Svařování laserem
V devadesátých letech minulého století a první polovině tohoto desetiletí prodělala technologie laserového svařování poměrně dynamický vývoj s ohledem na nové aplikace. Z části díky vývoji výkonnějších a nových typů laserů, z části též díky širšímu používání nových moderních materiálů, které jsou jinými metodami těžce svařitelné. V nemalé míře se o tento rozvoj přičinily též rostoucí požadavky na zvyšování produktivity výroby a opakovatelnosti technologického procesu.
Hlavní předností laserového svařování oproti klasickým metodám je kvalita sváru, vyšší hloubka průvaru, podstatně nižší tepelně ovlivněná zóna, vysoká produktivita, snadnější možnost automatizace, v neposlední řadě pak povrchový vzhled. Díky všem těmto výhodám se laserové svařování stalo běžné i konstruktérům, kteří je předepisují na výkresech sestav a kromě svařování kovů se stále více začíná uplatňovat i svařování plastů a specielních materiálů.
Obr. 1 Porovnání svařování vedením tepla a hlubokého sváru (keyhole)
1. Plasma, 2. Roztavený materiál, 3. Lokální díra (keyhole), 4. Hloubka průvaru
Na obr. 1 jsou naznačeny dva základní principy laserového svařování. Při svařování vedením tepla, se materiál taví absorpcí a vedením tepla vyvolaného laserovým svazkem. Tento postup umožňuje svařování jen do malých hloubek. Zvyšováním plošné hustoty výkonu dosáhneme kritické hodnoty (empiricky: 1-5 x106 W/cm2), při které se materiál začíná odpařovat, generuje se plasma a začíná docházet k hlubokému provařování. Laserový paprsek vytvoří „kapiláru", která má průměr 1,5 až 2 násobek průměru ohniska. Uzavření této kapiláry je zabráněno tlakem plynů. Energie ze stěn kapiláry potom vniká do taveniny a okolního tuhého materiálu. Svařováním do hloubky je umožněno zvýšení efektivity svařování. Vlastní proces a jeho stabilita je závislá na svařovaném materiálu, polarizaci, vlnové délce laseru, rychlosti posuvu a mnoha dalších faktorech.
V posledních cca pěti letech se výrazně mění rozložení jednotlivých typů laserů. Sice se pro svařování stále používají CO2 lasery a Nd:YAG lasery (pulsní i kontinuální). Popř. tzv. diskové lasery, což je v podstatě jakási modifikace Nd:YAG laserů. Poměrně významné místo při svařování mají i diodové lasery, a to převážně při svařování plastů. Výkonnější diodové lasery (v řádu několika kilowatů) se používají hlavně pro povrchové kalení a navařování). Před cca 10-ti lety se v 75% svařovacích průmyslových aplikací používali Nd:YAG lasery.
S dynamickým vývojem vláknových laserů v posledních několika letech se však tato situace mění. V mnoha aplikacích se stále více využívají VLÁKNOVÉ LASERY. Jejich velkou výhodou je podstatně vyšší účinnost, tzn. podstatně menší spotřeba elektrické energie, nižší nároky na chladicí okruh, výrazně menší půdorysné rozměry. Všechny tyto skutečnosti samozřejmě vedou k dramatickému snížení provozních nákladů.
Obr. 2 Princip vláknového laseru
Na obr. 2 je typické schema výkonového vláknového laseru. Výkon z budících laserových diod je přímo navázán do aktivního vlákna rezonátoru.
Jedná se o typ laseru, ve kterém generováno záření s vlnovou délkou okolo 1,06 mm. T.j. totožné s vlnovou délkou Nd:YAG laserů. Ke stimulované emisi ale dochází uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Tím pádem je takovýto rezonátor podstatně teplotně stabilnější a rozměrově menší. Podobné generátory mají celou řadu předností ve srovnání s klasickými systémy: výbornou kvalitu svazku, kompaktnost, nízký příkon a přirozeně nepotřebují žádnou dodatečnou optiku pro navázání výstupu do vlákna. Už dnes jsou běžně k dispozici ověřené a plně funkční systémy s výkony až 50kW. Přitom jeho velikost je srovnatelná s automatem na chlazené nápoje.
Obr.3 Vláknový laser o výkonu 20 kW
Na obr. 3 je příklad výkonového laseru pro svařování s výkonem 20kW, YLR 20000 od firmy IPG Photonics, kterou v ČR zastupuje firma LAO průmyslové systémy, s. r. o. Základní parametry toho laseru jsou: Výstupní výkon 20 kW, průměr vlákna 200µm, půdorys 1480 x 806 mm, příkon 70kW, účinnost 30% a hmotnost 1.200kg.
Jak je z fotografie zřejmé, tak výstupní paprsek je přiveden do optického vlákna, popř. lze použít „rozbočovacích" jednotek a pak je možné použít více vláken na různá pracoviště a přepínat mezi nimi nebo rozdělit výkon laseru na více pracovišť současně. Popř. jejich kombinace.
Obr. 4 Hluboký průvar
Na dalším obrázku (obr. 4) jsou pak uvedeny řezy dvou svarů dosažených tímto laserem. Jedná se o svařování nerezové oceli 1.4301. Jak je vidět, tak svářením ze dvou stran lze dosáhnout až 50 mm hloubky průvaru.
Na výše uvedených obrázcích byly uvedeny aplikace spíše z té horní úrovně dosahovaných výkonů. Vláknové lasery se však s úspěchem používají v celé škále tloušťek a použitých materiálů. Používají se též ve stále širším nasazení i v mikrosvařování a svařování „běžných" tloušťek. To je též dané poměrně širokou výkonovou řadou, od jednotek wattů až po desítky kilowatů. Na obrázku 5 jsou pak uvedeny řezy mikrobarů pro různé materiály.
Obr. 5. Svařování hliníku, nerez oceli, mědi. Výkon laseru 200 W, rychlost 15 m/min
Je nesporné, že laserové svařování se ve vyspělých průmyslových zemích trvale zabydlelo a je potěšující, že i v Čechách nachází svou vlastní cestu nejen k technologům, ale i k samotným konstruktérům. Není dnes ničím novým, když je na výkrese výrobku přímo předepsán svar laserovou technologií. V mnoha případech je potřeba již při vlastní konstrukci výrobku navrhovat příslušný svar s ohledem na použití laseru. Kromě toho má na kvalitu svaru vliv mnoho dalších aspektů. Základní jsou sice výkon laseru a rychlost svařování. Ale nemalou roli hraje i použitá optika ve svařovací hlavě (ohnisková vzdálenost), množství a druh asistenčního (inertního) plynu, kvalita laserového paprsku,...atd. Přesto vše je laser velmi účinný a nezastupitelný nástroj v mnoha průmyslových aplikacích.
Text: Ing. Pavel Kořán
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax