Témata
Reklama

Průmyslové lasery (2) - svařovací lasery

První laboratorní pokusy svařování pomocí laseru se objevily záhy poté, co byly postaveny první prototypy laseru na počátku šedesátých let. Výrazněji se však aplikace laserového svařování začaly uplatňovat po vynálezu Nd:YAG laseru v roce 1964 a s postupným zvyšováním dosahovaných výkonů CO2 laserů, zpočátku v laboratořích a ke konci šedesátých let i v průmyslovém nasazení.

V té době i v následujících dekádách byly ke svařování používány též CO2 lasery, a to hlavně z důvodu dosahovaných vyšších absolutních výkonů. Nevýhodou CO2 laserů pro aplikaci svařování je skutečnost, že absorpce většiny konstrukčních materiálů je v oblasti vlnové délky CO2 laseru (10,6 μm) poměrně nízká oproti laserům pevnolátkovým (cca 1,06 μm). Účinnost CO2 laserů je navíc z principu o řád nižší než například vláknových laserů. Velkou výhodou pevnolátkových laserů je též možnost vedení paprsku pomocí optického vlákna do místa svaru oproti komplikovaným sestavám zrcadel v případě vedení paprsku CO2 laseru.

Reklama
Reklama
Reklama

Uplatnění laserových technologií svařování

S rozvojem a zvyšováním výkonů pevnolátkových laserů (obzvláště vláknových) 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 obtížně 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 a svařování bez přídavného materiálu.

To však neznamená, že i jiné (i klasické) metody svařování nemají v průmyslových aplikacích své stálé místo. V leteckém průmyslu se například využívá svařování elektronovým paprskem z důvodu obecně lepší kvality svaru, přestože pořizovací a provozní náklady jsou vyšší a rychlost svařování podstatně nižší. Pro většinu běžných strojírenských aplikací je zase plně dostačující svařování metodami TIG a MIG, přičemž pořizovací a provozní náklady jsou výrazně nižší. Samotná aplikace, požadavky automatizace a polohování, konstrukce svaru a samozřejmě i ekonomické souvislosti tak předem předurčují použití vhodné technologie svařování. Kromě svařování kovových materiálů a slitin je laser úspěšně používán i při svařování nekovových materiálů, hlavně pak rozličných plastů. O této problematice však bude pojednáno v jednom z dalších dílů našeho seriálu.

Princip laserového svařování

Na obr. 1 jsou schematicky znázorněny dva základní principy (mechanismy) laserového svařování. Při svařování vedením tepla (levá část obrázku) se materiál taví absorpcí a vedením tepla dopadajícím laserovým svazkem. Tento postup umožňuje svařování jen do relativně malých hloubek průvaru. Nicméně rychlost svařování může být vyšší a pro některé aplikace je porovnání hloubky průvaru a rychlost svařování vyhovující. Využívá se tedy zvláště v případech, kdy rychlost svařování je důležitější než úzký a hluboký průvar.

Obr. 1. Svařování vedením tepla v porovnání s hlubokým svarem (tzv. keyhole)

Zvyšováním plošné hustoty výkonu dosáhneme kritické hodnoty (empiricky 1–5 x 106 W.cm-2), kdy dochází k tvorbě par kovů nad samotným povrchem svařovaného materiálu. Společně pak s působením vysoké plošné energie fokusovaného laserového paprsku se vytváří plazma a začíná docházet k hlubokému provařování. Laserový paprsek vytvoří „kapiláru“, která má průměr 1,5- až dvojnásobek průměru ohniska. Uzavření této kapiláry je zabráněno tlakem plynů vystupující z této kapiláry. Plazma na povrchu materiálu pak zpětně ovlivňuje tvar kapiláry. Ze stěn kapiláry se následně vedením dostává vložená energie laserového paprsku do taveniny a dále do tuhého materiálu. Tak může laserový paprsek pronikat hluboko do materiálu a vytváří kapiláru, tzv. keyhole (poznámka: český překlad „klíčová dírka“ nepovažujeme za úplně vhodný, proto necháváme anglický výraz. Jedná se o obecný problém při překladu některých nově vznikajících anglických termínů v oblasti tzv. hi-tech). Tím se i díky mnohonásobné reflexi uvnitř kapiláry výrazně zlepšuje absorpce v místě dopadu laserového paprsku. Vzniká tak relativně úzký a hluboký svar. To je pak hlavním důvodem, proč je laserový svazek užší než předpokládaná a teoretická dráha laserového svazku za vlastním bodem jeho fokusace. Pohybem samotného svařovaného materiálu nebo fokusovaného laserového svazku vzniká svarový šev.

