Témata
Reklama

Vláknové lasery pro zpracování materiálu

Z důvodu razantního rozvoje v oblasti vláknových laserů v posledních letech je dnes možné těmito lasery pokrýt velmi široké spektrum aplikací. Z hlediska rozdělení podle výkonu laserových zdrojů se jedná zejména o Mid-Power (středně výkonné) lasery, které umožňují nasazení např. pro téměř všechny oblasti 3D tisku, až po lasery pro High-Power (vysoce výkonné) aplikace. Ty zaujaly své pevné místo v celé řadě technologií zpracování materiálu, jako je např. řezání, svařování nebo vrtání.

Technologie vláknových laserů

Vláknové lasery od společnosti IPG Laser jsou vyráběny a vyvíjeny pro celou řadu nejen výrobních oborů. IPG Laser je 100% dceřinou společností firmy IPG Photonics (sídlo v Oxfordu, MA, USA), která ročně prodá zhruba 40 tis. laserů (rok 2014). Jedinečná technologická platforma vláknových laserů IPG umožňuje dosáhnout vyšších výkonů a vysoké kvality svazku v porovnání s tradičními laserovými technologiemi. Těchto vlastností je dosaženo mimo jiné díky intenzivnímu dlouholetému vývoji a neustálým dalším investicím, které směřují právě do výzkumu a vývoje. Důležitým aspektem rovněž je, že společnost IPG Laser si veškeré komponenty pro své lasery vyrábí sama – od polovodičových diod pro čerpání přes optická vlákna až po zesilovače. Vláknové lasery se tak staly nedílnou součástí Mid- a High-Power aplikací a jejich neustálý další vývoj a zlepšování parametrů navíc otevírají další možnosti z hlediska kompaktnosti a integrace těchto laserů.

Díky velmi dobrým vlastnostem vláknových laserů IPG je možné nahradit nejen dříve používané laserové systémy založené na méně efektivních technologiích, ale dokonce lze vláknové lasery použít i na technologie zcela nové, tj. tam, kde doposud lasery nepřicházely v úvahu. Vláknové lasery IPG už takto posloužily stovkám průmyslových uživatelů na celém světě, kdy nabídly spolehlivé a efektivní řešení bez nepříjemných omezení, která jsou jinak občas s laserovými technologiemi spjata.

Reklama
Reklama
Reklama

Řezání laserem

Pro řezání laserem jsou obvykle používány vláknové lasery s výkonem v rozmezí 1 kW až 8 kW (obr. 1). Pro tyto účely vyvinula firma IPG speciální konstrukci – lasery řady YLS CUT vynikají svými kompaktními rozměry a vzduchotěsností. Díky těmto vlastnostem mohou být jednoduše integrovány do výrobních linek a nekladou žádné speciální požadavky na čistotu pracovního prostředí. Jsou zpravidla vybaveny vláknem s průměrem jádra 50 mm, čímž představují optimální volbu pro proces řezání z důvodu vysoké účinnosti (v poslední době až 50 %), přesnosti a kvality svazku. Tyto vlastnosti zvláště vyniknou v porovnání s ostatními typy laserů, zejména s CO2 (účinnost 6 % až 10 %) nebo s Nd:YAG (účinnost 2 % až 3 %) lasery. Vláknové lasery jsou navíc bezúdržbové a během svého provozu nevyžadují žádný spotřební materiál. Velmi důležitým aspektem je také vlnová délka 1 070 nm, která např. ve srovnání s CO2 lasery (vlnová délka 10 600 nm) umožňuje řezat širokou škálu materiálů – oceli, hliník a slitiny hliníku, měď a slitiny mědi, zlato nebo stříbro. Je tedy zřejmé, že problémem pro zpracování nejsou ani materiály s velmi dobrou tepelnou vodivostí nebo materiály s vysokou odrazivostí povrchu. Komplexní porovnání s CO2 lasery navíc ukazují, že vláknové lasery dokážou pracovat s výrazně nižším výkonem pro stejnou aplikaci i rychlost procesu. Technologické důvody jsou zřejmé z konstrukce vláknového laseru – nejenže laserový svazek vzniká uvnitř vlákna, ale navíc je také optickým vláknem veden až přímo do procesní hlavy. Odpadá tudíž nutnost vést svazek složitě zrcadly, což má za následek nižší cenu, nižší nároky na údržbu a snížení hmotnosti pohyblivých komponentů. Navíc je takto možné zajistit vždy konstantní vzdálenost laserové procesní hlavy k řezanému materiálu, díky čemuž je proces stabilní v celém průběhu řezu. Pro aplikace Remote Cutting, tzv. vzdáleného řezání, jsou pak nejvhodnější Single-Mode vláknové lasery, zejména z důvodu své velmi dobré kvality svazku.

