Témata
Reklama

Poslední trendy ve svařování laserem

07. 10. 2009

V devadesátých letech minulého století a první polovině tohoto desetiletí prodělala technologie laserového svařování poměrně dynamický vývoj – zčásti díky vývoji výkonnějších a nových typů laserů, zčásti též díky širšímu používání nových moderních materiálů, které jsou jinými metodami těžko svařitelné. V nemalé míře se o tento rozvoj přičinily též rostoucí požadavky na zvyšování produktivity výroby a opakovatelnosti technologického procesu.

Hlavní předností laserového svařování oproti klasickým metodám je kvalita svaru, vyšší hloubka průvaru, podstatně menší tepelně ovlivněná zóna, vysoká produktivita, snadnější možnost automatizace a v neposlední řadě pak povrchový vzhled. Díky všem těmto výhodám se laserové svařování stalo běžné i konstruktérům, kteří je předepisují na výkresech sestav a kromě svařování kovů se stále více začíná uplatňovat i při svařování plastů a speciálních materiálů.

Principy laserového svařování

Reklama
Reklama
Porovnání svařování vedením tepla a hlubokého sváru (keyhole); 1 - plazma, 2 - roztavený materiál, 3 - lokální díra (keyhole), 4 - hloubka průvaru

Na obr. 1 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 1 až 5 x 106 W/cm2), 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.

Princip vláknového laseru

Používané druhy laserů

V posledních cca pěti letech se výrazně mění rozložení jednotlivých typů laserů. Sice se pro svařování stále používají COlasery a Nd:YAG lasery (pulzní i kontinuální), popř. tzv. diskové lasery, což je v podstatě jakási modifikace Nd:YAG laserů. Poměrně významné místo při svařování mají i diodové lasery, a to převážně při svařování plastů. Výkonnější diodové lasery (v řádu několika kilowattů) se používají hlavně pro povrchové kalení a navařování. Před cca 10 lety se v 75 % svařovacích průmyslových aplikací používaly Nd:YAG lasery. V posledních několika letech se však tato situace mění a v mnoha aplikacích se stále více využívají lasery vláknové.

Vláknový laser o výkonu 20 kW

Vláknové lasery

Velkou výhodou vláknových laserů je podstatně vyšší účinnost, tzn. podstatně menší spotřeba elektrické energie, nižší nároky na chladicí okruh a výrazně menší půdorysné rozměry. Všechny tyto skutečnosti samozřejmě vedou k dramatickému snížení provozních nákladů. Na obr. 2 je typické schéma výkonového vláknového laseru. Výkon z budicích laserových diod je přímo navázán do aktivního vlákna rezonátoru.

Hluboký průvar
Hluboký průvar

Jedná se o typ laseru, ve kterém generováno záření s vlnovou délkou okolo 1,06 mm, které je tedy totožné s vlnovou délkou Nd:YAG laserů. Ke stimulované emisi ale dochází uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Tím pádem je takovýto rezonátor podstatně teplotně stabilnější a rozměrově menší. 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 50 kW. Přitom velikost stroje je srovnatelná s automatem na chlazené nápoje.

Svařovací laser YLR 2000

Na obr. 3 je  příklad výkonového laseru pro svařování s výkonem 20 kW, typ YLR 20000 od firmy IPG Photonics, kterou v ČR zastupuje firma LAO průmyslové systémy, s. r. o. Základní parametry toho laseru jsou: výstupní výkon 20 kW, průměr vlákna 200 µm, půdorys 1 480 x 806 mm, příkon 70 kW, účinnost 30 % a hmotnost 1 200 kg. Jak je z fotografie zřejmé, je výstupní paprsek přiveden do optického vlákna, přičemž lze použít „rozbočovacích" jednotek, a pak lze použít více vláken vedených na různá pracoviště a výkon laseru přepínat nebo rozdělovat mezi nimi.

Svařování hliníku, výkon laseru 200 W, rychlost 15 m.min-1
Svařování nerez oceli, výkon laseru 200 W, rychlost 15 m.min-1
Svařování mědi, výkon laseru 200 W, rychlost 15 m.min-1

Na obr. 4 jsou pak řezy dvou svarů dosažených tímto laserem. Jedná se o svařování nerezové oceli 1.4301. Jak je vidět, tak svařováním ze dvou stran lze dosáhnout hloubky průvaru až 50 mm. Na těchto obrázcích jsou znázorněny aplikace spíše z té horní úrovně dosahovaných výkonů. Vláknové lasery se však s úspěchem používají v celé škále tloušťek a použitých materiálů. Používají se též ve stále širším nasazení i v mikrosvařování a svařování „běžných"  tloušťek. To je dáno též poměrně širokou výkonovou řadou strojů, od jednotek wattů až po desítky kilowatů. Na obrázku 5 jsou pak řezy mikrosvarů pro různé materiály.

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. V mnoha případech je potřeba již při vlastní konstrukci výrobku navrhovat příslušný svar s ohledem na použití laseru.

Na kvalitu svaru má vliv ještě mnoho dalších aspektů. Základní jsou sice výkon laseru a rychlost svařování, nemalou roli ale hraje i použitá optika ve svařovací hlavě (ohnisková vzdálenost), množství a druh asistenčního (inertního) plynu, kvalita laserového paprsku atd. Přesto je laser velmi účinným a nezastupitelným nástrojem v mnoha průmyslových aplikacích.

Ing. Pavel Kořán

LAO průmyslové systémy

//www.lao.cz/

koran@lao.cz

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 91042
Datum: 07. 10. 2009
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.

Virtuální svařování - simulátory pro výuku

Svařování je jedna z nejvýznamnějších strojírenských výrobních technologií, která má rozhodující vliv na kvalitu řady výrobků. Zároveň velmi ovlivňuje výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Toto odvětví se však dlouhodobě potýká s nedostatkem kvalifikovaných pracovníků na všech úrovních, tedy i pracovníků provádějících vlastní svařování - svářečů. Kvalifikace svářečů však není jednoduchá záležitost. Je to dlouhodobý, relativně nákladný proces, který je striktně předepsán legislativními požadavky a normami. Řada konvenčních metod svařování je navíc silně závislá na "lidském faktoru", tj. na zručnosti pracovníků, jejich fyzické i psychické kondici apod.

Související články
Laserové řezání: zavedený standard v průmyslu

Mezi nejčastější průmyslové aplikace patří v dnešní době laserové řezání. Jeho princip je vzdáleně podobný řezání lupenkovou pilkou. Spočívá ve vytvoření počátečního průpalu v materiálu a následném postupném odtavování materiálu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

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.

Kvalifikace svářečského personálu

V čem spočívají rozdíly v kvalifikaci svářečského koordinačního a inspekčního personálu podle různých předpisů, jako jsou normy EN či kódy AWS a ASME BPVC? A čím je dána vzájemná zastupitelnost jednotlivých kvalifikačních systémů v jednotlivých předpisech? Odpovědět na tyto i další otázky je cílem tohoto článku.

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.

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.

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.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

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.

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.

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