1 Nekonvenční metody svařování - laser Nové – nekonvenční technologie zaujímají širokou a velice rozmanitou oblast. Charakterizují je využití různých fyzikálních jevů, které mohou být zdrojem tepla nebo jsou založeny na působení difúzních procesů. Uplatňují se především u nestandardních materiálů, špatně či vůbec tavně nesvařitelných materiálů, u různých vzájemných kombinací materiálů, či detailů s mimořádnými nároky na přesnost.
2 Svařování laserem (51) Pro svařování, řezání, kalení a další rozmanité aplikace se využívá laserového paprsku (energie monochromatického koherentního světelného paprsku). Při svařování laserem je paprsek soustředěn do úzkého svazku a opticky zaostřen do ohniska miniaturních rozměrů. V ohnisku je velmi vysoká koncentrace výkonu (až 1012 W/cm2). Rychlost ohřevu materiálu v místě dopadu fotonů je mnohonásobně vyšší než odvod tepla do okolí. Dochází tak k lokálnímu ohřevu dané oblasti do teploty varu a při vhodném zkombinování svařovacích parametrů (výkon, svařovací rychlost) dochází k efektu tzv. „klíčové dírky“. Do oblasti svaru se přivádí ochranná atmosféra, která zabraňuje oxidaci a pórovitosti místa svaru. Volba ochranného plynu (např. Ar, He) může mít vliv na geometrii svaru. Přehřátý materiál se okamžitě odpaří a vzniká tak dutina, jejíž stěny jsou tvořeny tenkou vrstvou taveniny. Ta při pohybu laserového paprsku uzavírá svarovou lázeň gradientem povrchového napětí. Za dutinou tavenina rychle krystalizuje a vzniká svar. Princip laserového svařování je zobrazen na obr. 2.1.
Obr. 2.1 Princip laserového svařování na „klíčovou dírku“ [8] Díky tomuto procesu může laserový paprsek vytvářet svary s dobrým poměrem mezi šířkou a hloubkou průvaru. Porovnání hloubky průvaru s ostatními metodami je zobrazen v tab. 2.1.
Tab. 2.1 Srovnání parametrů s ostatními metodami [1] Metoda Laser Plamen El. oblouk Plasma El. paprsek
Hustota energie [W/cm2]
Hloubka průvaru [mm]
Šířka/hloubka svaru
107 – 109 103 104 106 108
25 3 4 až 12 200
0,1 – 0,5 3 2 1 0,03
Svařovací rychlost [m/min] až 10 m/min 0,01 0,5 – 3 0,5 – 5 0,5 – 5
Na obr. 2.2 je zobrazen princip laserového svařování vedením tepla. Při svařování vedením tepla se materiál pomocí tepla vyvolaného laserovým svazkem taví absorpcí. Tento postup umožňuje svařování pouze do malých hloubek.
Obr. 2.2 Princip laserového svařování vedením tepla [9]
3 Fyzikální princip laseru Fyzikálně je laser definován jako kvantový zesilovač světla, který využívá stimulovanou emisi záření, zesilovanou v rezonátoru. Záření je pak zaostřeno optikou do místa užití. 2
Bohrova podmínka záření atomu: h ⋅ f 12 = E 2 − E 1 .
kde:
(3.1)
h je Planckova konstanta 6,63 ⋅ 10 −34 J ⋅ s , f12 je frekvence kmitání odpovídající přechodu E1 až E2.
Na počátku 20. století M. Plac, N. Bohrn a A. Einstein formulovali základní zákony kvantové elektroniky. V roce 1917 A. Einstein ukázal na Bohrově podmínce záření atomu dané vztahem (3.1), že tato rovnice popisuje tři základní procesy (viz obr. 3.1): ∑ ∑ ∑
absorpce, spontánní emise, stimulovaná emise.
Obr. 3.1 Schéma přechodu mezi dvěma energetickými hladinami [4] Atom v energetickém stavu E1 absorbuje foton energie h ⋅ f 12 a přejde do stavu o vyšší energii E2. Stav je nestabilní, atom má tendenci přejít do stavu o nižší energii (E1). Následuje spontánní emise. Excitovaný atom samovolně vytváří foton a vrací se do stavu s nižší energii. K stimulované emisi dochází, když foton s energií h ⋅ f 12 = E 2 − E 1 se dostává do interakce s elektronem ve stavu E2, který je zde „držen“ (nedochází ke spontánní emisi) a způsobí tak „uvolnění“ tohoto elektronu. Ten přechází zpět na hladinu E2 a současně se vyzáří další foton stejné energie h ⋅ f 12 . Oba fotony se šíří společně a opouští atom, který se vrátil do energetického stavu E1. Excitovaný atom vysílá vlnu, která je koherentní se stimulující vlnou. Vyslaná vlna má stejnou frekvenci, fázi, polarizaci i směr šíření. Složení těchto dvou vln zesílí stimulující vlny (zvětší se amplituda). Stimulovaná emise zesiluje intenzitu svazku záření jedné vlnové délky.
