Témata
Zdroj: ÚPT

Temná zákoutí laserového svařování

Článek nahlíží na technologii laserového svařování střízlivýma očima technika. Vedle mnohých nesporných výhod této technologie je totiž nutné být si vědom také jejích nevýhod.

Doc. Libor Mrňa

Absolvoval MU v Brně. Přes dvacet let se v průmyslu zabýval technologiemi laserového dělení materiálu, laserového svařování a povrchového kalení laserem. V současnosti vede na ÚPT AV ČR výzkumnou skupinu Laserové technologie. Souběžně působí na Fakultě strojního inženýrství  VUT v Brně na Ústavu strojírenské technologie; vyučuje předmět Speciální metody svařování.

Reklama

Rozhodně je pravdivé, že rychlost laserového svařování (tedy i výrobní produktivita) je daleko vyšší v porovnání s klasickými obloukovými technologiemi. Pokud budeme srovnávat s těmito technologiemi velikost laserového svaru, tato je citelně menší – štíhlejší. Z toho zákonitě vyplývají i menší deformace vzniklého svařence. To jsou nezanedbatelné výhody. Ale má tato metoda i své nevýhody? Samozřejmě v první řadě čtenáře napadne cena. To je sice pravda, ale díky výše uvedeným pozitivům se váhy dají přechýlit na plusovou stranu stupnice. Existují i další nevýhody?

Reklama
Reklama

Z technologického hlediska lze konstatovat, že ano. Souvisejí s malou velikostí svaru v porovnání s hmotou okolního materiálu a s rychlostí ohřevu. Dá se říci, že v porovnání s obloukovými metodami svar vznikne velice rychle, související teplo nutné pro vznik svarové lázně se nestačí šířit do okolí. Díky tomu vzniká horký svar a studené okolí. Následně dochází k velmi rychlému ochlazování svaru. Důsledky mohou vést ke vzniku horkých trhlin nebo ke vzniku nežádoucích struktur ve svarovém kovu a tepelně ovlivněné oblasti. Velmi záleží na druhu svařovaného materiálu. Pokud svařujeme konstrukční a hlubokotažné oceli s nízkým obsahem uhlíku, tak výše uvedené problémy nehrozí. Ani u austenitických ocelí se nemusíme obávat vzniku křehkých struktur (ale již mohou vznikat horké trhliny). U ostatních materiálů, tedy ocelí s vyšším obsahem uhlíku, u některých typů hliníkových slitin je však toto nebezpečí reálné.

Heterogenní laserový svar dvou typů hliníkových slitin s trhlinami zatepla. (Zdroj: ÚPT)

Pro odhad fází ve svarové mikrostruktuře je nutné změřit rychlost ochlazování svarového kovu. To však není jednoduchá věc ani při obloukovém svařování, u laserového svařování je měření ještě o úroveň komplikovanější. První, co technologa napadne, je využít měření teploty pomocí termočlánků. S tím však souvisí několik důležitých faktů:

  • velikost a hmota obvyklých termočlánkových drátů (průměr 0,5–0,7 mm) není zanedbatelná v porovnání s velikostí laserového svaru;
  • při svařování vznikají mezi svarovou lázní a okolním materiálem vysoké teplotní gradienty;
  • termočlánkem neměříme teplotu ve svaru, ale v jeho blízkém okolí.

Bohužel tyto skutečnosti v principu neumožňují přesně a rychle změřit žádanou rychlost ochlazování – i malé změny v poloze termočlánku vůči svaru (v řádu desetin mm) vedou k velkým změnám ve výsledcích, měření jsou nereprodukovatelná. Tepelná setrvačnost termočlánku vnáší navíc do měření časových změn teploty zkreslení.

Termografický snímek svařování uhlíkové oceli metodou TIG. (Zdroj: ÚPT)

Bezkontaktní měření nebo pyrometr

Také bezkontaktní měření teploty přináší problémy související s fyzikálními principy. Jednak běžně dostupné a stále levnější termokamery měří do teploty pouze cca 350 °C. Takže potřebujeme speciálnější termokameru, ale i s ní se osa svaru jeví tmavá, zdánlivě nejchladnější. Fyzikálně je to pochopitelně nesmysl. Termokamera primárně snímá radiační tok, teplota se následně vypočte z tohoto toku a z emisivity povrchu. Při ochlazování svaru a vlivem vzdušného kyslíku povrch oxiduje a dochází k významným změnám emisivity, což způsobuje odchylky ve výpočtu skutečné teploty v daném místě. Poslední možností je měření pyrometrem, nejlépe dvoupásmovým. Zde je nutné uvážit, zda měřicí ploška pyrometru má stejný nebo menší průměr než vznikající svar. Pokud není splněna tato podmínka, měříme průměrnou teplotu celé plošky, tedy nepřesné měření. Naštěstí existují i pyrometry s průměrem měřicí plošky cca 1 mm. Konečně dostáváme křivku, ze které lze vypočítat kýženou rychlost ochlazování mezi teplotami 800 °C a 500 °C. V daném intervalu je tedy rychlost ochlazování cca 60 °C za sekundu. Perfekcionista může konstatovat, že je to rychlost ochlazování povrchu, ale co uvnitř svaru? Zde je nutné se spolehnout na možnosti simulačních programů a verifikovat výpočty právě podle těžce naměřených povrchových teplot. Svařovací technolog nejspíše pro daný materiál vyhledá jeho ARA diagram, aby se poučil, jaké že struktury ho čekají. Jenže zjistí, že ochlazovací křivky jsou vyneseny pouze cca do 5 °C za sekundu. Jeden vtipálek poznamenal, že v každém ARA diagramu je i křivka rychlosti ochlazování pro laser – svislá osa Y! Potřebné údaje v dnešní době nejsou a struktury je možné studovat pouze z reálných vzorků. Z popsaného plyne, že temných zákoutí při laserovém svařování může být i víc a v technické praxi nezbývá nic jiného než mnohé věci ověřit experimentálně, pokud má výsledek splňovat požadavky. Navíc je nutné mít také na paměti, že údaje uvedené v produktových listech o svařitelnosti platí pouze pro obloukové svařovací metody. Při laserovém svařování může být výsledek jiný. To na základě výše uvedeného platí i pro případné předehřevy počítané dle EN ČSN 1011. V této oblasti je proto nutný další výzkum, aby praktičtí svařovací technologové mohli pracovat.

