. Disk laser diversify Disk laser diversify and power up. Dostupné na internete: 17