Témata
Zdroj: Messer Technogas

Ruční laserové svařování s ochranným plynem

Laserové svařování není příliš rozšířenou metodou, ale pro své nesporné výhody nachází stále větší uplatnění. V praxi jsme se doposud setkávali především s robotickým laserovým svařováním v sériové či velkosériové výrobě. V poslední době však nachází své uplatnění také ruční laserové svařování, které lze využít i pro malé série výrobků či kusovou výrobu.

Jan Kašpar

Vedoucí oddělení svařování/dělení materiálu ve společnosti Messer Technogas, specialista v oblasti technických plynů pro laserové aplikace a 3D tisk a spoluřešitel projektu AdMan Tool.

Jan Šplíchal

Aplikační inženýr svařování a dělení materiálů ve společnosti Messer Technogas.

Reklama

Lasery pro ruční svařování mají zpravidla nižší výkon než průmyslové lasery vedené robotem. Dnes běžně dostupné ruční lasery disponují výkonem 1,5–2 kW. I při tomto relativně nízkém výkonu jsou zachovány nesporné výhody laserového svařování. Za zmínku stojí vysoká rychlost svařování a úzká tepelně ovlivněná oblast. Díky silně koncentrovanému přívodu tepla do místa svařování dochází k redukci vneseného tepla a tím i ke snížení deformací svařenců. Další výhodou je snadné ruční vedení svařovací optiky. Hořák je většinou opatřen „patkou“, kterou svářeč opře o svařovaný materiál. Tím je ruční vedení hořáku značně usnadněno. Praxe ukazuje, že ve srovnání s metodou TIG či MIG/MAG je získání základních svářečských dovedností mnohem jednodušší.

Mezi nevýhody této metody patří vyšší investiční náklady a nutnost precizního sesazení svařovaných dílů. Pokud svařujeme bez přídavného materiálu, je dokonalé sesazení dílců vzhledem k malému průměru paprsku opravdu klíčové. Tuto nevýhodu lze částečně eliminovat použitím přídavného materiálu. Hořák lze vybavit podavačem drátu, čímž je zajištěna plynulá dodávka svařovacího drátu.

Obr. 1. Ze svařenců byly obrobeny vzorky, které byly následně podrobeny tahové zkoušce. (Zdroj: Messer Technogas)

Velkou pozornost je nutné věnovat bezpečnosti práce. Vzhledem k vlnové délce paprsku (cca 1 µm, dle typu laseru) je nezbytná ochrana těla svářeče, zejména zraku. K tomu slouží speciální ochranné brýle. Dalším rizikem je odražený paprsek, který je schopen zapálit hořlavý materiál na vzdálenost několika metrů. Doporučuje se svařování v uzavřeném prostoru s bezpečnostním vypínačem při otevření dveří během svařovacího procesu.

Volba ochranného plynu

Důležitou součástí laserového svařování jsou bezpochyby technické plyny a jejich správný výběr. Nelze na ně nahlížet pouze z hlediska nutné ochrany nataveného materiálu před okolní atmosférou, ale i jako na prvek, který dokáže do určité míry metalurgicky a termicky ovlivnit proces tavení kovů. Typ ochranného plynu se u laserového svařování odvíjí především od základního materiálu. Sortiment plynů je široký, s možností využití jedno- či vícesložkových plynů. Celkový přehled a vhodnost použití ochranných plynů pro jednotlivé materiály shrnuje tabulka 1.

Tab.1. Přehled plynů pro laserové svařování

Vliv ochranného plynu na vlastnosti svarového spoje je u konvenčních metod svařování, jako je MAG/MIG a TIG, znám. U laserového svařování je však vliv ochranných plynů málo prozkoumaný. Z tohoto důvodu byla provedena zkouška různých ochranných atmosfér při ručním laserovém svařování.

Reklama
Reklama
Reklama

Charakteristika vzorků a jejich svaření

Na zkoušku byly použity dva typy základního materiálu. Prvním materiálem byla nelegovaná jakostní konstrukční ocel S235JR, druhým austenitická nerezová ocel AISI 304. Tloušťka plechů byla u obou materiálů 4 mm. Pro následné potřeby byl zvolen vstupní rozměr svařovaných plechů 350 x 150 mm. Plechy byly uloženy na tupo, bez mezery a úkosu. Před zahájením svařovacího procesu proběhlo nabodování, aby v průběhu svařování nedošlo vlivem tepelného ovlivnění k deformaci sesazených vzorků. Svaření vzorků proběhlo bez přídavného materiálu na jeden průchod. Výsledkem byl svařenec o rozměrech 350 x 300 mm.

