Témata
Reklama

Laserové svařování - posouzení vlivu ochranného plynu

Hlavním těžištěm využití laserů ve strojírenské praxi je bezesporu dělení materiálu. Lasery se však stále častěji uplatňují i v dalších oblastech, jako je svařování, pájení, kalení a navařová-ní. Každý z těchto procesů vyžaduje pro svůj zdárný průběh použití příslušných technických plynů.

Ochranný plyn plní při laserovém svařování několik funkcí. Jedním z hlavních úkolů je ochrana svařovaného materiálu před okolní atmosférou. Cílem je zabránit absorpci kyslíku, dusíku a vzdušné vlhkosti do svarové lázně, čímž se zabrání tvorbě oxidů, nitridů a pórů. Kromě toho ochranný plyn zajišťuje stálé odfukování plazmatu vystupujícího nad svařenec. Toto vznikající plazma snižuje hloubku provaření tím, že jeho drobné částice rozptylují laserový paprsek.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Metalografický výbrus – vzorek č. 1 (S355, He)
Obr. 2. Vzorek č. 2 (S355, Ar)
Obr. 3. Vzorek č. 3 (1.4301, He)
Obr. 4. Vzorek č. 4 (1.4301, Ar)

Ochranné plyny pro laserové svařování

Stejně jako u ostatních metod svařování s ochranným plynem lze i při svařování laserem sva-řovací proces cíleně ovlivnit použitím optimalizovaných ochranných plynů. Základem nejčas-těji používaných směsí plynů pro laserové svařování je argon a helium. Ochranné plyny mohou v závislosti na základním materiálu obsahovat také aktivní složky (CO2, O2, H2), které ovlivňují svařovací proces rovněž termicky a metalurgicky. V provedeném experimentu byla zaměřena pozornost na inertní plyny – argon a helium.

Argon

Argon je jednoatomový plyn. Vyznačuje se značnou chemickou netečností, patří tedy do sku-piny inertních plynů. Funkci ochranného plynu plní velmi dobře i díky vysoké měrné hmot-nosti 1,67 kg.m-3 (při tlaku 1 bar a teplotě 15 °C). Hustota vzduchu je při stejných podmínkách 1,22 kg.m-3. Argon je tedy těžší než vzduch, což zajišťuje jeho klesání směrem ke svařenci a tím i dobrou ochranu svarové lázně. Průtok argonu se nastavuje na hodnotu 12–20 l.min-1. Použití argonu může do jisté míry limitovat jeho nízký ionizační potenciál (15,76 eV). Argon je náchylný k ionizaci a při určité hustotě vnášené energie může docházet ke vzniku plynového plazmatu (ionizovaný ochranný plyn).

Helium

Helium je stejně jako argon jednoatomový inertní plyn. Jeho měrná hmotnost je pouze 0,16 kg.m-3, což je 1/10 měrné hmotnosti argonu. Tato vlastnost je v mnohých oblastech použití helia vítaná, ale při ochraně svarové lázně působí negativně. Helium stoupá vzhůru, což snižuje efektivitu plynové ochrany. Proto je při použití helia nutné zvýšit průtok plynu až na 30 až 35 l.min-1. Výhodou helia je jeho vysoký ionizační potenciál (24,56 eV), který teoreticky minimalizuje ionizaci ochranného plynu a tím i tvorbu plynového plazmatu. Proto je helium často používáno v plynových CO2 laserech, zejména při svařování hliníku.
Z výše uvedených teoretických skutečností se zdá, že v oblasti laserového svařování vyššími výkony má helium lepší předpoklady než argon. Do jaké míry ochranný plyn skutečně ovlivní výsledky svařovacího procesu, je předmětem následujícího experimentu.

Experiment

Cílem experimentu bylo posouzení vlivu ochranného plynu na geometrii závaru a mechanické vlastnosti svarového spoje zhotoveného laserem. Jako ochranný plyn byl pro experiment zvo-len argon čistoty 5.0 (99,999 %) a helium čistoty 4.6 (99,996 %).