3
Aby mohl laser fungovat musí obsahovat tyto tři základní prvky: ∑ ∑ ∑
zdroj dodávající energii, aktivní prostředí, optický rezonátor (potlačuje záření nevhodných frekvencí). Základní princip laseru je zobrazen na obr. 3.2
Obr. 3.2 Princip laseru: 1 – čerpací zařízení, 2 – aktivní prostředí, 3 – zrcadlo rezonátoru, 4 – transparentní zrcadlo rezonátoru, 5 – koherentní svazek – laserové záření [1] Záření laserů je vysoce koherentní, úzce monochromatické s neobyčejně stabilním kmitočtem. Jeho energie je soustředěna do malého objemu. U většiny typů laseru je vystupující svazek minimálně rozbíhavý, což je dáno funkcí rezonátoru. Vlny, které se pohybují téměř rovnoběžně s optickou osou jsou zesilovány a tvoří výstupní laserový svazek. Vlny, které se šíří v jiných směrech lámány nebo odráženy mimo aktivní prostředí zrcadly rezonátoru.
4 Konstrukce laserů Na konstrukci laserů je možno použít látky všech skupenství (plyny, kapaliny, tuhé látky). Lasery mohou pracovat v pulzním i kontinuálním režimu. Jako čerpacích zdrojů se používá výboj plynu, optické čerpání, vysokofrekvenční pole, chemické reakce, dokonce i Sluneční záření. Z konstrukčního hlediska se lasery dělí do základních tří skupin: ∑ ∑ ∑
pevnolátkove (Nd-YAG) plynové (CO2 a excimerové lasery) polovodičové (diodové)
Co se týče jednotlivých aplikací, má každý z těchto druhů laserů své přednosti a omezení.
4
4.1
Pevnolátkové lasery
Princip lze vysvětlit na rubínovém krystalu (viz obr. 4.1) dopovaného trojmocnými ionty chrómu, které jsou zabudovány v mřížce oxidu hlinitého. Rubín je ozařovaný bílým světlem výbojky a absorbuje zelenou a modrou složku světla.“Iont chrómu pohltí kvantum energie odpovídající přechodu z energetické hladiny E1 na hladinu E3.“[4] Na této hladině excitované ionty setrvají pouze velmi krátkou dobu a v čase τ 32 = 10 −8 s padají bez emise světelného záření na energetickou hladinu E2.
Na hladině E2 ionty setrvávají delší čas τ 21 = 10 −3 s a tím se zvyšuje obsazenost této hladiny. Proces přečerpávání iontů se stále opakuje a dochází k inverzi obsazení hladin, kde počet iontů na hladině E2 převýší počet iontů na základní hladině. Stimulovaná emise může nastat za podmínky (stav inverze), že n2 > n1. Kde:
n1 je počet atomů na základní energetické hladině E1, n2 je počet atomů na hladině E2.
Obr. 4.1 Princip pevnolátkového laseru[4]
Při průchodu fotonů s frekvencí f21 tímto prostředím, stimulují přechod excitovaných iontů chrómu z energetické hladiny E2 na hladinu E1 za současného vyzáření fotonů stejné energie, vlnové délky, směru, polarizace a fáze jako stimulující zařízení. Celý proces má charakter řetězové reakce a je dále zesilován průchody rezonátorem (aktivním prostředím laseru), které je uzavřeno dvěma zrcadly. Zrcadlo se 100 % odrazivostí vrací všechny fotony do aktivního prostředí. Polopropustné zrcadlo s 80 % až 90 % odrazivostí propustí část záření ve formě krátkého vysokoenergetického pulsu. Opakovací frekvence pevnolátkových laserů se pohybuje mezi 1 až 500 Hz a celková energie pulsu 0,1 až 200 J.
5
Tab. 4.1 Druhy pevnolátkových laserů používaných ve svařovaní [2,4] Název
Aktivní prostředí Iont Materiál
Vlnová délka λ [μm]
Pracovní režim
Rubín
Cr3+
Al2O3
0,694
pulzní
Nd:YAG
Nd3+
Y3Al5O12
1,065
pulzní
Nedýmové sklo
Nd3+
Sklo
1,064
pulzní
Poznámka
Velmi velký příkon [kW] Velmi velký příkon [GW] Velmi velký příkon [GW]
Základní schéma pevnolátkového laseru je zobrazeno na obr. 4.2. Aktivní prostředí tvoří výbrus daného druhu materiálu (viz tab. 4.1). Čerpání je zajištěno kryptonovými výbojkami uzavřenými v reflexní dutině. Z laseru vychází záření vedené přes zrcadla do technologické hlavy, ve které je provedena fokusace na povrch svařovaného materiálu. Výhodou pevnolátkových laserů je možnost vedení částečně fokusovaného svazku pomocí světlovodných kabelů.
