Témata
Reklama

Svařování mědi vysokovýkonnými vláknovými lasery

Přesné strojírenství, automobilový průmysl a spotřební elektronika stojí za stále výraznějším rozšiřováním mědi a jejích slitin do různých výrobků a strojních součástí. S vývojem nových technologií baterií a zvyšováním jejich kapacit rostou požadavky na kvalitu a produktivitu spojování těchto materiálů. Pro spoje v oblasti spotřební elektroniky je stále nejpoužívanější technologie pájení, v aplikacích náročnějších na mechanické namáhání nebo přenos větších proudů je nutno přistoupit k procesu svařování.

Roman Švábek

Je absolventem oboru Materiálové inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze. Od roku 2005 se věnuje laserům a průmyslovým laserovým technologiím. Je jednatelem české pobočky společnosti IPG Photonics, která zajišťuje prodej a servis produktů IPG na českém, slovenském a maďarském trhu.

Neustále se zvyšující produkce elektromobilů a rozšiřující se oblast elektromobility má mimo jiné za následek rostoucí poptávku po efektivních, spolehlivých a robustních řešeních z oblasti svařování mědi a slitin mědi. Z historického hlediska byly pro svařování těchto materiálů největší překážkou jejich fyzikální vlastnosti. V dnešní době se díky dostupnosti vysokovýkonných vláknových laserů s vynikající kvalitou svazku úspěšně daří tyto překážky eliminovat a je možné dosahovat kvalitních svarů bez jakýchkoli vad.

Reklama
Reklama
Reklama

Jak svařit měď laserem?

Jak již bylo naznačeno, obtížnost svařování mědi laserem je spojena se dvěma klíčovými fyzikálními vlastnostmi: vysokou odrazivostí povrchu pro většinu typů průmyslově používaných laserů a velmi dobrou tepelnou vodivostí mědi neboli její konduktivitou. Je obecně známo, že spolu se snižující se vlnovou délkou laseru se absorpční charakteristiky povrchu mědi vylepšují, méně tepla je tedy spojovanými materiály odraženo. To znamená, že lasery emitující záření ve viditelném spektru (např. zelené – vlnová délka 532 nm) jsou pro svařování mědi velmi vhodné. Problémem však je, že takové lasery nejsou ve výkonech potřebných pro svařování mědi dostupné buď vůbec, nebo nesplňují podmínky pro náročné průmyslové aplikace. Největším omezením běžně dostupných laserů s infračervenou vlnovou délkou (kolem 1 µm) je u mědi absorpce v pevné fázi. Pokud se však materiál podaří natavit nebo jej dokonce částečně odpařit, je laserový svazek absorbován výrazně lépe.

Neporušený povrch mědi absorbuje méně než 4 % infračerveného laserového záření, u měděných par v případě metody svařovaní klíčovou dírkou (keyhole welding) však tato hodnota dosahuje již více než 60 %. Při procesu svařování je tedy žádoucí stav s vysokoreflexním povrchem co nejrychleji přejít – k tomu se velmi dobře hodí vláknové lasery s vysokou hustotou výkonu, které umožňují rychlé natavení povrchu a vypaření povrchové vrstvy mědi. Při testech vysokorychlostní kamerou bylo zjištěno, že za méně než 1 ms dojde k dosažení stabilního procesu svařování. V případě kontinuálních (CW) laserů k tomuto jevu dochází vždy pouze jednou, a to na začátku svařovacího procesu. U laserů pracujících v pulzním režimu však výše popsaná situace nastává na začátku každého jednotlivého pulzu. Požadované vysoké hustoty výkonu lze jednoduše docílit tzv. single-mode vláknovými lasery.

Vláknové lasery single-mode (SM) mají vynikající kvalitu svazku a možnost velmi přesné fokusace. Firma IPG vyrábí vysokovýkonné kontinuální SM lasery s výkonem až 10 kW ve známém a prověřeném průmyslovém designu, který umožňuje používat laser v běžných podmínkách a nevyžaduje pro provoz laseru čistý prostor. Takový laser dosahuje hustoty výkonu než 108 W.cm-2 – ve srovnání s běžně používanými multi-mode (MM) lasery je tato hodnota více než 50x vyšší. Firma IPG nabízí SM lasery v kompaktním 19" rackovém provedení YLR v rozmezí výkonů 100 až 1 000 W. Pro vyšší výkony je k dispozici systém YLS – zde se maximum pohybuje na úrovni 10 kW. Oba typy disponují velmi vysokou účinností – více než 40 %.