Svařovací proces

Vlastní proces svařování a jeho stabilita jsou závislé na mnoha vstupních parametrech, jako jsou vlastnosti a parametry svařovaného materiálu, výkon, resp. plošná hustota výkonu či energie pulzu, vlnová délka laseru, rychlost svařování (posuvu), objem a typ asistenčního plynu, polarizace laserového záření a mnoho dalších faktorů. Nemalou roli hrají i parametry použitých optických prvků ve svařovací hlavě (nejen ohnisková vzdálenost) a poloha ohniska fokusovaného paprsku vůči trysce a povrchu svařovaného materiálu.

Vnášení energie laserového paprsku při svařování pomocí laseru se příznivě ovlivňuje ochranným (asistenčním) plynem. Všeobecně používané asistenční plyny (Ar, N2, CO2 nebo He) zvyšují a stabilizují stupeň absorpce plazmatu indukovaného laserem. Tak může energie laserového paprsku po vzniku plazmatu skoro zcela vniknout do materiálu a zvýšit tak efekt hloubkového provaření – keyhole. Navíc se asistenční plyn současně využívá k ochraně chladnoucí taveniny před oxidací. Některé materiály je však možné svařovat i bez ochranné atmosféry, pokud to dovoluje vytvoření plazmy a povrchová oxidace je přijatelná.

Svařitelnost materiálů

S ohledem na výše zmíněné též hraje zásadní roli kombinace svařovaných materiálů. V tab. 1 jsou uvedeny základní empirické a orientační hodnoty. To pak v podstatě platí i pro slitiny těchto základních materiálů. V uvedené tabulce nejsou detailněji pojaty další okolnosti vyplývající z požadavků na samotné svary, např. z hlediska pevnosti svarů, hermetičnosti, vzhledu apod.

Jakým typem laseru a jakým výkonem svařovat?

V případě, že jde o kovové materiály, tak jednoznačně pevnolátkovým, případně diodovým laserem s vlnovou délkou blízké infračervené oblasti (cca 800–1 070 nm). Jedním ze základních argumentů je především malá tepelně ovlivněná zóna, dále vysoká účinnost pevnolátkových laserů, zejména vláknových. Přitom daleko důležitějším parametrem než vlastní výkon laseru (u kontinuálních laserů) nebo energie v pulzu (u pulzních laserů) je tzv. plošná hustota výkonu, resp. plošná hustota energie, tj. to, do jak malého bodu dokážeme soustředit výkon či energii příslušného laserového zdroje.

Pevnolátkové lasery (Nd:YAG, diskové, vláknové) lze rozdělit na pulzní a kontinuální, přičemž každý z nich má v průmyslových aplikacích své unikátní zastoupení.

Nd:YAG lasery – pulzní a kontinuální

Na obr. 2 je typický představitel vyšší třídy pulzních laserů, laser JK 300 HP od firmy GSI, kterou v ČR zastupuje firma LAO průmyslové systémy, s. r. o. Výstupní paprsek může být přiveden z laserového zdroje do více výstupních optických vláken, mezi nimiž je možné přepínat, anebo lze výstupní výkon samotného laserového zdroje rozdělit v definovaném poměru do jednotlivých optických vláken. Lampami buzené pulzní Nd:YAG lasery mají stále své nezastupitelné místo v mnoha průmyslových aplikacích laserového svařování, a to hlavně díky energii v pulzu až do 70 joulů.

Obr. 2. Pulzní Nd:YAG laser JK 300 HPKontinuální Nd:YAG lasery již žádná větší laserová firma nevyrábí, neboť ve všech aplikacích byly nahrazeny vláknovými lasery, s výjimkou tzv. diskových laserů.

Diskové lasery

Ve své podstatě jde o modifikaci Nd:YAG laseru s unikátním řešením vlastního laserového rezonátoru a náhradou aktivního média ve formě válečku za disk podstatně meších rozměrů a s výhodnějším principem čerpání polem laserových diod. V důsledku toho byla výrazně zvýšena i kvalita výstupního laserového paprsku oproti kontinuálním Nd:YAG laserům. Samotný princip laseru je jistě unikátní a zasloužil si v době svého vzniku jisté uznání. Diskové lasery jsou však poměrně náročné na mechanickou výrobu a samotná účinnost oproti Nd:YAG laserům není výrazně vyšší. V současné době tento typ laseru nabízí jen jedna firma, nejspíš z důvodu, že zaspala vývoj v oblasti vláknových laserů. Je jen otázkou času, kdy tyto typy laserů zmizí z nabídky a budou nahrazeny vláknovými lasery.