Obr. 4.2 Schéma pevnolátkového laseru [3] 4.1.1
Nd:YAG laser
U běžných Nd:YAG laserů je čerpání zajištěno kryptonovými výbojkami s bílým světlem, ze kterého je absorbováno jen modré a zelené spektrum. Protože vlnový rozsah výbojek se pohybuje od 0,450 do 0,850 μm a absorpční rozsah Nd:YAG laseru je 0,790 až 0,830 μm, je účinnost laseru velmi nízká (do 5%). Tato generace laserů není tak investičně náročná, ale má dražší provoz (nutná častější výměna výbojek). U nových typů laserů Nd:YAG je účinnost čerpání zvýšena laserovými diodami, které září ve velmi úzkém spektru absorpční čáry iontů Nd3+. Toto řešení umožňuje zvýšení 6
účinnosti na 30 % při výkonu 5 kW. Nevýhodu jsou vyšší prvotní investice. Velkou výhodou u těchto laserů je možnost využití optického vlákna pro vedení paprsku. Rozsah výkonu Nd:YAG laserů je od 50 W do 10 kW. S malým výkonem jsou používány pro vytváření svarů malých rozměrů a pro spojování dílů s extrémní přesností (mikrosvařování). S vysokým výkonem se používají pro svařování vysokými rychlostmi, hlubokých závarů, malých deformací atd. 4.2
Plynový CO2 laser
Aktivní prostředí CO2 laserů je tvořeno směsí plynů He + N2 + CO2 uzavřených ve skleněné trubici. Poměr plynů je nejčastěji 82:13,5:4,5. Proces zesílení začíná excitací molekuly dusíku na vibrační hladinu E4. Při srážkách molekul dusíku s molekulami oxidu uhličitého dochází k rezonančnímu přenosu energie a CO2 se excituje na hladinu E3. Při přechodu molekuly CO2 z hladiny E3 na hladinu E2 se vyzáří foton. Aby nedošlo ke snížení inverze je nutné, aby se zajistil návrat molekul CO2 na základní hladinu E0. Obvykle se používá helium, které odnímá CO2 excitační energii a díky vysoké tepelné vodivosti ochlazuje aktivní prostředí laseru. Princip plynového laseru je zobrazen na obr. 4.3.
Obr. 4.3 Princip plynového laseru [4]
Výkon plynového laseru CO2 se běžně pohybuje od 50 W do 20 kW. V tab. 4.2 jsou zobrazeny základní parametry plynového laseru CO2. Jsou ekonomicky přijatelné, jejich životnost je závislá na klíčových optických elementech. Problémem je doprava paprsku do místa svaru. Svazek nelze vzhledem k vlnové délce transportovat optickým vláknem, a proto se využívá odrazových zrcadel. Účinnost plynových CO2 laserů je vyšší než u pevnolátkových laserů a dosahuje až 20 %. Tab. 4.2 Základní parametry plynového CO2 laseru [2] Název CO2 laser
Aktivní prostření
Vlnová délka λ [μm]
Pracovní režim
Poznámka
He + N2 + CO2
10,6
Kontinuální i pulzní
Velmi velký příkon [kW]
7
Dle směru proudění plynu v aktivní zóně se lasery rozdělují na tři základní konstrukční typy: ∑ ∑ ∑
s rychlým podélným prouděním aktivního prostředí, s příčným prouděním aktivního prostředí (TEA), SLAB lasery s deskovým aktivním prostředím. 4.3
Polovodičové lasery
Polovodičové lasery pracují za podmínky dosažení inverze hladin na přechodu P – N, kde při dostatečně vysoké intenzitě elektromagnetického pole dochází ke stimulované emisi mezi dvěma plochami omezujícími polovodič (čela rezonátoru). Rozsah výkonu polovodičových laserů je od 50 W do 6 kW. Vykazují vyšší účinnost, vhodnou vlnovou délku, ale velmi špatnou kvalitu svazku, která neumožňuje dosahovat vysokých hustot energie. Těmito lasery se zpracovávají materiály s nízkou teplotou tavení (plasty) a tam, kde není nutný hluboký průvar, ale široká stopa dopadu (navařování). Kompaktní řešení vlastního laseru umožňuje montáž přímo na robotické rameno, nebo možnost použití optického vlákna. Problémem je paprsek s hranatým profilem a malá životnost vlastního laseru. 4.3.1
Vláknové lasery
Výhodou vláknových laserů je podstatně vyšší účinnost, menší rozměry a modularita. To vše vede k dramatickému snížení nákladů. Na obr. 4.4 je zobrazeno typické schéma výkonového vláknového laseru. „Výkon budících laserových diod je přímo navázán do aktivního vlákna rezonátoru.“[9]
Obr. 4.4 Schéma vláknového laseru [9]
Vlnová délka se pohybuje okolo 1,06 μm. Ke generaci laserového záření dochází uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami (yterbiem). Rezonátor je teplotně stabilnější a rozměrově menší. Přednosti těchto generátorů jsou výborná kvalita svazku, kompaktnost, vibrační odolnost, stabilita, nízký příkon, nepotřebují žádnou dodatečnou optiku
8
pro navázání výstupu do vlákna. Už dnes jsou k dispozici plně funkční systémy s výkony až 50 kW s velikostí stroje srovnatelnou s automatem na chlazené nápoje.
