Témata
Reklama

Svařování mědi vysokovýkonnými vláknovými lasery

Přesné strojírenství, automobilový průmysl a spotřební elektronika stojí za stále výraznějším rozšiřováním mědi a jejích slitin do různých výrobků a strojních součástí. S vývojem nových technologií baterií a zvyšováním jejich kapacit rostou požadavky na kvalitu a produktivitu spojování těchto materiálů. Pro spoje v oblasti spotřební elektroniky je stále nejpoužívanější technologie pájení, v aplikacích náročnějších na mechanické namáhání nebo přenos větších proudů je nutno přistoupit k procesu svařování.

Roman Švábek

Je absolventem oboru Materiálové inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze. Od roku 2005 se věnuje laserům a průmyslovým laserovým technologiím. Je jednatelem české pobočky společnosti IPG Photonics, která zajišťuje prodej a servis produktů IPG na českém, slovenském a maďarském trhu.

Neustále se zvyšující produkce elektromobilů a rozšiřující se oblast elektromobility má mimo jiné za následek rostoucí poptávku po efektivních, spolehlivých a robustních řešeních z oblasti svařování mědi a slitin mědi. Z historického hlediska byly pro svařování těchto materiálů největší překážkou jejich fyzikální vlastnosti. V dnešní době se díky dostupnosti vysokovýkonných vláknových laserů s vynikající kvalitou svazku úspěšně daří tyto překážky eliminovat a je možné dosahovat kvalitních svarů bez jakýchkoli vad.

Reklama
Reklama

Jak svařit měď laserem?

Jak již bylo naznačeno, obtížnost svařování mědi laserem je spojena se dvěma klíčovými fyzikálními vlastnostmi: vysokou odrazivostí povrchu pro většinu typů průmyslově používaných laserů a velmi dobrou tepelnou vodivostí mědi neboli její konduktivitou. Je obecně známo, že spolu se snižující se vlnovou délkou laseru se absorpční charakteristiky povrchu mědi vylepšují, méně tepla je tedy spojovanými materiály odraženo. To znamená, že lasery emitující záření ve viditelném spektru (např. zelené – vlnová délka 532 nm) jsou pro svařování mědi velmi vhodné. Problémem však je, že takové lasery nejsou ve výkonech potřebných pro svařování mědi dostupné buď vůbec, nebo nesplňují podmínky pro náročné průmyslové aplikace. Největším omezením běžně dostupných laserů s infračervenou vlnovou délkou (kolem 1 µm) je u mědi absorpce v pevné fázi. Pokud se však materiál podaří natavit nebo jej dokonce částečně odpařit, je laserový svazek absorbován výrazně lépe.

Neporušený povrch mědi absorbuje méně než 4 % infračerveného laserového záření, u měděných par v případě metody svařovaní klíčovou dírkou (keyhole welding) však tato hodnota dosahuje již více než 60 %. Při procesu svařování je tedy žádoucí stav s vysokoreflexním povrchem co nejrychleji přejít – k tomu se velmi dobře hodí vláknové lasery s vysokou hustotou výkonu, které umožňují rychlé natavení povrchu a vypaření povrchové vrstvy mědi. Při testech vysokorychlostní kamerou bylo zjištěno, že za méně než 1 ms dojde k dosažení stabilního procesu svařování. V případě kontinuálních (CW) laserů k tomuto jevu dochází vždy pouze jednou, a to na začátku svařovacího procesu. U laserů pracujících v pulzním režimu však výše popsaná situace nastává na začátku každého jednotlivého pulzu. Požadované vysoké hustoty výkonu lze jednoduše docílit tzv. single-mode vláknovými lasery.

Vláknové lasery single-mode (SM) mají vynikající kvalitu svazku a možnost velmi přesné fokusace. Firma IPG vyrábí vysokovýkonné kontinuální SM lasery s výkonem až 10 kW ve známém a prověřeném průmyslovém designu, který umožňuje používat laser v běžných podmínkách a nevyžaduje pro provoz laseru čistý prostor. Takový laser dosahuje hustoty výkonu než 108 W.cm-2 – ve srovnání s běžně používanými multi-mode (MM) lasery je tato hodnota více než 50x vyšší. Firma IPG nabízí SM lasery v kompaktním 19" rackovém provedení YLR v rozmezí výkonů 100 až 1 000 W. Pro vyšší výkony je k dispozici systém YLS – zde se maximum pohybuje na úrovni 10 kW. Oba typy disponují velmi vysokou účinností – více než 40 %.

