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
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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