Obr. 3. 4kW diodový laser Coherent umístěný na svařovacím robotu

Diodové lasery

V posledních letech se pro některé aplikace začínají používat diodové lasery, resp. pole laserových diod, a to s přímým vedením paprsku buď do fokusační optiky, nebo s možností navázání do optického vlákna. Ploška, do níž lze paprsek zaostřit, je oproti „klasickým“ laserům větší, a tudíž se tyto lasery používají hlavně pro svařování, nanášení a povrchové kalení. Díky nižším vlnovým délkám (808 nm, 940 nm) lze tyto lasery s úspěchem používat i pro svařování některých plastů. Další velkou výhodou je vysoká účinnost, nízká hmotnost a malé rozměry, což je vhodná kombinace pro robotizovaná pracoviště. Na obr. 3 je uveden příklad 4kW diodového laseru firmy Coherent.

Vláknové lasery

V posledních cca deseti letech probíhá v oblasti laserových průmyslových technologií poměrně zajímavá diskuse, jejímž odrazem je počet instalovaných laserových systémů s různými laserovými zdroji: vláknové lasery versus CO2, Nd:YAG a diskové lasery. Je zřejmé, že pulzní Nd:YAG lasery mají stále své nezastupitelné místo v průmyslových svařovacích aplikacích. To, že kontinuální Nd:YAG kilowattové lasery vymizely z nabídek všech předních laserových firem není náhoda. Stejně tak klesají aplikace svařování s CO2 lasery.

Obr. 4. Vláknový laser IPG o výkonu 30 kW

Vláknové lasery představují unikátní typ laseru, ve kterém generace záření probíhá uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Podobné generátory mají ve srovnání s klasickými systémy celou řadu předností: výbornou kvalitu svazku, kompaktnost, nízký příkon a přirozeně nepotřebují žádnou dodatečnou optiku pro navázání výstupu do vlákna. Již dnes jsou běžně k dispozici ověřené a plně funkční systémy s výkony až 50 kW. Přitom jeho velikost je srovnatelná s automatem na chlazené nápoje. Na obr. je 30kW vláknový laser od firmy IPG, která je v oblasti výkonných vláknových laserů absolutním lídrem.

Aplikace laserového svařování

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. Některé speciální aspekty laserového svařování a praktické zkušenosti s konkrétními aplikacemi jsou námětem dalšího dílu seriálu.

Ing. Pavel Kořán

LAO – průmyslové systémy
bajano@lao.cz

www.lao.cz

Tab. 1. Laserová svařitelnost kombinací různých materiálů (V – výborná, D – dobrá, U – uspokojivá)


Reklama
Vydání #4
Kód článku: 120424
Datum: 11. 04. 2012
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
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.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Fotonika - klíč k technologickému rozvoji

Vynález laseru, optických vláken a polovodičových optických součástek výrazně zvýšil význam využití optiky pro moderní technologie. Byl to také impulz pro rozvoj mladého vědního oboru – fotoniky –, který se zabývá vlastnostmi a metodami využití fotonů. Místem, kde si odborníci z těchto tří na sobě závislých oborů – optika, elektronika a fotonika – sdělují svá know-how a sdílejí své úspěchy, se každoročně stává nejvýznamnější světový veletrh optických a laserových technologií Laser World of Photonics. I letos jej koncem června na mnichovském výstavišti doprovázel světový kongres World of Photonics congress.

Související články
Pokročilé metody laserového svařování

V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. Podstatou nových metod je laserová hlava obsahující systém dvou vychylovacích zrcadel doplněných speciální optikou. Díky tomu lze laserovým paprskem velice rychle přebíhat v dané ploše. Svařování s touto hlavou se nazývá skenerové svařování. V provedeném experimentu byla demonstrována významná časová úspora při využití této metody oproti svařování běžnou svařovací hlavou vedenou robotem. Druhou metodou, opět využívající vychylování laserového svazku zrcadly, je svařování s rozmítaným svazkem. U této metody dochází kromě posuvové rychlosti k mikropohybu laserového svazku podél svařované trajektorie. Řízením parametrů mikropohybu můžeme měnit jak šířku závaru, tak i mikrostrukturu svaru, jak je opět předvedeno v rámci několika experimentů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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