5 Vznik svarového spoje laserem Konstrukce laserů umožňují svařovat kontinuálně nebo pulzně a změnou hustoty výkonu k dopadové ploše lze přecházet od svařování, k tepelnému dělení atd. Při pulzním provozu se provádí bodové nebo švové svary, a tam kde se vyžaduje dodržení rozměrů svarové lázně s minimálním ovlivněním základního materiálu. Průběžné svary lze provádět při pulzním provozu bod po bodu, nebo při kontinuálním provozu. 5.1
Interakce laserového svazku s materiálem
Záření, které dopadá na povrch materiálu může být pohlceno, odraženo, nebo projde materiálem (průzračný materiál). Pro svařování má význam ta část záření, která je pohlcena.
Pohltivost materiálu závisí na: ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
barvě, drsnosti povrchu, geometrické konfiguraci, vodivosti materiálu, vlnové délce dopadajícího záření.
Při interakci zření s materiálem nedochází k přeměně kinetické energie na tepelnou. Foton, jako kvantum energie, zvyšuje frekvenci vibrační mřížky. Tím se zvyšuje teplota materiálu. Fokusovaný svazek fotonů má tyto hlavní vlastnosti: ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
vysoká hustota výkonu k dopadové ploše (až 1012 W/cm2), pro svařování se používá rozsah 104 až 109 W/cm2, soustředění výkonu na velmi malou plochu (až 10 μm2), přenos energie bez mechanického kontaktu, svazek fotonů nemá elektrický náboj a není ovlivňován magnetickým polem, což umožňuje svařování ve velmi úzkých mezerách a spárách, velmi přesné dávkování a reprodukování výkonu, záření o jedné vlnové délce – monochromatičnost, periodický děj probíhající bez fázových posuvů – vysoká koherence.
9
Energie svazku záření dopadající na povrch je částečně pohlcena a využita pro ohřev materiálu, část záření se odrazí a velmi malá část projde materiálem. V tabulce 5.1 jsou uvedeny součinitele odrazivosti vybraných kovů. Tab. 5.1 Součinitelé odrazivosti vybraných materiálů [1] Materiál Hliník Chróm Měď Nikl Stříbro Ocel
0,694 0,87 0,56 0,82 0,68 0,95 0,58
Vlnová délka λ [μm] 1,06 0,93 0,58 0,91 0,75 0,97 1,63
10,6 0,97 0,93 0,98 0,95 0,99 0,93
Z tabulky 5.1 je patrné, že záření s kratší vlnovou délkou je kovy více pohlcováno než v oblasti infračervené. U nekovových materiálů (sklo, plasty) je více pohlcováno záření větších vlnových délek. Změna hustoty výkonu v dopadové ploše ovlivňuje rozměr i geometrii svarové lázně. Na obr. 5.1 je zobrazena tvorba svarů při menší hustotě výkonu (do 106 W/cm2). Svarová lázeň se vytváří vedením, což je vhodné pro spojování tenkých plechů.
Obr. 5.1 Tvorba svaru s menší hustotou výkonu [1]
Svarový spoj laserem lze také vytvořit těmito způsoby: Pulzní svařování s nízkou opakovací frekvencí. Svarová lázeň mezi jednotlivými pulzy ztuhne (úplně nebo částečně). Svarovou housenku tvoří mnoho za sebou jdoucích a vzájemně se překrývajících bodů (viz obr. 5.2). Tak se vytvářejí svarové spoje na menších tloušťkách materiálu, v malosériové a kusové výrobě, pří spojování obtížně svařitelných materiálů a tam, kde nelze kvůli konstrukčnímu uspořádání svařovaných dílů efektivně použít jinou metodu.
10
Obr. 5.2 Pulzní svar: a) ochranná atmosféra He, b) ochranná atmosféra Ar [15]
Druhá možnost tzv. klíčová dírka je založena na využití vysoké hustoty výkonu v dopadové ploše. Formování „klíčové dírky“ je zobrazeno na obr. 5.3. Kapilára je naplněna ionizovanými kovovými výpary o vysoké teplotě. Stěny kapiláry tvoří roztavený kov. Kapilára je důležitá zejména proto, že umožňuje přenášet energii přímo dovnitř materiálu podél svarových ploch. Jamka je přesouvána rychlostí svařování mezi díly určenými ke spojení. Při posuvu svazku ve směru svařování dochází k opětovnému spojení svarového kovu za „klíčovou dírkou“ a to vlivem působení povrchového napětí roztaveného kovu.
Obr. 5.3 Formování „klíčové dírky“[8]
Lze tak svařovat tupé spoje různých tlouštěk bez úpravy svarových ploch, bez přídavného materiálu a na jeden průchod s plným, nebo částečným průvarem. 5.2
Tvorba plazmatu při svařování laserem
Při svařování laserem vzniká kapilára vyplněná parami kovu pod vysokým tlakem, což má za následek vznik palzmatu. Plazma je elektricky neutrální ionizované skupenství hmoty, jenž dosahuje vysokých teplot. Takto vzniklá plazma je vždy při laserovém svařování přítomna a pohlcuje pouze malé množství energie laserového svazku. Nevyvolává tak znatelné změny šířky a hloubky závaru.
11
Při určité hodnotě hustoty energie dochází k ionizaci ochranné atmosféry nad povrchem materiálu, což má za následek vznik plazmatu ochranného plynu. Na obr. 5.4 je zobrazena tvorba plazmatu ionizovanými kovovými výpary a ionizovaným ochranným plynem.
Obr. 5.4 Tvorba plazmatu [8]
Tato plazma, v závislosti na hustotě energie, typu ochranného plynu a jeho množství, pohlcuje podstatnou část energie laserového svazku. Energie potřebná na vnik plazmatu a spotřebovaná absorpcí plazmatem, se nedostane do materiálu a chybí tak při tvorbě „klíčové dírky“. V tomto případě je závar na povrchu širší, ale méně proniklý do hloubky materiálu. Pokud chceme zabránit vytvoření plazmatu ionizováním kovových výparů, je nutné použít ochranný plyn helium. Helium je nejúčinnější, lze tak dosáhnout nejhlubších průvarů při dané rychlosti svařování, nebo nejvyšších svařovacích rychlostí při současném splnění požadované hloubky průvaru. Nevýhodou helia je jeho vysoká cena a relativně malá specifická hmotnost. Nízká hustota ochranného plynu vyžaduje mnohem větší průtoková množství, protože helium ihned po opuštění přívodní trysky intenzivně stoupá vzhůru. V tabulce 5.2 jsou zobrazeny konkrétní hodnoty ionizačního potenciálu vybraných plynů. Tab. 5.2 Ionizační potenciál vybraných plynů [15]
Helium 24,5 eV
Argon 15,7 eV
Plyn Dusík 15,5 eV
CO2 14,4 eV
Kyslík 12,5 eV
Vhodným kompromisem může být použití ochranných směsných plynů na bázi He/N2 nebo He/Ar. Směsné plyny využívají nízké schopnosti ionizace helia, což se kombinuje s nižšími náklady na argon nebo dusík. Lze tak také zároveň snížit průtokové množství ochranné atmosféry. 5.3
Plyny pro svařování laserem
Plyny pro svařování laserem se používají jako ochranná atmosféra (asistenční plyny) nebo jako pracovní náplň (pouze u plynových laserů).