Obr.1. Řezání vláknovým laserem

Svařování laserem

Také při dalších technologiích se vláknové lasery díky svým výhodám stále více prosazují. Názorným příkladem je laserové svařování, u kterého je podle konkrétní aplikace vždy možné použít nejvhodnější laserový zdroj z hlediska jeho parametrů, např. výkonu – od několika jednotek wattů při použití pro medicínskou techniku až po 100 kW pro aplikace do těžkého strojírenství.

Aktuálním příkladem velmi komplexní aplikace je svařování měděných a hliníkových slitin, pro které je vláknový laser díky své flexibilitě a vynikající kvalitě svazku ideálním nástrojem.

Obr.2. Měď – laserový svar


Měď je obecně kvůli svým fyzikálním vlastnostem laserem obtížně svařitelná. Na jedné straně může docházet k rozstřiku tavné lázně, což vede ke špatné kvalitě svarového spoje, na druhé straně narážíme často z důvodu již zmíněné tepelné vodivosti a reflexivity povrchu na omezení možnosti kolísání výkonu laseru a potřebujeme tudíž velmi přesné řízení procesu. Díky dnešnímu stavu technologie vláknových laserů však již svařování mědi pomocí infračerveného laserového svazku nepředstavuje žádný problém (obr. 2). Je možné dosáhnout různých geometrií svaru a díky oscilaci paprsku jsou výsledné svary bez jakýchkoli vad – s konstantním profilem povrchu a bez pórů. Díky velmi dobré kvalitě laserového svazku (M² < 1,1) lze použít také nižších výkonů a tím minimalizovat tepelné ovlivnění svarového spoje, a navíc optimalizovat energetickou účinnost celého svařovacího procesu.

Obr. 3. Laserový hybridní svar – tloušťka materiálu 8 mm


Dalším příkladem je svařování hliníku – také zde je za normálních okolností velkým problémem pórovitost svarového spoje. Díky již zmíněné oscilaci paprsku, která umožňuje snížení tepla přivedeného do svarového spoje, mohou být vnitřní vady svaru až téměř ze 100 % eliminovány. Také při svařování velmi tlustých plechů mají vláknové lasery své výhody – už od roku 2006 je ve stavbě lodí pro 12mm plechy používán 12kW vláknový laser. V tomto konkrétním případě je dokonce stejný laserový zdroj využit nejprve pro řezání a následně pro svařování. Velkou výhodou je perfektní kvalita řezné hrany, která tak vytvoří ideální podmínky dokonce pro vznik laserového hybridního svaru (obr. 3).

IPG Laser

Roman Švábek

rsvabek@ipgphotonics.com

www.ipgphotonics.com

Reklama
Související články
Automatizované laserové svařování hliníku

Několik zemí už oznámilo plány na postupné ukončení výroby automobilů se spalovacími motory ve prospěch elektromobilů. Stejně jako u každé nové technologie jsou však i zde několikerá úskalí. Jedním z nich jsou vysoké náklady na výrobu baterií. Akumulátor je jednou z nejdražších součástí pohonného ústrojí elektromobilu. Ke snížení celkových nákladů je zapotřebí co nejúčinnější výrobní technologie.

Použití multifokálních stop pro zpracování materiálů

Použití laserových technologií při zpracování materiálu je pro průmyslové výrobce jedním z ukazatelů technologické vyspělosti a zvyšování produktivity výroby. Díky tomuto trendu se v poslední době velmi rozšířilo použití multifokálních laserových stop, které umožňují posunout už tak velmi efektivní laserové technologie na novou úroveň.

Efektivní laserové svařování konektorů

Neustálý nárůst elektrifikace v automobilovém průmyslu výrazně zvyšuje spotřebu kvalitních konektorů mnoha různých typů. To klade vysoké nároky na spolehlivou a pružnou výrobu s minimální dobou seřizování a nastavování výrobních strojů. Požadavkům na snadnou integraci, kompaktnost a vysokou produktivitu odpovídá technologie vláknových laserů.

Související články
Laserové svařování pro Průmysl 4.0

Vláknové lasery jsou významným nástrojem pro svařovací aplikace, které slouží mnoha zavedeným odvětvím i novým rychle rostoucím oborům. Pro progresivní výrobce, kteří již výhod laserového svařování využívají, zůstává otázkou, jak dále zlepšit efektivitu procesu a být krok napřed oproti konkurenci. Optimalizace jakéhokoli průmyslového procesu pro inteligentní výrobu vyžaduje vysoce kvalitní on-line sběr dat. Stále roste potřeba technologií, které pomohou lépe monitorovat proces laserového svařování.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Osvěta v laserech je stále potřeba

Když jsem oslovila Romana Švábka, jednatele dceřiné společnosti IPG Photonics (Czech Republic), s žádostí o rozhovor k našemu tématu lasery a jejich využití v průmyslu, projevil radost, že se laserům v MM Průmyslovém spektru tak obsáhle věnujeme, neboť podle jeho slov je osvěta v oblasti laserových technologií v ČR stále potřeba. I když hned dodal, že za posledních patnáct let došlo k opravdu významnému rozšíření této průlomové technologie a český a slovenský trh je pro IPG Photonics jedním z nejdůležitějších. Jaký vývoj v této technologii lze v budoucnu očekávat a jaké plány má česká pobočka IPG Photonics (Czech Republic), se dočtete na následujících řádkách.

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.

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.

Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Zrna karbidu wolframu v návarech

Odolnost klasických konstrukčních ocelí proti různým typům opotřebení je všeobecně nízká. Proto se neustále vyvíjejí různé typy a kombinace odolných materiálů, které mají za úkol snížit náklady na výměnu, popř. opravy součástí. Příspěvek se zabývá možnostmi přidání zrn karbidů wolframu do návaru, jež chrání povrch součástí před opotřebením. Následně je hodnocena odolnost povrchové vrstvy návaru, jež obsahuje karbidy wolframu v porovnání s vrstvou bez těchto částic. Tento příspěvek vznikl ve spolupráci se společností Wirpo.

Nová legislativa a svařování ocelí pro tlaková zařízení

V souvislosti s novými předpisy, které vznikly v EU v rámci nového legislativního rámce (NLF), dochází postupně ke změnám v českém právním řádu. Novými evropskými směrnicemi pro oblast tlakových zařízení jsou směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/29/EU ze dne 26. února 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání jednoduchých tlakových nádob na trh (platnost od 20. 4. 2016) a směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/68/EU ze dne 15. května 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání tlakových zařízení na trh (platnost od 19. 7. 2016).

Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Elektronové svařování - perspektivní metoda pro speciální materiály

Využití elektronového svazku v průmyslové výrobě zasahuje do mnohých oblastí strojírenské výroby, např. spojování kovových i nekovových materiálů, navařování, povrchového zpracování a legování povrchu materiálů, PVD povlakování, gravírování i dělení materiálů a dnes i do moderního „3D tisku“ kovových materiálů. Nicméně svařování homogenních a heterogenních spojů je nejčastějším použitím této technologie (ve strojírenství), a proto je v současné době intenzívně zkoumáno i v Laboratoři výuky svářečských technologií na Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze. Na tomto pracovišti je k dispozici elektronové svařovací zařízení PTR ESW 1000/12-L, dlouhodobě zapůjčené od ÚJV Řež. Tímto příspěvkem bychom rádi tuto technologii chtěli představit širší veřejnosti.

Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

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