Témata
Reklama

Průmyslové lasery (3) - laserové svařování

V předcházejícím dílu našeho seriálu bylo pojednáno obecně o vlastním principu laserového svařování a procesech, které během laserového svařování nastávají. Byly též zmíněny typy laserů, které se používají při laserovém svařování, a základní informace o svařitelnosti jednotlivých materiálů, popř. jejich kombinací. V tomto dílu navážeme některými konkrétními aplikacemi a pak i některými zajímavými aspekty z oblasti laserového svařování.

Důvodem, proč jsou pro svařování vhodnější tzv. pevnolátkové nebo diodové lasery, které vyzařují v oblasti blízkého infračerveného záření (NIR), jsou z převážné části hodnoty absorpce používaných materiálů pro konkrétní vlnové délky. Tyto skutečnosti demonstruje graf absorpcí (obr. 1).

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Grafy absorpce jednotlivých materiálů

Svařování vysokoodrazných materiálů

Z grafu je kromě jiného zřejmé, že například slitiny hliníku a různé typy ocelí mají v oblasti NIR daleko větší absorpci v porovnání s oblastí infračerveného záření (IR), ve které vyzařují CO2 lasery. To je pak důvodem, proč srovnatelným výkonem pevnolátkového laseru dosáhneme lepší průvar než pomocí CO2 laseru.
Z grafu lze také poznat, že například měď a stříbro mají i v této oblasti NIR poměrně nízkou absorpci (tj. vysokou odrazivost) – svařování těchto materiálů je oproti běžným a nerezovým ocelím tudíž složitější a má svá úskalí. Dalším parametrem, který ovlivňuje kvalitu svaru, je i tepelná vodivost jednotlivých materiálů. Na obr. 2 jsou příklady svarů nerezové oceli, hliníkové slitiny a mědi provedených vláknovým laserem o výkonu 200 W a rychlosti svařování 15 m.min-1. Jak je vidět z obrázků metalografických výbrusů, hloubka penetrace je u nerezového materiálu nejvyšší. Přestože jde o použití laseru poměrně malého výkonu (200 W), situace je obdobná i při použití výkonů laseru v kilowattových hodnotách.

Obr. 2. Metalografické výbrusy laserových svarů: a) nerez, b) hliník, c) měď

Svařování pulzními pevnolátkovými lasery

Nicméně a naštěstí existují pro většinu požadavků řešení, která dokážou tyto skutečnosti eliminovat. Tím hlavním z nich je použití pulzních pevnolátkových laserů. Vlastní pulz laseru dosahuje podstatně vyššího špičkového výkonu, popř. energie, obvyklá délka trvání pulzu je řádově v desetinách a jednotkách milisekund. K tomuto účelu jsou dnes navrhovány a dodávány lampami buzené Nd:YAG lasery, které v pulzu dosahují výkonu až desítek kW a energie až do cca 100 joulů.
Co je však důležitější, tyto pulzy je možné tzv. tvarovat, přičemž první část pulzu s nižší energií naruší povrch svařovaného odrazného materiálu, a tím se tento stane více absorbujícím. Následuje další segment pulzu s vyšší energií, která způsobí hluboké provaření. Je pak otázkou, s jakou frekvencí a rychlostí svařování celý proces navrhnout, aby bylo dosaženo svaru, který by byl zároveň spojitý a zároveň bylo dosaženo hlubokého průvaru, ať už z hlediska pevnosti či hermetičnosti (viz obr. 3).

Obr. 3. Svar pulzním laserem

Hodnocení kvality svaru

Celá situace je podstatně komplikovanější a kromě samotného svařovaného materiálu, výkonu laseru, přívodu asistenčního plynu, tvaru pulzu a mnoha dalších parametrů hraje podstatnou roli i samotná konstrukce svaru jak z hlediska tolerancí, tak i konstrukce a kvality přípravků, ve kterých jsou svařované díly upnuty. Je důležité, aby konstruktér společně s technologem byl schopen navrhnout takovou konstrukci spojovaných dílů, která zohlední všechny parametry, jež proces svařování ovlivňují. To souvisí se způsobem, jak je výsledný tvar hodnocen, resp. z jakých hledisek, popř. jak je kvalita svaru ověřována. Na takto malém prostoru lze jen těžko zmínit všechny souvislosti, nicméně na obr. 4 je uveden příklad, jak nedodržení tolerancí může ovlivnit výsledný svar.