Vzorky z oceli S355 a z austenitické nerezové oceli DIN 1.4301 byly svařeny ve firmě Matex PM v Plzni, kde bylo poskytnuto i potřebné zázemí a technické vybavení pro realizaci expe-rimentu, zejména pak diodový, vláknem vedený laser o výkonu 5,5 kW.
V rámci experimentu byly provedeny následující testy:
• metalografický výbrus vzorků pro posouzení geometrie závaru;
• měření tvrdosti HV;
• zkoušky tahem.

Vyhodnocení metalografických výbrusů

Přehled vzorků je uveden v tabulce 1. Porovnáme-li tvar a hloubku závaru na vzorcích z oceli S355 (obr. 1 a 2), je zřejmé, že tvar průvaru je identický. Větší hloubky závaru bylo dosaženo při použití heliové ochranné atmosféry (obr. 1). Tento rozdíl představuje cca 10 %.

Větších rozdílů bylo dosaženo na vzorcích z oceli 1.4301 (obr. 3 a obr. 4). Při použití helia došlo k úplnému provaření tloušťky základního materiálu (obr. 3). S argonovou ochrannou atmosférou k plnému provaření základního materiálu nedošlo (obr. 4).

Výsledky měření tvrdosti HV

Výsledky měření neprokázaly významný rozdíl tvrdosti HV při použití ochranného plynu argonu a helia. U materiálu S355 je tvrdost HV při použití helia v průměru o cca 7 % vyšší než při použití argonu. U materiálu DIN 1.4301 jsou hodnoty téměř identické. Z hlediska na-měřených hodnot tvrdosti lze tedy rozdíl mezi použitou argonovou a heliovou ochrannou at-mosférou považovat za zanedbatelný.

Výsledky zkoušky tahem

Je patrné, že ochranný plyn nemá při laserovém svařování materiálu 1.4301 zásadní vliv na hodnoty smluvní meze kluzu Rp0,2 a meze pevnosti Rm. V porovnání se základním materiálem byl zaznamenán pokles tažnosti A5 o cca 20 % a pokles kontrakce Z o cca 30 % u vzorků sva-řených heliem i argonem. K lomu u všech svařených vzorků z materiálu 1.4301 došlo v tepelně ovlivněné oblasti (TOO).

Mez kluzu oceli S355 poklesla zhruba o 10 % bez ohledu na použitý ochranný plyn. Pevnost zůstává stejná v rámci přesnosti měření, tažnost klesá zhruba o třetinu. To je ale patrně způ-sobeno zpevněním v místě svaru, kde je martenzitická struktura – zkracuje se relativní délka zkoušeného vzorku. K lomu došlo ve všech případech mimo svar a tepelně ovlivněnou oblast, tedy v základním materiálu, po značné plastické deformaci.

Shrnutí výsledků experimentu

Technické plyny jsou neviditelnou, ale přesto nepostradatelnou součástí technologického pro-cesu. Jejich správnou volbou přispíváme k bezvadné funkci laserové techniky a tím i plnému využití výrobního potenciálu.

Experiment ukázal, že vliv ochranného plynu na mechanické vlastnosti svarového spoje mů-žeme považovat za zanedbatelný. Naopak se projevil pozitivní vliv helia na hloubku závaru jak u oceli S355, tak u austenitické oceli 1.4301. Zásadní otázkou je, zda se pro dosažení větší hloubky provaření vyplatí použít výrazně dražší helium.

Ing. Jan Kašpar, Messer Technogas
Doc. Ing. Stanislav Němeček, Ph.D., Matex PM
Messer Technogas
vaclav.slosarek@messergroup.com
www.messer.cz

Článek byl zveřejněn v monotematické příloze strojírenského měsíčníku MM Průmyslové spektrum SPOJOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ na straně XXVI.

Reklama
Související články
Ochranné plyny s obsahem dusíku pro svařování hliníku

V posledních letech je kladen stále větší důraz na efektivitu výroby a vlastnosti finálního výrobku. Pomineme-li všudypřítomné požadavky na snižování výrobních nákladů, hraje důležitou roli i snižování hmotnosti výrobků. Tento faktor má velký význam především při výrobě dopravních prostředků.

Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Související články
Zrna karbidu wolframu v návarech

Odolnost klasických konstrukčních ocelí proti různým typům opotřebení je všeobecně nízká. Proto se neustále vyvíjejí různé typy a kombinace odolných materiálů, které mají za úkol snížit náklady na výměnu, popř. opravy součástí. Příspěvek se zabývá možnostmi přidání zrn karbidů wolframu do návaru, jež chrání povrch součástí před opotřebením. Následně je hodnocena odolnost povrchové vrstvy návaru, jež obsahuje karbidy wolframu v porovnání s vrstvou bez těchto částic. Tento příspěvek vznikl ve spolupráci se společností Wirpo.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Od samuraje k robotice

Japonská společnost Yaskawa Electric Corporation v uplynulém roce oslavila 100. výročí od svého založení. Oslavy proběhly v prosinci i v české pobočce Yaskawa Czech.

Kvalifikace svářečů ocelí

Dne 7. 7. 2013 proběhlo hlasování o přijetí normy EN ISO 9606-1 a nahrazení normy EN 287-1 touto mezinárodní. Norma byla drtivou většinou hlasů 21:3 přijata, proti hlasovalo pouze ČR, Dánsko a Norsko. Podle původní dohody se do normy následně zapracují připomínky států, které hlasovaly proti přijetí, ale o přijetí normy už se nebude znovu hlasovat. Připomínky za ČR byly odeslány, ale zapracovány nebyly!

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.

Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

Přenosná tlaková lahev usnadňuje svářečům práci

Malá tlaková lahev Integra s vestavěným redukčním ventilem a plnicím tlakem 300 barů je vysoká pouze 68 centimetrů a její hmotnost včetně náplně je menší než 30 kg. Navíc je vybavena vestavěným ochranným krytem, který účinně chrání redukční ventil před poškozením a zároveň slouží i jako praktické madlo při její přepravě.

Zkoušení uhlíkových kompozitů laserem buzeným ultrazvukem

Systém laserem buzeného ultrazvuku vytváří ultrazvukový pulz s relativně „hladkým“ průběhem a minimálním časem doznívání. Popisovaný systém CLUE umožňuje generovat ultrazvukový pulz s délkou od 10 ns do 100 ns. Takový pulz je možné s výhodou použít pro zkoušení materiálů, zejména pak kompozitních.

Pórovitost svarů oceli svařovaných metodou MIG/MAG

Přes veškeré znalosti o obloukovém svařování tavící se elektrodou v atmosféře ochranných plynů (MIG/MAG) nemůžeme vyloučit všechny vady svarů. Častou vadou, zvláště u ručního svařování, je pórovitost svaru. Aby bylo možné účinně bránit vzniku pórů, je nutné znát zdroje plynů, které je způsobují, a opatření pro jejich eliminaci.

Nová legislativa a svařování ocelí pro tlaková zařízení

V souvislosti s novými předpisy, které vznikly v EU v rámci nového legislativního rámce (NLF), dochází postupně ke změnám v českém právním řádu. Novými evropskými směrnicemi pro oblast tlakových zařízení jsou směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/29/EU ze dne 26. února 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání jednoduchých tlakových nádob na trh (platnost od 20. 4. 2016) a směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/68/EU ze dne 15. května 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání tlakových zařízení na trh (platnost od 19. 7. 2016).

Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

Robotické zváranie laserom s kamerovým navádzaním

Centrum laserového zvárania na robotických pracoviskách s kamerovým navádzaním v juhomoravskej spoločnosti BAST je schopné realizovať maximum, čo vie v súčasnosti laserová technológia v priemysle ponúknuť. Okrem iného možno automaticky zvoliť polohu ohniska, ktorá je kľúčová pre kvalitu a hĺbku zvaru. Robot FANUC si vďaka kamerovému systému hravo poradí aj s nepresnosťami prípravku, chybami operátora pri zakladaní výrobku alebo vstupného materiálu.

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