Pokročilé metody laserového svařování

Laserové svařování je v současné době považováno za metodu dosahující vysokých svařovacích rychlostí s vysokou štíhlostí svaru. Stále náročnější požadavky z průmyslové výroby si však vyžadují vývoj dalších variant základní metody laserového svařování.

Velice moderní metoda laserového svařování, která pro pohyb laserového paprsku po svařenci využívá dvě počítačem řízená zrcadla, která dokážou laserovým paprskem velice rychle pohybovat v rámci určité plochy (typicky čtverec o hraně desítek až několika stovek mm) – viz obr 1a. Tímto způsobem se dá prudce zvýšit dynamika svařovacího procesu, neboť se nepohybuje svařovací hlava, která má díky své hmotnosti i odpovídající setrvačnost. Existují dvě varianty metody:

• Skenerové svařování v rovině. Speciální fokusační objektiv je až pod systémem zrcadel a dokáže zaostřovat laserový paprsek v rovině dané rozkmitem zrcadel – to je jednodušší varianta. Tato metoda se využívá i pro laserové značení materiálu.

• Skenerové svařování v prostoru. Fokusační čočka je před systémem vychylovacích zrcadel, je umístěna pohyblivě (další řízená CNC osa). Řídicí systém přepočítává aktuální vzdálenost mezi svařovaným dílcem a svařovací hlavou (na základě počítačového 3D modelu) a přestavuje polohu fokusační čočky tak, aby ohnisko leželo vždy na obrobku. Tento systém je univerzálnější, ale složitější.

Svařovací hlavu pro skenerové svařování lze upnout na polohovacího robota, čímž se zvětší flexibilita a rozsah svařování. Nejvyšší verzí je synchronizace pohybu laserového paprsku daná pohybem zrcadla s pohybem celé hlavy pomocí robota, tzv. On the fly. Při této metodě se ochranná atmosféra přivádí do svařovaného místa pomocí rozvodu v upínacím systému dílů, nebo se nepřivádí vůbec – svařovací proces je natolik rychlý, že nedochází k přílišné oxidaci svarové lázně. Skenerové svařování se používá pro svařování tenkých plechů ve velkosériové výrobě.

Pro experimenty demonstrující možnosti pokročilých metod byla použita sestava s výkonovým vláknovým laserem IPG YLS 2000, robotem ABB IRB2400, který nese vlastní skenovací hlavu Arges Fiber Rhino (obr. 1b). Součástí je speciální F-theta objektiv s pracovní vzdáleností 203,4 mm a pracovním prostorem cca 215 x 215 mm.

Pro porovnání svařovacích časů mezi běžnou a skenovací hlavou byl proveden experiment, při kterém se svařovaly stejné geometrie – viz obr. 2, vždy s běžnou a poté se skenovací hlavou. Byla zachována stejná svařovací rychlost, ale rychlost přesunu mezi jednotlivými částmi svaru je samozřejmě různá. Vyšší svařovací rychlosti nelze u běžné hlavy nesené robotem aplikovat z důvodu její setrvačné hmotnosti a souvisejících problémů s dynamikou systému. Kromě stejné svařovací rychlosti kvůli porovnání – 30 mm.s^-1 – byla u skenerové hlavy použita ještě vyšší svařovací rychlost kvůli demonstraci možností svařování.

Tab. 1
Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Z tabulky je zjevné, jak významný přínos v produktivitě představuje skenerové svařování. Na druhé straně je však nutné říci, že hlava je poměrně velká, takže tato svařovací technologie se nehodí pro svařování uvnitř malých součástí.

Při tomto způsobu svařování se vytváří svar složený ze dvou pohybů (vektorů) laserového paprsku. Prvním vektorem je vlastní trajektorie svaru, druhým je mikropohyb paprsku (opět pomocí vychylovacích zrcadel) po nějaké triviální křivce (přímka, kružnice, osmička apod.). Například složením kružnice a vlastního lineárního pohybu vzniká hustá spirála. Tímto způsobem lze uměle zvyšovat šířku svaru a vzhledem k tomu, že laserový paprsek „míchá“ svarovou lázní, lze měnit i mikrostrukturu a další vlastnosti výsledného svaru. Vzhledem k dalším doplňkovým parametrům (geometrie triviálního obrazce, jeho frekvence) je ovšem optimalizace svařovacího procesu složitější.