Systém YLS dosahuje maximálního výkonu 10 kW.
Single-mode lasery v kompaktním 19" rackovém provedení YLR v rozmezí výkonů 100 až 1 000 WSystém YLS dosahuje maximálního výkonu 10 kW.

Jak se vyhnout rozstřikům?

Při svařování mědi laserem je dalším problémem nestabilita provázející proces při nízkých svařovacích rychlostech. U rychlostí nižších než 5 m.min-1 se lze obvykle setkat s rozstřikem svarové lázně a následným vznikem pórů či nepravidelných tvarů svarové housenky. Se zvýšením rychlosti svařování se daří tyto problémy eliminovat a proces se postupně stabilizuje. V rozmezí rychlostí 5 až 15 m.min-1 již kvalita svarových spojů dosahuje akceptovatelné úrovně a nad rychlost 15 m.min-1 jsou svary obyčejně kompletně bez vad. To však prakticky znamená, že nejlepších výsledků je u svarových spojů dosahováno při rychlostech, u nichž se běžně používaná polohovací zařízení či průmyslové roboty dostávají na svůj limit. Kromě toho se s rostoucí rychlostí snižuje hloubka průvaru, a svar tak proto nemusí splňovat potřebné, např. pevnostní požadavky. Tento negativní jev lze řešit zvýšením výkonu laseru, to však vyžaduje vyšší vstupní investici na výkonnější laserový zdroj.

Rozmítací svařovací hlava (wobble head) v provedení FLW-D50 a FLW-D30

Nejnovější výsledky testů ukázaly, že svarový proces může být stabilizován nikoli pouze zvýšením rychlosti ve směru svařování, ale také dynamickým vychýlením svazku v jiných směrech neboli rozmítáním. Tato technologie umožňuje docílit kvalitních a stabilních svarů při relativně nízkých rychlostech a je tedy řešením výše popsaných problémů. Firma IPG vyvinula k tomuto účelu rozmítací svařovací hlavu – wobble head. Rozmítací svařovací hlava je nabízena ve dvou provedeních FLW-D50 a FLW-D30, může pracovat s frekvencí rozmítání až 1 kHz a lze ji snadno integrovat do polohovacích zařízení a na ramena průmyslových robotů. Od základních svařovacích hlav se rozmítací hlavy odlišují integrovanou skenovací optikou umožňující rychlý dodatečný pohyb laserového svazku ve dvou směrech – vytvořit lze tvar kruhový, symboly „8“ a „∞“, nebo je možno aplikovat jednoduchý lineární pohyb. To všechno znamená, že s touto technologií je možné dosáhnout velmi kvalitních svarů u mědi a jejích slitin – s výkonem 1 kW (SM laser) lze docílit hloubky průvaru až 1,5 mm bez jakýchkoli vad svaru. Hloubku svaru lze navíc úpravou parametrů procesu jednoduše řídit bez vlivu na kvalitu svaru. Rozmítací hlavu je také možné samozřejmě použít s běžným vláknovým MM laserem – v tomto případě bylo při testech s laserem o výkonu 6 kW a BPP (beam parameter product) 2 mm.mrad docíleno svarů bez vad s hloubkou průvaru až 5 mm.


Integrovaná skenovací optika umožňuje rychlý dodatečný pohyb laserového svazku ve dvou směrech – vytvořit lze tvar kruhový, symboly „8“ a „∞“ nebo je možné aplikovat jednoduchý lineární pohyb.

Svarové spoje bez vad

Závěrem lze říci, že vláknové lasery IPG umožňují díky unikátním vlastnostem laserového svazku překonat obvyklé problémy známé při laserovém svařování mědi. Vysoká hustota výkonu dovoluje rychlé natavení základního materiálu, čímž je dosaženo rychlé a stabilní absorpce laserového svazku i přes vlnovou délku 1 070 nm (vlnová délka vláknových laserů). V kombinaci s dynamickým rozmítáním svazku je navíc stabilizována svarová lázeň a výsledkem jsou svarové spoje bez vnějších či vnitřních vad. Úpravou parametrů procesu lze navíc snadno měnit a řídit výslednou geometrii svarového spoje. Tím je možné splnit náročné požadavky na kvalitní a funkční svary u mědi a jejích slitin.

Ukázka svaru mědi vytvořeného rozmítací hlavou IPG (velikost spotu d = 30 μm, amplituda 600 μm)

IPG Laser, umístění na MSV: pavilon B, stánek 54

Ing. Roman Švábek

rsvabek@ipgphotonics.com

www.ipgphotonics.com

Reklama
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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