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.

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?

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
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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