Revoluce ve svařování laserem

Snížení doby cyklu a zvýšená produktivita hrají stále důležitější úlohu v současné průmyslové výrobě. Zejména v automobilovém průmyslu, kde celková délka laserem svařovaných švů může dosahovat až šedesát metrů na vozidlo, je důležité minimalizovat dobu zpracování použitím vysokých rychlostí svařování. Perfektním základem jsou vláknem vedené pevnolátkové lasery, např. diskové lasery s vysokou kvalitou paprsku při laserovém výkonu v rozsahu několika kW. Avšak použití moderních pevnolátkových laserů není zadarmo; je zapotřebí překonat překážky, tj. velký rozstřik a znečištění obrobků a upínacích zařízení.

V porovnání s konvenčním svařováním laserové svařování umožňuje svařování s vedením tepla (konvekční) a rovněž svařování s hlubokým průvarem. Tenké a hluboké svarové švy jsou zhotoveny bezdotykově a při vysokých rychlostech posuvu. Malá teplotně ovlivněná zóna (HAZ) minimalizuje tepelné deformace dílů. Hloubka svaru může být až desetkrát větší než šířka svaru a může dosahovat až 25 mm. Avšak rychlosti posuvu jsou u laserového svařování omezené. Jedním z důležitých faktorů je rozstřik a následkem toho ztráta objemu svarového švu. Všeobecně oba tyto aspekty se zvyšují s rychlostí posuvu a s použitým výkonem laseru. Při svařování konstrukční oceli pevnolátkovým laserem obvykle dochází ke zvýšené ztrátě hmotnosti od rychlosti posuvu 5 m.min^-1. Obrázek z hlediska kvality ilustruje typické rozstřikování u laserového svařování konstrukční oceli při rychlosti posuvu 10 m.min^-1.

^-1.

Zvýšené rozstřikování při vyšších rychlostech posuvu:

• nebezpečí ztráty objemu materiálu při vysokých rychlostech posuvu má za následek boční rýhy a vruby, které snižují mechanické pevnosti a kvalitu svarového švu;
• upínací zařízení jsou znečištěna a vyžadují čištění, což má za následek neproduktivní časy stroje;
• krycí ochranná skla je nutné měnit, což má za následek zvýšené náklady.

Doposud bylo možné dosáhnout přijatelného rozstřikování pouze při rychlostech svařování do 5 m.min^-1, výsledkem je nízká produktivita. To je v rozporu se stávajícím požadavkem na snížení doby cyklu v průmyslových výrobních zařízeních. S novou technologií svařování BrightLine Weld firma Trumpf nabízí řešení splňující tyto požadavky.

Pomocí technologie BrightLine Weld jsou zhotovovány tenké a hluboké švy vysoké kvality. Nižší tvorba stříkanců umožňuje vyšší rychlosti posuvu. Graf znázorňuje hloubku svařování v závislosti na rychlosti posuvu při výkonu laseru 5 kW u konstrukční oceli jak pro současné laserové svařování, tak pro BrightLine Weld. Barva referenčních bodů v grafu znázorňuje dosaženou kvalitu švu:

• zelená – svarový šev vysoké kvality, který splňuje současné požadavky;
• žlutá – svarový šev střední kvality, který nesplňuje všechny požadavky, ale je přijatelný pro různé aplikace;
• červená – svarový šev špatné kvality, který již není přijatelný;
• fialová – od této rychlosti svařování se objevuje tvorba nerovností, Výsledná kvalita svarového švu je nedostatečná.

Referenční body křivky BrightLine Weld jsou zelené až do rychlosti 20 m.min^-1. Až do této rychlosti vznikají svarové švy vysoké kvality. U současného stavu techniky jsou referenční body žluté při rychlosti svařování 5 m.min^-1. Pro vyšší rychlosti svařování jsou tyto body červené nebo fialové. Takže kvalita svarového švu při 5 m.min^-1 je pouze střední a špatná nebo nedostatečná při vyšších rychlostech. To znamená, že s technologií BrightLine Weld by bylo možné zvýšit maximální rychlost posuvu u konstrukční oceli o přibližně 300 % až na 20 m.min^-1 při porovnatelné hloubce svařování. U nerezové oceli testy prokázaly možnost zvýšení maximální rychlosti posuvu o 100 % na 10 m.min^-1.

Další graf ukazuje detailně úbytek materiálu svarů s částečným průvarem u nerezové oceli svařené technologií BrightLine Weld. Pro porovnání výsledků je rovněž znázorněna ztráta hmotnosti naměřená při konvenčním laserovém svařování s pevnolátkovými lasery. Červené referenční body opět označují nedostatečnou kvalitu svaru u testovacích svarů. Konvenční laserové svařování ukazuje zvýšenou ztrátu hmotnosti od rychlosti posuvu 5 m.min^-1. Naproti tomu je ztráta hmotnosti u svarových švů zhotovených technologií BrightLine Weld až do rychlosti posuvu 20 m.min-1 v rozsahu, který může být charakterizován jako téměř bez rozstřiku (<0,4 mg.mm^-1). Současně všechny svarové švy zhotovené technologií BrightLine Weld vykazují vysokou kvalitu, a navíc nemají žádné nepravidelnosti až do rychlosti posuvu nejméně 20 m.min^-1.