12
Rezonátorové plyny o vyšších čistotách jsou nezbytnou podmínkou pro efektivitu procesu přeměny elektrické energie na laserové záření v rezonátoru laseru. Již nepatrné množství nečistot může mít vliv na snížení výkonu laseru a rovněž i vážný dopad na spolehlivost a životnost laserového zařízení. Nejškodlivějšími nečistotami jsou vlhkost a uhlovodíky (THC). Proto i výrobci laserů předepisují laserové plyny o následujících čistotách, které jsou uvedeny v tabulce 5.3. Tab 5.3 Rezonátorové a asistenční plyny firmy AIRPRODUCTS [10] Médium
Čistota [%] 99,995
Výstupní tlak [bar] -
99,998 – 99,9992
200
Helium
99,996
300
Argon
99,998 – 99,999
300
CO2 Dusík
Použití plynu Rezonátorový Rezonátorový, asistenční Rezonátorový, asistenční asistenční
Spotřeba plynů pro svařování laserem se pohybuje od 20 do 120 l/h. 5.3.1
Nd:YAG lasery
Pro Nd:YAG lasery se nejčastěji používá plyn argon, dusík a CO2. Pro důkladnou ochranu je nutné zajistit vyšší průtok plynu, což způsobuje víření a odfukování svarové lázně. 5.3.2
Plynové CO2 lasery
U CO2 laserů vysokých výkonů je nutné omezovat tvorbu plazmového mraku vznikajícího nad místem průniku laserového paprsku do materiálu. Pro svařování CO2 laserem se jako ochranné plyny používají helium nebo směs helium/argon. Helium se navíc používá jako plyn k potlačení tvorby plazmového mraku. Naopak argon podporuje vznik plazmatu, a proto by se neměl používat jako ochranný plyn pro svařování CO2 laserem o výkonu nad 3 kW. Směs plynů helium/argon se doporučuje při svařování hliníku a jeho slitin. Při vysokých výkonech CO2 laserů zajišťují směsi s heliem vysoké svařovací rychlosti s dobrou kvalitou svaru. 5.3.3
Diodové lasery
U diodových laserů můžeme pomoci vhodných ochranných plynů výrazně zvýšit rychlost svařování, popř. svařovanou tloušťku.
6 Svařovací parametry pro svařování laserem Základní parametry pro svařování laserem se určuje dle druhu provozu laseru, vlnové délky laseru a rozbíhavostí světelného paprsku.
13
Dle druhu provozu: ∑ ∑
pulzní provoz – důležitá je energie pulsu E2 (energie na výstupu z laseru a doba pulzu τ), kontinuální provoz – výstupní výkon P2 a svařovací rychlost.
Dle vlnové délky: ∑
vysoké efektivnosti světelného paprsku dosáhneme vhodnou vlnovou délkou odpovídající konkrétnímu materiálu. Např. s méně výkonným laserem s vhodnou vlnovou délkou se může dosáhnout vyšší efektivnosti než laserem o větším výkonu s nevhodnou vlnovou délkou.
Dle rozbíhavosti světelného paprsku: ∑
Velikost stopy světelného paprsku je závislá na rozbíhavosti. Pro daný výkon platí, že čím je stopa menší, tím je vyšší intenzita záření..
Mimo uvedené parametry se určují dle specifických podmínek další hodnoty: ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
průměr clony (1,3 – 25 mm), teplota chladící vody, ochranná atmosféra, vakuum, typ svaru atd.
Parametry svařování musí být nastaveny tak, aby se materiál nezačal odpařovat dokud se neprohřeje do oblasti tavení v podpovrchové vrstvě. Na obr. 6.1 je vidět, že při svařování s nízkou hustotou energie se teplota povrchu Tp nedostane na teplotu varu Tv dříve než se podpovrchová teplota Ts dostane na teplotu tavení Tt. Takto se vytvoří svarový kráter s příhodným rozložením taveniny.
Obr. 6.1 Časový průběh teploty při svařování materiálu [4]
14
7 Příprava svarových ploch Laserovým svařovacím procesem lze vytvořit téměř všechny základní typy svarů, jaké se vytvářejí i ostatními technologiemi. Jde o svary koutové, na tupo, bodové atd. (viz obr. 7.1). Svarové plochy se připravují dělením, opracováním a upravením.
Obr. 7.1 Druhy svařovaných spojů [5]
Při svařování na tupo musí být čela materiálů co v nejtěsnějším spojení a ve stejné výšce. Optimální mezera mezi svařovanými materiály se pohybuje mezi 0,05 až 0,2 mm, kdyby byla mezera větší, mohly by vznikat vruby. „U tenkých plechů v tisícinách mm.“[4] Při svařování přeplátovaných materiálu, kdy laser provaří dva i více materiálů položených nad sebe, je důležité aby materiály byly co v nejtěsnějším dotyku. Přitom tloušťka a typ materiálu mohou být rozdílné. Navíc je možno dosáhnout toho, že průvar nepronikne spodním materiálem zcela, ale např. jen do poloviny, takže spodní strana je povrchově nedotčená (viz obr. 7.2).
Obr. 7.2 Laserový průvarkový svar [7]
15
Vzhledem k vysoké hustotě energie nejsou na čistotu povrch svařovaných materiálů kladeny zvláštní požadavky. Veškeré tuky a nečistoty jsou před natavením svarové lázně odpařeny. Při svařování laserem je možné použít také přídavný materiál (ve formě drátu přidávaného do svaru nebo plnící kovové vložky). Přídavné materiály se volí jen tehdy, pokud potřebujeme ovlivnit krystalizaci, chemické složení, nebo potřebujeme doplnit přídavným materiálem svarový kov.