Pro tento režim lze použít jak skenovací hlavu popsanou v předchozím odstavci, tak speciální hlavu určenou pro tento režim (rozsah pohybu vychylovacích zrcadel je velmi malý, hlava je velice kompaktní).

Princip rozmítání můžeme vidět na obrázku 4, kde jsou uvedeny výsledné geometrie pohybu laserového paprsku v závislosti na frekvenci rozmítání fw. To je první parametr, druhý parametr rozmítání je průměr rozmítací kružnice rw. Třetím parametrem je tvar triviální křivky.

Byla provedena řada experimentů, kdy byly různými parametry rozmítání vytvořeny svary v  materiálech běžně používaných v technické praxi: hlubokotažná konstrukční ocel DC01, austenitická korozivzdorná ocel X5CrNi 18-10 a hliníková slina Al Mg3 5754. Svary byly metalograficky vyhodnoceny a jsou uvedeny na obrázku 5, kde je pro srovnání uveden i svar bez použití rozmítání. Protože při zvyšujícím se průměru rozmítání je nutno vnášet i více energie, byl postupně zvyšován výkon laseru. Vzhledem ke specifickým vlastnostem hliníku byl základní výkon a jeho přírůstky zvoleny vyšší oproti konstrukční a korozivzdorné oceli. Posuvná rychlost byla ve všech případech 20 mm.s^-1 a frekvence rozmítání 60 Hz.

Z provedených experimentů je patrné, že šířku svaru je možné pomocí rozmítání svazku měnit v širokých mezích od cca 1 mm (bez rozmítání) až do 3 mm. Pro zachování hloubky průvaru je nutné ovšem přidat výkon laseru.

Ovlivňování struktury svaru je založeno na skutečnosti, že při rozmítaném pohybu laserový paprsek „míchá“ svarovou lázní. Vlivem rozdílného přísunu tepla dochází k rozdílnému chladnutí lázně, což má samozřejmě vliv na mikrostrukturu svaru. Jako příklad byla zvolena feritická korozivzdorná ocel 1.4016 (X6Cr 17), která ve svarovém kovu vykazuje velká zrna. Při experimentu byl průměr rozmítací kružnice konstantní, měnila se pouze rozmítací frekvence. Výsledky jsou uvedeny na obr. 6.

Je patrné, že s narůstající frekvencí dochází k potlačení ostrého rozhraní v ose svaru. To samozřejmě vede k lepším mechanickým vlastnostem svarového spoje.
Pro metodu svařování rozmítáním existují k tomuto účelu konstruované hlavy. K rozmítání laserového svazku využívají buď malá zrcadla, nebo rotující optický hranol. Díky konstrukci jsou proto menší než výše popsané skenovací hlavy. Navíc lze rozmítacího pohybu (ale jen kružnice) docílit pomocí rotace optického hranolu uvnitř hlavy. Ta se pak obejde zcela bez zrcadel, na druhé straně je pevně dán poloměr rozmítání.

Z provedených experimentů vyplývá, že skenování laserovým svazkem přináší mnoho nových možností, jak dynamicky měnit geometrii svaru, ovlivňovat mikrostrukturu svaru a tím i mechanické vlastnosti, a v neposlední řadě umožňuje výrazným způsobem zkrátit svařovací čas. Navíc stejná skenerová hlava dokáže provádět i značení součástí, což znamená sloučení několika technologických operací do jedné. To všechno jsou významné přínosy, které převáží vyšší pořizovací náklady vyplývající z větší složitosti skenerové hlavy.

Ústav přístrojové techniky AV ČR

Doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D., Ing. Petr Horník