Obr. 4. Hodnocení kvality svaru: a) vyhovující svar, b) nevyhovující svar

Na obrázku 4b je vidět, jak mezera mezi první a druhou deskou může způsobit vytvoření bubliny, která může mít negativní vliv na kvalitativní hodnocení svaru. Přestože svařování laserem má své nesporné výhody, je nutné oproti klasickým metodám dbát zvýšenou měrou na správný návrh svaru, správné a vhodné přípravky s vyššími přesnostmi a další souvislosti. Kvalita a efektivnost laserových svarů je však velkou odměnou za toto počáteční úsilí. Nakonec důkazem toho je stále větší a masivnější nasazení laserů při svařování.

Obr. 5. Princip svařování metodou remote welding

Metoda remote welding

Používáme tento anglický termín, jelikož český překlad by byl poněkud kostrbatý. Remote welding se díky pokrokům ve vývoji a konstrukci skenovacích optických systémů v posledních cca 5–6 letech stále více uplatňuje v mnoha aplikacích, zejména díky vyšší rychlosti. V podstatě jde o to, že není nutný vzájemný pohyb mezi svařovací hlavou a samotnými díly. Během tohoto procesu je laserový svazek fokusován na velkou vzdálenost mezi procesní rozmítací hlavou a svařovaným vzorkem. Není nutné, aby se samotný svařovaný díl či svařovací hlava nějak pohybovaly vůči sobě. Vše se odehrává v samotné skenovací hlavě. Základní princip je znázorněn na obrázku 5, příklad konkrétní rozmítací hlavy od firmy GSIG je na obr. 6. V případě, že takováto skenovací hlava je nasazena na poslední osu robota, lze efektivně provádět i svařování ve 3D (obr. 7). Rameno robota může rozmítací hlavu snadno umístit do definovaných pozic, kde pak svařování probíhá již díky rozmítání svazku zrcadly, nebo se naopak zrcadla mohou zafixovat a pohyb svazku po vzorku je realizován pohybem robota.

Obr. 6. Rozmítací svařovací hlava od firmy GSIG

Obr. 7. Robot vybavený skenovací hlavou pro remote welding

Velkou výhodou tohoto principu je jeho rychlost, neboť polohování laserového svazku se děje až 100krát rychleji, než jsou běžné svařovací rychlosti. To je umožněno díky téměř zanedbatelné hmotnosti rozmítacích zrcadel, což dává systému ohromnou dynamiku a velký technologický potenciál. Během výrobního procesu tak může být doba využití laserového zdroje (laser ON) udržována na hodnotě vyšší než 90 %. Oproti konvenčním svařovacím systémům se jedná o několikanásobné zvýšení produktivity. Pro ilustraci uvádíme příklad svařovacích rychlostí pro konkrétní materiál – nerezovou ocel a dva typy vláknových laserů o výkonu 2 kW a 4 kW (obr. 8).

Obr. 8. Rychlost svařování nerezové oceli 1.4301 vláknovými lasery o výkonu 2 kW a 4 kW

Obor laserového svařování v současné době prochází poměrně silnou dynamikou a každý den přináší nové poznatky a aplikace. Je potěšující, že poslední trendy v této oblasti se začínají uplatňovat i v ČR a více informací se dostává i ke studentům a doktorandům na českých technických univerzitách.

Ing. Pavel Kořán

LAO – průmyslové systémy
bajano@lao.cz
www.lao.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 120504
Datum: 15. 05. 2012
Rubrika: Výroba / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Prostor pro laserovou automatizace je stále obrovský

Česká společnost Lascam systems se zabývá zejména dodávkami laserových zařízení pro obrábění kovů a plastů. Byla včas u rozvoje moderních laserových technologií a dnes pomáhá firmám s integrací laserových aplikací do výrobních procesů. Podle slov obchodního ředitele společnosti Karola Flimela se považují spíše za dodavatele řešení než distributora jednotlivých zařízení a za největší výzvu považují složité inovativní projekty, které přinášejí nový způsob výroby.

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