Témata
Reklama

Zpracování materiálů laserem, 1. díl - svařování

Společnost Matex PM, s. r. o., vybudovala robotizované pracoviště laserového zpracování materiálů, na kterém poskytuje služby zákazníkům v oblasti povrchového kalení, nanášení speciálních vrstev a svařování. Vlastnosti výrobků zpracovaných laserovým paprskem bývají odlišné ve srovnání s konvenčními technologiemi. V třídílném seriálu se seznámíme s možnostmi a specifiky jednotlivých laserových technologií.

Svařování ovlivňuje materiál v okolí spoje a většinou degraduje jeho původní vlastnosti. U vysokopevných jemnozrnných nebo vícefázových ocelí lze očekávat problémy ještě výraznější. Dosavadní výsledky ukazují, že řada obtíží vznikajících při konvenčním svařování nejběžnějšími obloukovými metodami může být potlačena užitím vysoce intenzivního laserového paprsku. Hlavními výhodami laserového svařování je menší vnesené teplo a odlišná geometrie spoje. Méně tepla ve svaru - díky vysoké energii a rychlosti svazku - znamená menší ovlivnění okolí svaru, jemnější strukturu, menší deformace a zbytková pnutí. Odlišná geometrie spoje, zejména poměr mezi šířkou a hloubkou svaru, přináší další profit v podobě menších deformací.

Reklama
Reklama
Tupé svary vysokopevných ocelových plechů. Jejich tvar závisí na průměru a kvalitě svazku, rychlosti jeho pohybu, poloze ohniska a použitém aktivním plynu. Šířka přilehlé tepelně ovlivněné oblasti je minimální.

Geometrie laserových svarů

Vysoká rychlost svařování se projevuje řadou pozitivních důsledků. Kromě menšího vneseného tepla s rostoucí rychlostí klesá šířka spoje, hrubnutí struktury je minimalizováno stejně jako zbytková pnutí a deformace svařence. Při rychlostech nad 2 m.min-1 klesá náchylnost k tvorbě trhlin za horka. Také vrubová houževnatost je ve srovnání s obloukovými metodami vysoká. Svary korozně odolných materiálů vykazují vyšší odolnost koroznímu prostředí atd.

Při konstantním výkonu laseru je pochopitelný nárůst energie při použití menšího průměru vlákna. Podle zkušeností ale průměry vlákna pod 0,4 mm znamenají citlivost na vznik vad díky vysoké intenzitě svařování a dynamickým účinkům plazmy. Naopak větší průměry svazku (nad 1 mm) vyžadují přidání výkonu laseru pro dosažení hlubších průvarů, což zvyšuje cenu zařízení.

Kvalita svazku je dána jeho rozbíhavostí po opuštění světlovodného vlákna. Vysoká kvalita zajišťuje rovnoběžnost paprsku na delší vzdálenost s homogenním rozložením intenzity a tím dosažení svaru s rovnoměrným průvarem. S klesající kvalitou svazku dochází k jeho rozptylu a svar je citlivý na správné nastavení ohniska, jinak klesá i hloubka maximálního provaření.

Rychlost svařování výrazně ovlivňuje šířku i hloubku svaru. Zvyšování rychlosti pochopitelně snižuje hloubku provaření díky snížení přivedené energie. To samé platí pro šířku svaru. Při pomalém svařování dochází v okolí paroplynového kanálu k ohřevu a tavení okolního materiálu a zvětšování šířky svaru i tepelně ovlivněné oblasti. Pozitivem je, že teplo je odváděno pomaleji a klesá tvrdost svarů. Proto tvrdost souvisí i s tloušťkou stěny - silnější materiály odvedou teplo rychleji a svary jsou ve srovnání např. s tenkým plechem tvrdší.

Na geometrii svaru má vliv také použitý ochranný plyn. Kromě vlastního účinku na ochranu tavné lázně plní ještě další podstatnou funkci, a to tím, že tlumí nebo naopak posiluje plazmu vzniklou nad svarem. Plazma jako ionizovaný plyn rozptyluje energii laserového paprsku. Při vzniku velkého plazmového oblaku dochází k poklesu provařené hloubky (za konstantního výkonu laseru). Naopak plyny s vysokým ionizačním potenciálem (Ar, He) plazmu utlumí a hloubka provaření je větší.

Deformace a pnutí

Deformace a pnutí jsou dány vneseným teplem a teplotní roztažností svařovaného materiálu. To platí pro všechny tavné metody svařování. Je třeba si uvědomit ale další rozdíly, které laser vzhledem ke geometrii svaru přináší.

Především poměr šířky a hloubky naznačuje možnost výrazného snížení deformací. Vztahy pro příčné a úhlové deformace obsahují štíhlostní faktor a*b. Ten je zhruba 1 pro obloukové metody, pro laserový a elektronový paprsek může být až 1/50. Další snížení deformací lze očekávat díky zmenšení rozevření svaru. Čím větší je rozevření úkosu svaru, tím větší je deformace. U laseru je ale obvyklý π svar s nulovým rozevřením, což zajišťuje rovnoměrné rozložení pnutí po svařované hloubce, a tím minimální deformace. Důsledkem je pak i omezení maximální koncentrace napětí na povrchu a v patě svaru v přechodu do tepelně ovlivněné oblasti, navíc je tato oblast velmi úzká. Proto poměrně často nedochází k lomu ve svaru a jeho těsném okolí jako u obloukových metod, ale v základním materiálu při zachování původních mechanických vlastností!

Kde se laserové svary používají

Hlavní nevýhodou laserového svařování v současnosti je malá zkušenost konstruktérů a technologů s touto technologií a nároky na přesnost sesazení svařovaných dílů. Provádí se svary velkosériové, důkladně ověřené testy, jako je tomu v automobilovém průmyslu. Provádí se malosériové laserové svary u staticky namáhaných konstrukcí a dílů, jako jsou například speciální profily pro architekturu, plechy podlah a střech u kolejových vozidel atd.

Doc. Ing. Stanislav Němeček, Ph.D.

nemecek@matexpm.com

Matex PM

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 110430
Datum: 13. 04. 2011
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Související články
Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Průmyslové lasery (5) - Laserové řezání

Řezání je nerozšířenější laserovou technologií. Průmyslové využití laserů se datuje do roku 1965, kdy firma Western Electric Company postavila funkční laserový systém pro vrtání diamantových raznic. V roce 1967 byl pak ve Velké Británii uveden do provozu laserový systém na řezání ocelových plechů s použitím kyslíku jako asistenčního plynu. Záhy poté následovaly systémy pro řezání nekovových materiálů.

Průmyslové lasery (2) - svařovací lasery

První laboratorní pokusy svařování pomocí laseru se objevily záhy poté, co byly postaveny první prototypy laseru na počátku šedesátých let. Výrazněji se však aplikace laserového svařování začaly uplatňovat po vynálezu Nd:YAG laseru v roce 1964 a s postupným zvyšováním dosahovaných výkonů CO2 laserů, zpočátku v laboratořích a ke konci šedesátých let i v průmyslovém nasazení.

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.

Největší předváděcí centrum laserů a CNC strojů

Časům nakupování průmyslových strojů naslepo, bez osobního vyzkoušení a podrobné znalosti strojů, provozních nákladů a potřeb, již „odzvonilo“.

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