Témata
Reklama

Laserové svařování

V posledních deseti letech zaznamenalo laserové svařování poměrně bouřlivý rozvoj.

Zčásti díky vývoji výkonnějších a nových typů laserů, zčásti též díky širšímu používání nových moderních materiálů, které jsou jinými metodami těžce svařitelné. V nemalé míře se o tento rozvoj přičinily též rostoucí požadavky na zvyšování produktivity výroby a opakovatelnosti technologického procesu. Hlavní předností laserového svařování je kvalita svaru, vyšší hloubka průvaru, podstatně nižší tepelně ovlivněná zóna, vysoká produktivita, snadnější možnost automatizace a v neposlední řadě pak povrchový vzhled.
Na prvním obrázku jsou naznačeny dva základní principy laserového svařování. Při svařování vedením tepla se materiál taví absorpcí a vedením tepla vyvolaného laserovým svazkem. Tento postup umožňuje svařování jen do malých hloubek. Zvyšováním plošné hustoty výkonu dosáhneme kritické hodnoty (empiricky 1x až 5x 106 W.cm-2), při které se materiál začíná odpařovat, generuje se plazma a začíná docházet k hlubokému provařování. Laserový paprsek vytvoří "kapiláru", která má průměr 1,5- až 2násobek průměru ohniska. Uzavření této kapiláry je zabráněno tlakem plynů. Energie ze stěn kapiláry potom vniká do taveniny a okolního tuhého materiálu. Svařováním do hloubky je umožněno zvýšení efektivity svařování. Vlastní proces a jeho stabilita je závislá na svařovaném materiálu, polarizaci, vlnové délce laseru, rychlosti posuvu a mnoha dalších faktorech.
V průkopnických dobách laserového svařování se používaly rubínové lasery. Ty však byly záhy nahrazeny CO2 a následně Nd:YAG lasery. To jsou i typy, které jsou při laserovém svařování v současné době nejrozšířenější. A to s tím faktem, že CO2 lasery se převážně používají pro hlubší průvary (díky vyšším dosažitelným výkonům). Odhaduje se, že asi 75 % svařovacích průmyslových aplikací zvládají Nd:YAG lasery. Tyto lasery dosahují výkonů až 6 kW a oproti CO2 laserům mají několik nesporných výhod - hlavně lepší absorpci laserového záření z důvodu kratší vlnové délky záření (1,06 ?m), menší tepelně ovlivněnou zónu, vyšší účinnost svařovacího procesu při srovnatelném výkonu a možnost navázání laserového paprsku do optického vlákna. To jsou hlavní důvody výraznějšího průmyslového nasazení Nd:YAG laserů navzdory vyšším pořizovacím nákladům.
Reklama
Reklama
Reklama

Laser JK1002

Na obrázku je z vnějšího pohledu i s nahlédnutím do vlastního rezonátoru typický představitel střední třídy výkonů, laser JK1002 od firmy GSI Lumonics, kterou v ČR zastupuje firma LAO průmyslové systémy, s. r. o. Jak je z fotografií zřejmé, je výstupní paprsek přiveden do dvou vláken, mezi nimiž lze přepínat. Kromě toho lze výkon laseru rozdělit a "posílat" laserový paprsek do více vláken současně.

Diodové lasery

Během posledních několika let se pro některé aplikace začínají používat diodové lasery, resp. pole laserových diod. A to s přímým vedením paprsku do fokusační optiky nebo s možností navázání do optického vlákna. Ploška, do které lze paprsek zaostřit, je oproti "klasickým" laserům větší, a tudíž se tyto lasery používají hlavně pro svařování. Díky nižším vlnovým délkám (808 nm, 940 nm) lze tyto lasery s úspěchem používat i při sváření některých plastů. Další velkou výhodou je vysoká účinnost a nízká váha/malé rozměry, tzn. vhodná kombinace s robotizovanými pracovišti.

Diskové a vláknové lasery

Do této skupiny zavedených hráčů se v posledních dvou letech tlačí dva noví adepti - diskové a vláknové lasery. Na jejich běžné průmyslové nasazení si budeme muset ještě pár let počkat,
nicméně vývoj v oblasti vláknových laserů a jejich aplikací v poslední době je nezadržitelný. Jedná se o nový typ laseru, ve kterém generace záření probíhá uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Podobné generátory mají celou řadu předností ve srovnání s klasickými systémy: výbornou kvalitu svazku, kompaktnost, nízký příkon a přirozeně nepotřebují žádnou dodatečnou optiku pro navázání výstupu do vlákna. Už dnes jsou běžně k dispozici ověřené a plně funkční systémy s výkony až 10 kW. Přitom jeho velikost je srovnatelná s automatem na chlazené nápoje. Jejich masivnějšímu nasazení zatím brání poměrně vysoká cena. Na následujícím obrázku je 10kW vláknový laser od firmy IPG.