8 Svařitelnost materiálů laserem Lasery moderních typů lze použít jak v oblasti mikrosvařování, tak při svařování velkých tlouštěk. Malá spotřeba na jednotkovou délku svaru vede ve svařovaných dílech ke snížení napětí a deformací. Rychlost ochlazování je díky malému vnesenému teplu vysoká a proto u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí nesmí obsah uhlíku překročit hodnotu 0,2 %. Výborných výsledků svařování laserem můžeme dosáhnout u vysokolegovaných ocelí, niklu, molybdenu atd. V tabulce 8.1 je uvedena svařitelnost materiálů laserem. Tab. 8.1 Svařitelnost materiálů laserem: ■ velmi dobrá, ☼ dobrá, ○ dostatečná[6] Al ■ ○ ○ ○
Al Ag Au Cu Pd Ni ○ Pt Fe Be Ti ○ Cr Mo Te W
Ag Au Cu Pd Ni Pt Fe Be Ti Cr Mo Te W
○ ■ ○ ■ ○ ○
■ ■ ■ ■ ■ ○ ○ ○ ○
■ ■ ■ ■ ○ ○ ○
■ ■ ☼ ○ ○ ☼
■ ■ ☼ ○ ○ ☼ ○ ☼ ☼ ○ ○
■ ☼ ■ ○ ○ ○ ■ ■ ■ ○ ○ ☼ ○
■ ☼ ■ ■ ■ ○ ■
■ ■
■
■
Lasery umožňují velmi rychlý ohřev a tím i svařování materiálů s vysokou teplotní vodivostí (Cu, Ag, Al) a materiálů s vysokou teplotou tavení (W, Mo, Zr, Ti, Ta atd.). Rozsah svařovaných tloušťek se určuje dle výstupního výkonu použitého laseru. V tabulce 8.2 jsou uvedeny parametry pro některé druhy a tloušťky materiálu.
16
Tab. 8.2 Svařovací parametry při svařování plynovými lasery CO2 [1] Materiál
Konstrukční ocel
Korozivzdorná ocel Inconel Inco 625 Nimonic Slitiny titanu
Tloušťka materiálu [mm] 1,0 2,0 8,5 20,0 0,5 6,5 9,5 1,0 0,5 6,5 7,0
Výkon laseru [kW]
0,6 2,0 7,5 20,0 2,0 2,0 4,0 1,0 2,0 6,5 5,0
Svařovací rychlost [mm/s] 6,3 25,0 16,6 21,0 180 6,0 9,6 66,6 100,0 30,8 25,0
9 Zařízení pro svařování laserem 9.1
Svařovací laser YLR 20000
Na obr. 9.1 je uveden příklad vláknového laseru pro svařování s výkonem 20 kW, typ YRL 20000 od firmy IPG Photonics, kterou v ČR zastupuje firma LAO průmyslové systémy, s. r. o. Základní parametry laseru: ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
výstupní výkon 20 kW, průměr vlákna 200 µm, půdorys 1 480 x 806 mm, příkon 70 kW, účinnost 30 %, hmotnost 1 200 kg.
Obr. 9.1 Vláknový laser o výkonu 20 kW [9]
17
Výstupní paprsek je přiveden do optického vlákna, přičemž lze použít „rozbočovacích" jednotek, a pak lze použít více vláken vedených na různá pracoviště a výkon laseru přepínat nebo rozdělovat mezi nimi. Na obr. 9.2 jsou zobrazeny řezy dvou svarů dosažených tímto laserem. Jde o svařování nerezové oceli 1.4301. Svařováním ze dvou stran lze dosáhnout hloubky průvaru až 50 mm.
Obr. 9.2 Hluboký průvar [9]
Vláknové lasery se s úspěchem používají v celé škále tloušťek a použitých materiálů. Používají se také ve stále širším nasazení i v mikrosvařování a svařování „běžných" tloušťek. To je dáno poměrně širokou výkonovou řadou strojů, od jednotek wattů až po desítky kilowatů. Na obrázku 9.3 jsou zobrazeny řezy mikrosvarů pro různé materiály.
Obr. 9.3 Svařování materiálů o výkonu laseru 200 W, rychlost 15 m/min: a) hliník, b) nerez ocel, c) měď [9]
18
9.2
Svařovací lasery firmy TRUMPF
V oblasti průmyslových laserů a laserových systémů je TRUMPR firmou s nejpokrokovější technologií. Paleta produktů laserové techniky a laserů zahrnuje laserové řezací a svařovací zařízení pro ploché a 3D díly, vysoce výkonné CO2 lasery, světelné lasery i pevnolátkové lasery.
