Témata
Reklama

Technické strojírenské veřejnosti není příliš známo, že v současné době existují technologické aplikace, které doslova drží srovnatelný krok s inovacemi v oblasti informačních technologií. Jednou takovou je aplikace laseru. Naší snahou bude vám tyto technologie představit.

V areálu bývalého TOS Kuřim se nachází firma Kuličkové šrouby Kuřim. Tato firma si pořídila výkonný průmyslový laser, který používá ke svařování dílců, navařování kovových vrstev a k povrchovému kalení. Kromě toho je nabízena aplikace této technologie v oblasti zavařování využívaného pro efektivní opravy povrchových vad odlitků, což vede k dosažení nemalých úspor výrobních nákladů.

Reklama
Reklama
Laserové hlavy jsou neseny robotickým ramenem na pojezdu, dosah je cca 7 m.

Toto pracoviště nachází široké uplatnění v řadě průmyslových odvětví. Pro ty, kteří se s touto technologií ještě nesetkali, předkládáme několik základních obecných informací.

Laserové kalení

Princip laserového kalení spočívá ve velice rychlém vnesení tepla neviditelným světlem do povrchu kaleného dílu (řádově v desetině sekundy), kde vznikne austenit. K transformaci na kalené struktury dochází kondukcí – vnitřním odvodem tepla. K ochlazování tedy není třeba používat vnější prostředí (vodu, polymer či olej). Tím pádem je ochlazování pro materiál více šetrné a díl po kalení není namáhán tak vysokým vlastním napětím s rizikem výskytu trhlin. V KSK zdroj energie – tedy kalicí hlavu – „drží“ šestiosé robotické rameno. Kalený kus je upnut v polohovadle. Proto mohou být laserem kaleny tvarově i velmi náročné díly a není třeba žádných dalších přípravků nebo speciálních pomůcek jako například induktorů při indukčním kalení. V KSK Kuřim je používána skenovací hlava. Díky technologii skenování dochází k lokální regulaci teploty. Tím je zabezpečena optimální teplota kalení a nedochází například k natavení hran. Pro kalení používáme dva režimy.

Režim konstantní teploty povrchu a režim konstantního vneseného výkonu. Šíře pásu zakalení je od 2,5 mm do maximálně 40 mm. Díky skenování a zaostření paprsku ve vzdálenosti 170 mm od čela hlavy jsme schopni kalit i dutiny do hloubkové vzdálenosti až 140 mm. Jak již bylo řečeno, laserové kalení nese nízké riziko vzniku trhlin, protože zatěžuje materiál malými vlastními napětími. V neposlední řadě i z této příčiny je tato technologie vhodná i ke kalení grafitických litin (zejména litiny s kuličkovým grafitem, ale i šedé litiny), které jsou oproti ocelím na vznik trhlin více náchylné. Výhodou je též skutečnost, že se povrch dílu ohřeje velice rychle, řádově v desetinách sekund, a nedochází k vypalování grafitu. Ten v zakalené kovové matrici zůstává jako samomazná složka a nedochází tak k degradaci příznivých kluzných vlastností. Na obrázku metalografického výbrusu je vidět, že grafit je před kalením i po kalení ve stejném stavu. V horní světlé zakalené části je dosaženo tvrdosti 611 HB (57,5 HRC), tmavší původní nezakalená část má tvrdost 292 HB (30,5 HRC). Tvrdost po zakalení je dána chemickým složením a dalšími parametry. U některých vzorků bylo dosaženo tvrdosti 725 HB (67 HRC).

Princip laserového kalení a struktura kaleného povrchu

Výhody laserového kalení jsou následující:
• nižší energetická náročnost (kaleni pouze požadovaných oblastí);
• díky robotu zpracovaní libovolné geometrie;
• nízké tepelné zatížení okolního materiálu, tzn. eliminace trhlin a deformaci;
• řízeni procesu podle aktuální teploty, tzn. možnost řízení hloubky prokalení a výsledné tvrdosti (běžně 60 HRC);
• nízká oxidace povrchu;
• žádná nebo minimální nutnost dalšího opracovaní.

Laserové navařování prášků

Navařování prášků je metoda, která umožňuje nejen opravy stávajících poškozených povrchů, ale i vytváření funkčních povlaků (lepši otěr, proti korozi a oxidaci atd.) na strojních součástech. Navařovaní je optimální pro opravy nářadí, nástrojů, forem a adhezně namáhaných dílů. Navařují se prášky na bázi železa, niklu, kobaltu i ostatních materiálů. Díky možnosti přesného mísení prášků jsme schopni do základního nanášeného materiálu přidat jiné složky zlepšující vlastnosti navařeného povrchu, jako je karbid wolframu i jiné keramiky, oxidy, polymery atd. Při navařování přivádíme prášek smíchaný s inertním plynem do ohniska laserového paprsku třemi tryskami. Paprsek je zaostřen 16 mm před navařovací tryskou. Díky velké hustotě energie v ohnisku dochází k výbornému natavení prášku i povrchu, ale na druhou stranu je do soustavy vnášeno relativně malé množství tepla. Tato metoda po navaření vykazuje výbornou adhezi a kohezi, navařované vrstvy bez pórozit, na průměrech umožňuje navařování i tvrdých prášků na zakalený základní materiál. Nejčastější navařované prášky jsou na bázi železité, niklové a kobaltové.

Pro opravy litinových forem pro sklárny se používají niklové prášky s takovým složením, aby po navaření vlastnosti návaru vyhovovaly, hlavně výsledná tvrdost.

Správným výběrem prášku se dosáhne zlepšení vlastností návaru, který provedeme v místech kotvení či uložení dílů a tím zajistíme takové vlastnosti dílů, které by jeho výrobou (např. odlitím) nebyly dosaženy.

Další aplikací laserového navařování je navařování kobaltu, tedy stelitů. Návary z těchto prášků jsou vhodné pro střihy a otěry při vysokých teplotách. Používají se pro sedla ventilů pracujících při vysokých teplotách a tlacích. Tyto návary jsou také vhodné do kováren a obdobných teplých provozů. Naše zařízení nám umožňuje do základové matrice prášku přimíchat další prášek, třeba keramiku. Do základové matrice přimícháme karbid wolframu, a tím získáváme návar tvrdosti až 2 500 HV, podle množství přidané keramiky.

Laserové svařování

Laserové svařování umožňuje spojovat jak tenké, tak i masivní součásti. Vysoká stabilita procesu při vysokých svařovacích rychlostech zajišťuje vnesení malého množství tepla, čímž dochází k minimálnímu ovlivnění základního materiálu a minimálním deformacím. Řízení vnesené energie v závislosti na svařovaných materiálech zajišťuje hladký, symetrický svarový spoj bez pórozit. Vysoká kvalita svaru zaručuje žádnou nebo minimální nutnost dalšího opracování.

Při svařování můžeme zaostřit paprsek na minimální průměr 1,2 mm při ohniskové vzdálenosti 70 mm. Díky přesnosti robotického pracoviště a samotné laserové technologii jsme schopni dosáhnout vysoké opakovatelnosti svařování. Laserovou technologií se dají úspěšně svařovat ocelové materiály do obsahu uhlíku 0,3 %.

Ukázka svaru titanových kroužků

Zavařování povrchových vad odlitků ze šedé a tvárné litiny

Celý proces svařování probíhá v ochranné atmosféře inertního plynu a díky extrémně vysoké hustotě energie laserového paprsku je proces svařování velice rychlý a neumožňuje difuzní pochody, nutné pro změnu struktury základní kovové hmoty odlitku. Dále nedochází k prohřátí materiálu zavařované součásti a nevzniká vnitřní napjatost, která je většinou příčinou vzniku trhlin při klasickém způsobu zavařování. Při laserovém svařování se nepoužívají struskotvorné přísady, svar je díky ochranné inertní atmosféře dokonale kovově čistý. Robotické automatické rameno zajišťuje dokonalou opakovatelnost procesu. Dosah ramene umožňuje postupné zavaření dávky odlitků, což zvyšuje hospodárnost procesu. Zavařování povrchových vad odlitků ze šedé a tvárné litiny laserovou technologií je velice efektivní proces, umožňující provedení oprav v extrémně vysoké kvalitě bez obav z tepelného ovlivnění materiálu odlitku a obav z vnitřních pnutí a souvisejících trhlin v okolí svaru. Vhodnou volbou práškového kovového přídavného materiálu lze řídit dosažení konkrétních mechanických vlastností. Díky vysoké produktivitě, nízké energetické náročnosti a vysoké využitelnosti přídavného kovového prášku je tato progresivní technologie laserového svařování ekonomicky v poměru k ceně vyzmetkovaného odlitku lehce dostupná. Technologii laserového zavařování vad odlitků již úspěšně využívá firma TOS Kuřim-OS.

Mechanické vlastnosti svaru a tvrdost přídavného materiálu závisí na použitém kovovém prášku. Na trhu je značné množství druhů kovových prášků od více výrobců, takže je snadné vybrat a odzkoušet kovový prášek podle konkrétních požadavků.

Byla ověřena pevnost spojení přídavného materiálu s odlitkem, tak aby podmínky odpovídaly realitě při zavaření povrchové vady na odlitku.

Do zkušebního bloku z materiálu GGG40 byl vyvrtán otvor a ten byl následně zavařen laserovou technologií. Zkušební těleso o průměru 10 mm pro tahovou zkoušku bylo vytvořeno tak, aby přídavný materiál pokryl celou lomovou plochu. Byly naměřeny hodnoty:

tyč 1: Rm = 330 MPa, A = 3,0 %, Rp = 285 MPa;
tyč 2: Rm = 385 MPa, A = 4,5 %, Rp = 260 MPa.
Měření tvrdosti: základní blok z GGG40 – HB 145, přídavný materiál – HB 275, 229, 217. Obrobitelnost byla velmi dobrá.

Závěrem

Pracoviště s technologií laserových povrchových úprav může mít mnohostranné využití ve více oborech. Z důvodů nízkého povědomí technické veřejnosti se tyto technologie málo používají. Chceme věřit, že tento příspěvek napomůže k rozšíření tohoto povědomí.

Ing. Radek Moskovský
vedoucí speciální výroby

Ing. Neterder Karel

Jiri.Marek@ks-kurim.cz

www.ks-kurim.cz

Reklama
Vydání #12
Kód článku: 141228
Datum: 09. 12. 2014
Rubrika: Výroba / Nekonvenční technologie
Autor:
Firmy
Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Související články
Novinky značky IMAO pro upínání obrobků

V dnešní době je velká poptávka po efektivní produkci různorodých výrobků v malém objemu a klíčem k vyšší produktivitě je použití přípravků, které lze flexibilně přizpůsobit mnoha různým obrobkům. Upínací prvky ONE-TOUCH se vyrábějí v mnoha různých provedeních, snadno z nich lze vybrat prvky vhodné pro upnutí požadované součásti. Upnutí a odepnutí součásti je jednoduché, bez použití dalšího nářadí a rychlé, zkracuje se čas potřebný pro manipulaci s obrobkem a tím i celkové náklady na výrobu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

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.

Ohlédnutí za MSV 2018

Jubilejní strojírenský veletrh v Brně se i letos nesl ve znamení inovací, technických i technologických novinek (často také světových premiér), ale hlavně v duchu oslav stého výročí založení Československé republiky, takže se také vzpomínalo na historické úspěchy v technice v expozici 100RIES. A není tedy divu, že partnerskou zemí bylo letos Slovensko. Na následujících řádcích přinášíme malé ohlédnutí za veletrhem, kde připomeneme některé exponáty, které v očích naší redakce za zmínku a vzpomínku stojí.

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Integrovaný obvod o tloušťce jedné molekuly

Lidstvo již zvládlo přeměňovat světlo na elektřinu a vytvořit akumulátory, v nichž nedochází k chemickým reakcím. Problémem však je, že tyto přístroje mají velmi nízkou účinnost. Nejlepších parametrů by se dosáhlo při použití polovodičů o tloušťce jediné molekuly. A ty se nyní naučili vyrábět vědci z ruského institutu MISiS, který je partnerem ruské korporace pro atomovou energii Rosatom.

Novinky ze světa 3D tisku

V uplynulém měsíci se v české kotlině seběhlo několik akcí, jejichž společným jmenovatelem byl průmyslový 3D tisk. Představeny byly nové produkční 3D tiskárny, profesionální tiskové materiály a zapomenout nesmíme ani na největší z těchto akcí, výstavu a konferenci 3dexpo.

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