Použití technologie BrightLine Weld přináší uživateli následující hlavní výhody:

• Podstatně vyšší rychlosti procesu při konstantní kvalitě švu zvyšují produktivitu. U konstrukční oceli může být max. rychlost svařování zvýšena bez problémů o 300 %, a u nerezové oceli o 100 %.
• Minimální tvorba stříkanců a méně znečištění snižují procesní náklady: snížení prostojů stroje, méně oprav dílů a nižší spotřeba ochranných skel svařovací optiky za stejnou dobu.
• Na stejnou hloubku svařování je zapotřebí nižší výkon laseru. Vysoká účinnost umožňuje až 50% úsporu energie při stejné hloubce svařování a stejné kvalitě.
• BrightLine Weld poskytuje svarové švy vysoké kvality. V příznivých případech svarové švy nevykazují propadliny ani krátery. V důsledku sníženého příkonu je teplotní deformace dílů velice malá.

Typickým použitím u hnací jednotky je svařování ozubených kol. Tabulka sumarizuje parametry a výsledky při svařování ozubených kol za současného stavu techniky. Podle typu jsou ozubená kola např. svařována při rychlosti posuvu 5 m.min^-1 a výkonu laseru 3,4 kW. Rozstřik, který vzniká během svařování, musí být odstraňován (viz obrázek na levé straně tabulky).

U takových svarů poskytuje technologie BrightLine Weld podstatné zlepšení. Přitom může být použita flexibilně – buď za účelem optimalizace energetické účinnosti, nebo za účelem optimalizace produktivity stroje. Jestliže je technologie BrightLine Weld použita za účelem optimalizace energe-tické účinnosti, jak je uvedeno v další tabulce vlevo, shodné díly mohou být svařovány při stejné rychlosti posuvu s o 40 % nižším výkonem laseru 2 kW. Jestliže si prohlédneme podrobněji zobrazený svarový šev, rovněž pochopíme důvod. S technologií BrightLine Weld jsou zhotovovány mírně užší svarové švy, což je důvod, proč je zapotřebí nižší výkon laseru pro dosažení stejné hloubky svařování. Současně je dosaženo nižší tvorby stříkanců, takže není požadováno žádné odsávání, což má za následek snížení nákladů. Lze rovněž zvýšit rychlost posuvu při vyšším výkonu laseru. Tento případ je uveden v pravém sloupci tabulky.

V budoucnosti by neměla být technologie BrightLine Weld používána pouze ve výrobě převodovek, nýbrž také v jiných průmyslových odvětvích, jako jsou trubky nebo profily. Trubky a profily jsou obvykle ohýbány a svařovány z velice dlouhých plechů (tzv. kontinuální proces). Na rozdíl od aplikací hnací jednotky jde u těchto svarů o svary s úplným průvarem. Obvykle jsou používány velice vysoké rychlosti posuvu, např. 30 m.min^-1, které nemohou být v dnešní době dosaženy pevnolátkovými lasery. Tyto požadavky zvyšují náročnost procesu, ale již bylo dosaženo slibných výsledků. První testy ukazují, že s technologií BrightLine Weld je možné svařovat svarové švy s úplným průvarem při vysokých rychlostech posuvu. Jako ukázka je na obrázku zobrazen výsledek svaru při svařování 2 mm silného profilu z nerezové oceli s úplným průvarem. Tento test byl proveden s TruDisk 5001 s výkonem laseru 5 kW při rychlosti posuvu 20 m.min^-1.

Nová technologie BrightLine Weld má potenciál způsobit revoluci ve svařování pevnolátkovými lasery. Umožňuje konstantní vysokou kvalitu švu nezávisle na rychlosti svařování. Uživatel má možnost volby mezi optimalizacemi, tj. minimalizací spotřeby energie nebo maximalizací produktivity svého stroje. Navíc rychlost posuvu s BrightLine Weld již není parametrem, který musí být optimalizován. To usnadňuje optimalizaci parametrů a zrychluje průběh procesu.

Balík firmy Trumpf obsahuje laser TruDisk způsobilý pro technologii BrightLine Weld, optický laserový kabel, svařovací optiku a softwarový modul, který zjednodušuje používání technologie.

Trumpf

Marcela Náhlovská

Marcela.Nahlovska@cz.TRUMPF.com

https://www.trumpf.com/cs_CZ/