Záznam teploty v ose svaru z pyrometru při laserovém svařování martenzitické korozivzdorné oceli. (Zdroj: ÚPT)

Pracoviště laserových technologií na ÚPT se zabývá nejenom osvětlováním výše popsaných temných zákoutí laserového svařování, ale i dalším studiem laserového svařovacího procesu a rozvojem pokročilých laserových technologií, jako jsou skenerové svařování či svařování s dynamickým tvarováním laserového svazku (wobbling), a konečně také hybridními metodami laser-TIG a v blízké budoucnosti i laser-MIG. V poslední době se také testuje 3D tisk metodou WAAM – tedy navařování drátu obloukovými metodami.

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.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

O laserové technologie stále roste zájem

Jsme svědkem doby, kdy se laserové technologie již běžně využívají v průmyslu v nejrůznější podobě, důležitou roli hrají zejména ve strojírenství. Důvodem je rychlý rozvoj těchto technologií a s ním přicházející zlevňovaní. To logicky přivádí také větší zájem uživatelů. Rostoucí poptávku si uvědomuje společnost Lascam systems, která se zaměřuje na běžné i speciální aplikace laserů v průmyslu jako je značení, řezání, svařování, ale také přesné laserové obrábění a dodává kompletní automatizované celky s integrací a robotické buňky.

Související články
Ultrakrátké pulzy na Laser - World of Photonics

Květen letošního roku byl po dvou letech opět dějištěm tradičního mnichovského veletrhu Laser - World of Photonics a ukázkou toho, kam vývoj v této oblasti pokročil. Podle statistik švýcarské Optech Consulting dosáhl obrat na trhu průmyslových laserů v roce 2012 sice objemu 7,9 miliard euro, tedy o 9 % více než v předchozím roce, ale tento ukazatel je třeba do jisté míry korigovat kurzovními změnami, ke kterým došlo v tomto roce při poklesu hodnoty eura jak vůči US dolaru, tak i hlavním asijským měnám. Co je ale podstatné pro uživatele laserových technologií, je další vývoj těchto technologií ve smyslu zdokonalování technických parametrů a efektivnosti systémů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Komodita Machine Tool je japonskou jistotou. Jak dlouho?

Japonsko. U Evropana tato destinace stále vyvolává pocit neznáma a určitého tajemna. Je to země kruté historie ovlivněné přímo i nepřímo lidskými rozhodnutími, jenž zanechaly v celé řadě generací znatelný šrám projevující se uzavřeností a prvotní osobní nedůvěřivostí a i určité váhavosti projevující se například z obavy ze sdělení negativního názoru spoluřečníkovi, aby se případně necítil uražen. V komunitě Japonců jste pokaždé udivováni obrovskou vzájemnou úctou a respektem. Budiž jejich chování vzorem pro ostatní národy.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

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.

Kompaktní laserová pracovní stanice

Laserové zpracování kovů, které bylo kdysi vyhrazeno pro drahé letecké a medicínské technologie, se postupem času stalo běžnou technologií v mnoha průmyslových odvětvích. Ve srovnání s tradičními laserovými zdroji, které vyžadují drahý spotřební materiál a pravidelnou údržbu optických součástí, jsou dnešní vláknové lasery v podstatě bezúdržbové. Kromě velmi vysoké technické úrovně a sofistikovanosti, které tyto lasery nabízejí, jsou nyní mimořádně cenově konkurenceschopné. Náklady na laserové diody se v posledních letech snížily o více než 80 , a proto se stroje používající vláknové lasery staly mimořádně cenově efektivním řešením pro mnoho aplikací zpracování materiálu.

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.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

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.

Termovizní kontrola svarových spojů

Svařování je průřezový obor, jehož postupy se používají prakticky ve všech oblastech průmyslu a služeb. Termografická kontrola je moderní, produktivní způsob hodnocení kvality, který perspektivně může za určitých okolností v budoucnosti nahradit standardní NDT metody zkoušení a může se stát jejich alternativou s vyššími užitnými vlastnostmi. Pomocí speciálního SW bude možné např. u svarových spojů přibližně určit i mechanické a strukturní vlastnosti tepelně ovlivněné oblasti základních materiálů.

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