Systém YLS dosahuje maximálního výkonu 10 kW.
Single-mode lasery v kompaktním 19" rackovém provedení YLR v rozmezí výkonů 100 až 1 000 WSystém YLS dosahuje maximálního výkonu 10 kW.

Jak se vyhnout rozstřikům?

Při svařování mědi laserem je dalším problémem nestabilita provázející proces při nízkých svařovacích rychlostech. U rychlostí nižších než 5 m.min-1 se lze obvykle setkat s rozstřikem svarové lázně a následným vznikem pórů či nepravidelných tvarů svarové housenky. Se zvýšením rychlosti svařování se daří tyto problémy eliminovat a proces se postupně stabilizuje. V rozmezí rychlostí 5 až 15 m.min-1 již kvalita svarových spojů dosahuje akceptovatelné úrovně a nad rychlost 15 m.min-1 jsou svary obyčejně kompletně bez vad. To však prakticky znamená, že nejlepších výsledků je u svarových spojů dosahováno při rychlostech, u nichž se běžně používaná polohovací zařízení či průmyslové roboty dostávají na svůj limit. Kromě toho se s rostoucí rychlostí snižuje hloubka průvaru, a svar tak proto nemusí splňovat potřebné, např. pevnostní požadavky. Tento negativní jev lze řešit zvýšením výkonu laseru, to však vyžaduje vyšší vstupní investici na výkonnější laserový zdroj.

Rozmítací svařovací hlava (wobble head) v provedení FLW-D50 a FLW-D30

Nejnovější výsledky testů ukázaly, že svarový proces může být stabilizován nikoli pouze zvýšením rychlosti ve směru svařování, ale také dynamickým vychýlením svazku v jiných směrech neboli rozmítáním. Tato technologie umožňuje docílit kvalitních a stabilních svarů při relativně nízkých rychlostech a je tedy řešením výše popsaných problémů. Firma IPG vyvinula k tomuto účelu rozmítací svařovací hlavu – wobble head. Rozmítací svařovací hlava je nabízena ve dvou provedeních FLW-D50 a FLW-D30, může pracovat s frekvencí rozmítání až 1 kHz a lze ji snadno integrovat do polohovacích zařízení a na ramena průmyslových robotů. Od základních svařovacích hlav se rozmítací hlavy odlišují integrovanou skenovací optikou umožňující rychlý dodatečný pohyb laserového svazku ve dvou směrech – vytvořit lze tvar kruhový, symboly „8“ a „∞“, nebo je možno aplikovat jednoduchý lineární pohyb. To všechno znamená, že s touto technologií je možné dosáhnout velmi kvalitních svarů u mědi a jejích slitin – s výkonem 1 kW (SM laser) lze docílit hloubky průvaru až 1,5 mm bez jakýchkoli vad svaru. Hloubku svaru lze navíc úpravou parametrů procesu jednoduše řídit bez vlivu na kvalitu svaru. Rozmítací hlavu je také možné samozřejmě použít s běžným vláknovým MM laserem – v tomto případě bylo při testech s laserem o výkonu 6 kW a BPP (beam parameter product) 2 mm.mrad docíleno svarů bez vad s hloubkou průvaru až 5 mm.


Integrovaná skenovací optika umožňuje rychlý dodatečný pohyb laserového svazku ve dvou směrech – vytvořit lze tvar kruhový, symboly „8“ a „∞“ nebo je možné aplikovat jednoduchý lineární pohyb.

Svarové spoje bez vad

Závěrem lze říci, že vláknové lasery IPG umožňují díky unikátním vlastnostem laserového svazku překonat obvyklé problémy známé při laserovém svařování mědi. Vysoká hustota výkonu dovoluje rychlé natavení základního materiálu, čímž je dosaženo rychlé a stabilní absorpce laserového svazku i přes vlnovou délku 1 070 nm (vlnová délka vláknových laserů). V kombinaci s dynamickým rozmítáním svazku je navíc stabilizována svarová lázeň a výsledkem jsou svarové spoje bez vnějších či vnitřních vad. Úpravou parametrů procesu lze navíc snadno měnit a řídit výslednou geometrii svarového spoje. Tím je možné splnit náročné požadavky na kvalitní a funkční svary u mědi a jejích slitin.

