Efektivní aplikace laseru

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.

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

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).

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.

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.

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 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 %.

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.

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.

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