Kvalita svaru

Je nesporné, že laserové svařování se ve vyspělých průmyslových zemích trvale zabydlelo, a je potěšující, že i v Čechách nachází svou vlastní cestu nejen k technologům, ale i k samotným konstruktérům. Není dnes ničím novým, když je na výkrese výrobku přímo předepsán svar laserovou technologií. V mnoha případech je potřeba již při vlastní konstrukci výrobku navrhovat příslušný svar s ohledem na použití laseru. Na obrázku je celkem povedený laserový svar. Naopak na obrázku následujícím je z důvodu nedodržení kontaktu možné vidět vadu svaru ve formě "bubliny" a výraznější rozšíření svaru v horní části.
Kromě toho má na kvalitu svaru vliv mnoho dalších aspektů. Základní jsou sice výkon laseru a rychlost svařování, ale nemalou roli hraje i použitá optika ve svařovací hlavě (ohnisková vzdálenost), množství a druh asistenčního (inertního) plynu, kvalita laserového paprsku atd. Přesto všechno je laser velmi účinným a nezastupitelným nástrojem v mnoha průmyslových aplikacích.

O vláknových laserech podrobněji

Na přelomu 80. a 90. let již minulého století se zrodila nová skupina pevnolátkových laserových zdrojů: vláknové lasery. Generace laserového záření se v nich uskutečňuje nikoliv v krystalu, jako např. v YAG laserech, ani v plynovém prostředí, jako v CO2 generátorech, nýbrž ve světlovodném vláknu.

Princip

"Srdcem" systému je několik metrů optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Čerpání se provádí pomocí diod, ovšem na rozdíl od široce známých diodami buzených Nd:YAG laserů se diodové záření zavádí vláknem přímo do aktivního média. Všechno se zkrátka odehrává ve vláknu a výstup je přirozeně rovněž do vlákna. Roli vstupního a výstupního zrcátka v rezonátoru hrají dvě Braggovy mřížky, vytvořené modulací optické hustoty uvnitř vlákna. Spojením výstupů několika laserů do jednoho společného vlákna se vytvoří silnější verze laseru s výkonem až do 10 kW.

Přednosti

Vláknové generátory vyzařují na vlnových délkách 1,06 až 2 mikrony, tzn. v oblasti, kde zatím dominují Nd:YAG zdroje (1,064 µm). Ovšem v porovnání s těmito již tradičními systémy mají vláknové lasery hned několik podstatných předností:
  • úspornost - celková účinnost čerpání vláknového laseru dosahuje nepředstavitelných 20 % ve srovnání s konkurenčním YAG laserem, proto i ty nejvýkonnější vícekilowattové verze lze uchladit vzduchem;
  • kompaktnost - je s úsporností přímo spojena. 10- až 100wattový vláknový laser má velikost průměrného počítače, a dokonce i 10kW superlaser není větší než americká lednička;
  • přirozeně, vláknové lasery nepotřebují žádnou optiku pro navázání záření do vlákna, což lze ocenit, jde-li například o nasazení laseru v kombinaci s robotem. Díky výborné kvalitě svazku je možno použít mimořádně dlouhého výstupního vlákna až do délky 200 m;
  • spolehlivost - jednoduchost konstrukce, její tepelná nezatíženost a použití extrémně spolehlivých velkoplošných čerpacích diod posouvá životnost vláknových laserů do oblasti 50 000 až 100 000 hodin, což jsou hodnoty pro běžné YAG nebo CO2 generátory naprosto nemyslitelné. Přitom systém přichází od výrobce zapečetěný a nevyžaduje žádnou údržbu ani výměnu či justáž optiky.
  • Oblasti použití

    Vláknové lasery už dnes konkurují klasickým YAG a CO2 zdrojům téměř ve všech sférách laserového zpracování materiálů: řezání a svařování kovů, řezání křemíku a nejrůznějších druhů keramik, značení, gravírování, vrtání a povrchové úpravy jak kovů, tak i nekovových materiálů atd.
    Například popisovací stroje založené na vláknových laserech nabízejí celou řadu fascinujících možností oproti běžným systémům. "Vláknová" popisovací stanice se snadno umístí na jeden stůl. Již dnes existují prototypy plug-and-play laserových modulů v podobě jedné karty do počítače.
    Vláknové lasery se objevily před 15 lety jako vědecká kuriozita, ještě před 5 lety byly spíše luxusem, který si mohly dovolit jen ty největší podniky, a dnes vypadá jejich postup v průmyslových aplikacích jako nezastavitelný. Podle všech předpokladů jim patří budoucnost laserového zpracování většiny materiálů. Napovídá tomu nejen stále větší cenová dostupnost vláknových systémů, ale i skutečnost, že čím dál více výrobců laserových strojů nabízí i vláknové generátory. Vedle takových "vláknových průkopníků", jako např. americké IPG Photonics či britské SPI, zahrnují i menší společnosti vláknové systémy do svých výrobních programů.
    Ing. Pavel Kořán
    Reklama
    Vydání #5
    Kód článku: 40529
    Datum: 17. 05. 2004
    Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
    Autor:
    Firmy
    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.

    Laserová technologie Platino pro každého

    Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

    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.

    Související články
    Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

    Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

    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.

    Revoluce ve svařování laserem

    Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

    Metody spojování využívající principy plastické deformace

    Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

    Řezání vysokým tlakem

    Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

    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.

    Trhací nýty pro vysoké zátěže

    Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

    Tvoříme historii vodního paprsku

    Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

    Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

    Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

    Inovovaná fiber laserová centra

    Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

    Nové úkoly v technologii vodních paprsků

    Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

    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