U plechů z materiálu S235JR byl pro jeden vzorek použit jako ochranný plyn čistý argon 4.8 (99,998 %). U druhého vzorku byla použita ochranná směs Ferroline C12X2, tedy směs obsahující 12 % oxidu uhličitého a 2 % kyslíku v argonu. Kyslík a oxid uhličitý tvoří aktivní část ochranného plynu a ovlivňují tak chemické složení svařovaných materiálů. U materiálu AISI 304 byl první vzorek svařen taktéž v ochranné atmosféře čistého argonu, pro druhý vzorek byla zvolena ochranná směs Inoxline H7. Inoxline H7 je ochranná atmosféra obsahující 7 % vodíku v argonu. Vodík díky své vysoké tepelné vodivosti umožňuje dosažení většího průvaru a vyšších svařovacích rychlostí.

Aby bylo možné přesněji porovnat vliv ochranného plynu na pevnostní charakteristiky svarového spoje, byly zvoleny stejné svařovací parametry pro stejný typ materiálu bez ohledu na druh ochranné atmosféry. Tento způsob nevedl k maximálnímu možnému využití potenciálu ochranných směsí plynů, to však nebylo cílem zkoušky.

Reklama

Tahová zkouška a její výsledky

Ze svařenců byly obrobeny vzorky (obr. 1) pro tahovou zkoušku (obr. 2), jejichž rozměry respektovaly normu ČSN EN ISO 6892-1 pro plochá tělesa. Pro zkoušku tahem bylo připraveno osm vzorků z materiálu S235JR, z toho byly čtyři vzorky svařeny v ochranném plynu argonu a čtyři ve směsi Ferroline C12X2. Z materiálu AISI 304 bylo taktéž připraveno osm vzorků, z nichž u čtyř byl jako ochranný plyn použit argon a u následujících čtyř směs Inoxline H7.

Obr. 2. Zkouška vzorků tahem podle normy ČSN EN ISO 6892-1 pro plochá tělesa. (Zdroj: Messer Technogas)

Výsledky ze zkoušky tahem jsou aktuálně k dispozici pouze pro materiál S235JR. Výsledky tahové zkoušky jsou uvedeny v tab. 2 a grafu. Nejvyšší hodnoty meze kluzu 355 MPa bylo dosaženo u vzorku číslo 6. Tento vzorek byl svařen směsí Ferroline C12X2. Nejnižší hodnota meze kluzu 305 MPa byla zaznamenána u vzorku číslo 3. U tohoto vzorku byl jako ochranný plyn použit čistý argon. Průměrná hodnota meze kluzu vzorků svařených argonem je 322 MPa, u vzorků svařených směsí Ferroline C12X2 je tato hodnota 333 MPa. Z hlediska porovnání pevnostních charakteristik tedy ze zkoušky tahem vychází lépe ochranný plyn Ferroline C12X2, avšak rozdíl je minimální.

Tab. 2. Výsledky tahové zkoušky osmi vzorků z nelegované jakostní konstrukční oceli S235JR. (Zdroj: Messer Technogas)

Závěr

Laserové svařování je aktuálně velmi diskutovanou a dynamicky se rozvíjející metodou svařování. Stále je však nutné brát v potaz, že tato metoda je na počátku svého vzestupu a že se s tím pojí i určité problémy při zavádění do provozu. Taktéž vlivu ochranných plynů pro svařování laserem nebyla dosud věnována dostatečná pozornost a možná to mohou být právě ochranné atmosféry, které dokážou tuto pro mnohé stále fantastickou technologii posunout ještě o krok dál.


Umístění expozice firmy Messer Technogas na MSV 2023:
pavilon V, stánek 24

Související články
Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

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.

Obrábění laserem pro všechna odvětví

Od doby, kdy byl objeven a vyroben první laser roku 1960, se uplatnění laserů rozšířilo téměř do všech oborů lidské činnosti. Dnes se s lasery setkáváme téměř všude ? ve zdravotnictví, potravinářství, stavebnictví a logicky i ve strojírenství. Velice často se lasery uplatňují v procesech zpracování a obrábění materiálů jako výrobní nástroje. Oblibu si získaly díky svým schopnostem rychlého procesu obrábění, minimální hlučnosti, vysoké flexibilitě, minimálnímu tepelnému ovlivnění okolního materiálu a dalším.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Laserová svařovací buňka, která promíjí nepřesnosti v plechu

Vstup do oblasti laserového svařování se stává snadnějším než dříve díky tolerantnímu laserovému svařování metodou FusionLine a balíčku pro náběh výroby. Nové konstrukční prvky a softwarové komponenty zjednodušují obsluhu.

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.

Technické plyny pro 3D tisk a laserové navařování

Laserové aplikace nacházejí ve strojírenské praxi stále větší uplatnění. Kromě dnes již velmi rozšířeného laserového dělení materiálu se lasery stále častěji uplatňují i v dalších oblastech. Laserovou techniku lze pro její nesporné výhody použít pro mnoho dalších operací, jako je např. 3D tisk, navařování, svařování a pájení.

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.

Inovovaná fiber laserová centra

Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

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.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

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