Ukázka svaru mědi vytvořeného rozmítací hlavou IPG (velikost spotu d = 30 μm, amplituda 600 μm)

IPG Laser, umístění na MSV: pavilon B, stánek 54

Ing. Roman Švábek

rsvabek@ipgphotonics.com

www.ipgphotonics.com

Reklama
Související články
Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

V nejisté době je univerzálnost řešením

Automatizace průmyslových procesů řeší problémy s nedostatkem kvalifikované pracovní síly, nahrazuje fyzicky namáhavou či zdravotně škodlivou činnost, snižuje chybovost lidského faktoru, zkracuje výrobní časy a v konečném důsledku přispívá ke zvýšení kvality a zisku. Nejen toto je pro ředitele společnosti Acam Solution Ing. Pavla Bortlíka a jeho tým motivace, ale i zábava. Za relativně krátkou dobu na trhu se firma stala, ať už napřímo, či přes své obchodní partnery, dodavatelem společností jako Volkswagen, Toyota, Olympus, Škoda Auto, Edwards, TE, BOSH, Heinze Gruppe, Woco STV či Fanuc a nyní přichází s řešením vhodným nejen pro velké výrobce, ale také pro malé a střední podniky – s univerzální robotickou buňkou HXG. Důležitým komponentem v této buňce je mimo jiné systém pro upínání nulového bodu VERO-S od společnosti Schunk.

Související články
Špičkové technologie dnes i zítra

Společnost Trumpf je renomovaný výrobce technologií na zpracování plechů a profilů a laserů pro průmysl. Výrobní historie se pomalu blíží celé stovce let a česká pobočka s obratem zhruba sto milionů eur za rok patří k důležitým průmyslovým hráčům nejen na českém trhu. Bylo proto jasnou volbou požádat ředitele společnosti Trumpf Praha Romana Haltufa, aby čtenářům MM Průmyslového spektra prozradil, kam se vývoj v tomto nepostradatelném oboru za minulá léta posunul.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Laserová svařovací buňka, která promíjí nepřesnosti v plechu

Vstup do oblasti laserového svařování se stává snadnějším než dříve díky tolerantnímu laserovému svařování metodou FusionLine a balíčku pro náběh výroby. Nové konstrukční prvky a softwarové komponenty zjednodušují obsluhu.

Kompaktní laserová pracovní stanice

Laserové zpracování kovů, které bylo kdysi vyhrazeno pro drahé letecké a medicínské technologie, se postupem času stalo běžnou technologií v mnoha průmyslových odvětvích. Ve srovnání s tradičními laserovými zdroji, které vyžadují drahý spotřební materiál a pravidelnou údržbu optických součástí, jsou dnešní vláknové lasery v podstatě bezúdržbové. Kromě velmi vysoké technické úrovně a sofistikovanosti, které tyto lasery nabízejí, jsou nyní mimořádně cenově konkurenceschopné. Náklady na laserové diody se v posledních letech snížily o více než 80 , a proto se stroje používající vláknové lasery staly mimořádně cenově efektivním řešením pro mnoho aplikací zpracování materiálu.

Automatizované laserové svařování hliníku

Několik zemí už oznámilo plány na postupné ukončení výroby automobilů se spalovacími motory ve prospěch elektromobilů. Stejně jako u každé nové technologie jsou však i zde několikerá úskalí. Jedním z nich jsou vysoké náklady na výrobu baterií. Akumulátor je jednou z nejdražších součástí pohonného ústrojí elektromobilu. Ke snížení celkových nákladů je zapotřebí co nejúčinnější výrobní technologie.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Lasery pro značení plastů, řezání skla, svařování mědi

Nejen na veletrhu v Mnichově, kam přehlídka laserů z podstaty patří, představila společnost Trumpf lasery s různými možnostmi aplikací. Potkáme je i na brněnském veletrhu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit