Témata
Reklama

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.

Doc. Libor Mrňa

Absolvoval MU v Brně. Přes dvacet let se v průmyslu zabýval technologiemi laserového dělení materiálu, laserového svařování a povrchového kalení laserem. V současnosti vede na ÚPT AV ČR výzkumnou skupinu Laserové technologie. Souběžně působí na Fakultě strojního inženýrství  VUT v Brně na Ústavu strojírenské technologie; vyučuje předmět Speciální metody svařování.

V základní podobě při laserovém svařování dopadá zaostřený laserový paprsek na povrch materiálu. Při nižších výkonových hustotách (závisí také na odraznosti a tepelné vodivosti materiálu a na posuvné rychlosti) dojde pouze k natavení povrchu materiálu. Pak výsledný svar je mělký, podobá se svarům při obloukovém svařování. Tento režim se nazývá kondukční svařování. Při vyšších výkonových hustotách přejde svařování do tzv. penetračního režimu, kdy se ve svarové lázni vytvoří dutina zvaná keyhole. Díky tomuto efektu vzniká štíhlý a hluboký svar, typický pro tuto technologii. Nicméně neustálý tlak uživatelů na rychlost a kvalitu výroby, požadavky na geometrii svarů, kvalitu svarů a také svařování obtížně svařitelných materiálů vedou k dalšímu rozvoji laserových svařovacích technologií.

Reklama
Reklama

Skenerové svařování

Zvyšování svařovací rychlosti je obecně závislé na dvou faktorech: výkonu laseru a dynamice polohovacího systému. V dnešní době jsou dostupné lasery s výkonem dostatečným, aby svařování probíhalo rychlostmi vyššími než 100 mm.s-1 (samozřejmě tenkých plechů). Při tak velkých svařovacích rychlostech v případě tvarově složitých svarů však začínají problémy s dynamikou polohovacího systému, který nese svařovací hlavu mající (nežádoucí) setrvačnou hmotnost. Možné řešení nabízí takzvané skenovací svařování, kdy se pro pohyb laserového paprsku po svařenci využívají dvě počítačem řízená zrcadla ve skenerové hlavě, která dokážou laserovým paprskem velice rychle pohybovat v rámci určité plochy (typicky čtverec o hraně desítek až několika stovek mm). Tímto způsobem lze prudce zvýšit dynamiku svařovacího procesu, neboť se nepohybuje svařovací hlava. Samozřejmě i tato metoda má svá omezení daná maximálně přenášeným výkonem, neboť zrcadla nemohou být aktivně chlazena kapalinou, ale pouze (méně účinně) proudícím vzduchem. Větší flexibility technologie je dosaženo upevněním skenovací hlavy na robotické rameno. Při využití speciálního programového prostředí lze pak kombinovat pohyb hlavy s pohybem zrcadel. Tato technika se nazývá on the fly. Tím dojde k velkému rozšíření pracovního rozsahu skenerové hlavy a současně dochází i k dramatickému zkrácení svařovacích i provozních časů na jednotky procent původních. Skenerové svařování nahrazuje v automobilovém průmyslu část bodového svařování dílů karoserie. Skenovací hlava je většinou doplněna speciálním asférickým objektivem (tzv. F-theta objektiv), který drží ohnisko v rovině skenování. Druhou variantou je skenerové svařování ve 3D, kdy hlava je upevněna na portále, před vychylovacími zrcadly je předřazena pohyblivá zaostřovací čočka, jejíž pohyb je odvislý od aktuální vzdálenosti od svařovaného místa. Její poloha je většinou řízena podle 3D modelu svařence. Takto lze obsáhnout větší prostor, ale na druhé straně dochází k omezení požadavkem kolmého dopadu laserového svazku na svařované místo s maximální akceptovatelnou odchylkou cca 15°. Proto je při zřizování pracoviště na skenerové svařování potřeba zohlednit všechny tyto faktory.

Skenerové svařování je investičně a technicky poměrně náročná záležitost, avšak vzhledem k výše popsaným skutečnostem je návratnost krátká.

Galvanoskenerová jednotka. (Zdroj: ÚPT - Ústav přístrojové techniky)

Svařování s rozmítáním svazku

Při běžném laserovém svařování je šířka a celková geometrie svaru daná použitou optickou soustavou, kde kromě svařovacích parametrů (výkon laseru, rychlost posuvu) hraje roli průměr optického vlákna a  celkové zvětšení ve svařovací hlavě. Dále výsledný svar a jeho kvalita závisejí na svařovaném materiálu a jeho termofyzikálních vlastnostech. Možnou cestou dalšího řízení geometrie a kvality svaru je využití svařování s rozmítáním svazku, tzv. wobbling. Při tomto způsobu svařování laserový paprsek vytváří svar složený ze dvou pohybů. Prvním pohybem je vlastní trajektorie svaru, druhým je mikropohyb paprsku (opět pomocí vychylovacích zrcadel) po jedné z triviálních křivek (přímka, kružnice, osmička apod.). Pak například složením kružnice a lineárního posuvu vzniká hustá spirála. Změnou poloměru kružnice lze měnit šířku svaru. Kromě změny šířky závaru je nutné též přihlédnout ke skutečnosti, že při složeném pohybu laserový paprsek „míchá“ svarovou lázní, což dále ovlivňuje svar z hlediska jeho mikrostruktury a počtu svarových vad. Vzhledem k dalším doplňkovým parametrům (geometrie triviálního obrazce, jeho frekvence) je ovšem optimalizace svařovacího procesu složitější. Pro tuto metodu laserového svařování se dá využít buď výše uvedená skenerová hlava, nebo dnes jsou k dispozici i speciální hlavy optimalizované pro tuto technologii. Principem jde o skenerovou hlavu se dvěma vychylovacími zrcadly, ale vzhledem k velmi malému rozsahu vychylování lze pro zaostření svazku využít běžnou čočku a rozměrově se tato rozmítací hlava blíží běžné svařovací hlavě. S výhodou lze tuto technologii použít pro svařování hliníkových slitin a mědi, kdy oproti běžnému laserovému svaru se radikálně snižuje množství svarových vad. Kromě galvanoskenerové jednotky se dá laserový paprsek rozmítat také pomocí rotujících optických elementů (hranol, nakloněná čočka). Takto lze dosáhnout vyšších rozmítacích rychlostí, ale primitivní rozmítací křivka je pouze kružnice.

Rozmítací hlava IPG. (Zdroj: IPG)
Vliv rozmítání na geometrii svaru

Typické průměry vláken pro boční a hlavní svazek. (Zdroj: IPG)

Hybridní svařování

Obecně hybridní svařování znamená spojení dvou svařovacích metod do jedné svarové lázně. V tomto případě to znamená spojení laserového svařování a některé z metod obloukového svařování. Při základní metodě svařování laserem se přídavný materiál nepoužívá. Ten by však chyběl při některých druzích svaru, například vnitřním koutovém, tupém s plným průvarem apod. V těchto případech se slučuje výhoda laserového svařování se štíhlým svarem a vysokou rychlostí a relativní jednoduchost přidávání materiálu v podobě drátu tavícího se v elektrickém oblouku (MAG). Byť jsou princip i technické řešení relativně jednoduché, vzhledem k množství procesních parametrů plynoucích z obou metod je dosažení stabilního svařovacího procesu při splnění požadavků na předepsanou geometrii svaru náročné. Spojení technologie laserového svařování a metody svařování TIG je v současné době teprve rozvíjeno, teplo z elektrického oblouku se dá využít pro předehřev či dohřev materiálu při laserovém svařování či k prodloužení doby tekutosti svarové lázně pro potlačení některých svarových vad.

Řešení hybridní svařovací hlavy Fronius. (Zdroj: Fronius)

Svařování se studeným drátem

V tomto případě se přídavný drát netaví elektrickým obloukem, ale přímo laserovým svazkem. Proto je nutné mít laser s dostatečným výkonem schopným roztavit jak drát, tak vlastní materiál v oblasti svaru. To pak také umožňuje použití laserového svazku s větší ohniskovou stopou umožňující zvětšit průměr svarové lázně. V mnoha případech se svařuje v kondukčním režimu, kdy se netvoří keyhole. Svar je tedy relativně mělký, ale s potřebnými parametry převýšení nebo rozměru v koutovém svaru.

Příklad svařence (pomocný rám podvozku) s makro detailem koutového svaru. (Zdroj: Fronius)

Svařování ve vakuu

Svařování ve vakuu bylo doposud doménou technologie svařování elektronovým svazkem, která vakuum nativně vyžaduje kvůli šíření svazku urychlených elektronů. Pro samotný svařovací proces bylo vakuum sekundární výhodou. Vzhledem k vysoké technické a technologické náročnosti (a tedy i ekonomické náročnosti) je doposud svařování svazkem elektronů v průmyslu využíváno v porovnání se svařováním jen tam, kde převáží výhody nebo kde jiné metody nejsou použitelné. V případě svařování laserem ve vakuu dochází ke sloučení výhody nižší ceny laserových zdrojů oproti cenám elektronového děla při využití výhod i nevýhod všech ostatních technik souvisejících s vakuem. Díky tomu lze provádět hlubší svary s minimem svarových vad oproti běžnému laserovému svařování v ochranné atmosféře. Je nutné se ovšem vypořádat se zanášením vstupního optického okna mezi svařovací optikou a vakuem párami odpařeného kovu ze svarové lázně. Využívá se přitom proudění neutrálního plynu směrem od okénka a jeho odsávání výkonnou vývěvou. V dnešní době tato technologie již postoupila do fáze reálného využívání v průmyslu, kde se podílí na svařování některých částí v převodovkách pro osobní automobily.

Příklad svařovací aparatury, vlevo vláknový laser, vpravo vakuová komora se svařovací hlavou. (Zdroj: PTR – Precision technologies)

Svařování s předehřevem dalšími svazky

Při některých typech svarů lze s výhodou využít speciální techniku, kdy jeden vláknový laser dodává celkem tři laserové svazky – jeden hlavní a dva boční. Oba boční svazky předcházejí svazek hlavní a slouží pro předehřev a očistu svařovaného místa od okují, mastnoty, zinkových a jiných povlaků před vlastním svařením. V dnešní době se používá pro svařování pozinkovaných plechů a hliníkových slitin, kdy vykazuje vyšší svařovací rychlost a méně svarových vad oproti běžné technologii svařování s jedním svazkem. Potřebné vybavení dodává výrobce vláknových laserů IPG , který má v nabídce laserový zdroj s třísvazkovým výstupem (navíc se výkon v každém svazku dá řídit individuálně). Součástí dodávky je taktéž speciální třísvazkové optické vlákno s konektorem pro dopravu do svařovací hlavy. Tato technika je vhodná i pro technologii laserového tvrdého pájení, kde vykazuje zvýšení rychlosti pájení o 30 %, o stejnou hodnotu se zvyšuje i pevnost pájeného spoje. Bonusem je také lepší pohledová kvalita pájeného spoje.

Experimentální zařízení pro metodu Laser-TIG. Vlevo laserová hlava s hořákem TIG na posuvech, vpravo zdroj pro TIG. (Zdroj: ÚPT)

Režim činnosti: nahoře předehřev, dole dohřev

Vliv okolního tlaku na hloubku a kvalitu průvaru a na svarový povrch. (Zdroj: PTR – Precision technologies)

Závěr

Popsané svařovací technologie jsou většinou náročné na techniku, nastavení procesních parametrů a pro požadovaný svar vyžadují delší testování. Na druhé straně při nasazení ve velkosériové produkci přinášejí benefity v podobě podstatně kratších svařovacích časů, kvalitnějších svarů, případně dosažení synergických efektů při využití hybridních technologií. A převaha těchto benefitů je důvodem pro jejich využívání v průmyslové praxi. Laserové technologie v současné době zažívají bouřlivý rozvoj podmíněný jednak novými typy laserů, jednak pokroky v souvisejících oborech (např. optika, robotika, řízení a regulace). Lze tedy očekávat, že výše uvedené technologie se budou dále rozvíjet a zdokonalovat a budou vznikat další. Sousední Německo pochopilo důležitost laserů pro průmysl, do vývoje laserů a technologií jsou každoročně investovány nemalé částky jak státních, tak privátních institucí, a díky tomu v minulém roce podíl fotoniky na HDP Německa činil zhruba 10 %.

Orientace svazků během svařování. (Zdroj: IPG)Doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 180109
Datum: 07. 02. 2018
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Vysokopevnostní ocelové plechy svařované laserem

Vysokopevnostní a otěruodolné oceli Optim a Raex, vyvinuté společností Ruukki, nabízejí jedinečné možnosti aplikace pro výrobce různých typů sklápěčů a nádrží. Raex je extrémně tvrdá, otěruodolná ocel, zatímco v případě oceli Optim jde o vysokopevnostní konstrukční ocel. Společně umožňují výrobu optimalizovaných a lehčích ocelových konstrukcí bez ztráty tvrdosti a pevnosti.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

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.

Největší předváděcí centrum laserů a CNC strojů

Časům nakupování průmyslových strojů naslepo, bez osobního vyzkoušení a podrobné znalosti strojů, provozních nákladů a potřeb, již „odzvonilo“.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Plazmatron a jeho využití ve strojírenském průmyslu

Běžně se setkáváme se třemi skupenstvími hmoty - jsou to pevné látky, kapaliny a plyny. Existuje však ještě čtvrté skupenství - plazma - ionizovaný plyn obsahující ionty, elektrony a případně neutrální atomy a molekuly.

Základní principy ověřování stálosti vlastností základního materiálu

V tomto článku je popsán souhrn požadavků kladených na výrobce ocelového základního materiálu použitého ve stavebnictví, tak aby se zabezpečilo posouzení původu stavebního výrobku jako celku uváděného na trh EU již od prvopočátku.

Tvrdost vs. houževnatost průmyslových nožů

Průmyslové nože jsou obecně používány pro řezání a dělení nepřeberného množství materiálů, od potravin, plastů, textilu, dřeva až po kovy. Dle použití nože jsou na řezný nástroj přirozeně kladeny různé nároky. Ve světě průmyslových nožů je tvrdost důležitou součástí kvality nože.

Lasery v prvním pololetí 2013

O tom, že laserová technika ani po více než půl století od svého objevu neřekla ještě zdaleka své poslední slovo, ale právě naopak, nikdo nepochybuje. Prakticky není dnes oboru, kde by se nemohla uplatnit, přičemž právě díky laserům se v těchto oborech stav vývoje dostává na kvalitativně vyšší úroveň.

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