9.2.1
CO2 lasery
V tabulce 9.1 jsou uvedeny parametry vybraných typů CO2 laserů. Tab. 9.1 Přehled laserových svařovacích zařízení firmy TRUPF [16]
TruFlow 4000 TruFlow 6000 TruFlow 15000 TruFlow 1800 HQ TruCoax 2000
Jmenovitý výkon [W]
Spotřeba el. Energie* při 100 % výkonu [kW]
4000
42
6000
64
15000
155
1800
27
2000
33
Frekvence pulzů (Hf)
100 Hz – 100 kHz 100 Hz – 100 kHz 310 Hz – 100 kHz 100 Hz – 100 kHz 10 Hz – 100 kHz
Šířka pulzů
Potřeba laserových plynů [l/h]: He, N2, CO2
10 μs – cw
13, 6, 1
10 μs – cw
13, 6, 1
10 μs – cw
48, 10, 2
10 μs – cw
13, 6, 1
0,01 μs – cw
**
Legenda: * **
laser bez chladícího agregátu, = cca 250 výměn plynů každých 72 hod. s integrovanou zásobní láhví = cca 2 roky trvalého provozu, třísměnného. 9.2.2
YAG laser
Pro svařování nabízí TRUMPF širokou paletu pevnolátkových laserů a laserových systémů pro nejrůznější aplikace. Pulzní a CW pevnolátkové lasery pro bodové i běžné svařování. Pracovní stanice pro manuální práci s laserem. Komponenty vedení paprsku pro flexibilní přizpůsobení se jednotlivým aplikacím. V tabulce 9.2 jsou uvedeny parametry vybraných typů YAG laserů.
19
Tab. 9.2 Parametry YAG laserů [16]
HL 42 P HL 4006 D HLD 3006 HLD 1001.5
Výkon laseru [W]
Kvalita paprsku [mm*mrad]
40 4000 3000 1000
3 25 25 6
Průměr jádra světlovodného kabelu [μm] 8 600 600 150
Na obr. 9.4 jsou zobrazeny pevnolátkové YAG lasery.
Obr. 9.4 Pevnolátkové YAG lasery: a) pulzní, b) CW buzený výbojkou, c) diodově buzený, d) diskový laser [16]
20
Použitá literatura:
[1] KUČERA, J. Teorie svařování. Ostrava: VŠB-TOU, 1991. 408s. II-220491-3074/91 [2] KOPEČNÝ, J. Fyzika II b Elektromagnetické záření a Atomové jádro. Ostrava: VŠBTUO, 2000. 170s. ISBN 80-7078-815-1 [3] BARTÁK, J., KOVAŘÍK, R., PILOUS, V. a kolektiv. Učební texty pro evropské svářečské specialisty. Ostrava: ZEROSS, 2002. 418s. ISBN 80-85771-97-7
[4] Kolektiv autorů. Technologie svařování a zařízení. Ostava: ZEROSS, 2001. 395s. ISBN 80-85771-81-0 [5] TURŇA, M. Špeciálne metódy zvárania. Bratislava: ALFA, 1989. 384s. ISBN 80-0500097-9 [6] DRASTÍK, F. a kolektiv. Strojnická příručka, vývoj, výpočty, konstrukce, technologie, výroba. Část 12, díl 4. Praha: VERLAG DASÖFER, 2004. Signatura 256 443
[7] KUBÍČEK, J., MRŇA, L. Technické aspekty svařování laserem. [online]. [citace ze dne 29.10. 09]. Dostupné z http://www.svarak.cz/ . [8] http://www.konstrukce.cz/clanek/laserove-svarovani-ekonomika-a-kvalita/ [online]. [citace ze dne 29.10. 09] [9] http://www.mmspektrum.com/ [online].[citace ze dne 5.11. 09] [10] http://www.airproducts.cz/ [online]. [citace ze dne 8.11. 09] [11] http://www.linde-gas.cz/international/web/lg/cz/like35lgcz.nsf/docbyalias/ind_mv_laser7 [online]. [citace ze dne 8.11. 09] [12] http://www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2009050102 [online]. [citace ze dne 9.11. 09] [13] http://www.weldtech.cz/f/weldtech/p/TE%20P%C5%99%C3%ADloha%2011_13bs.pdf [online]. [citace ze dne 9.11. 09] [14] http://dp.bajaja.net/06.html [online]. [citace ze dne 15.11. 09] [15] http://www.airliquide.cz/file/otherelement/pj/laserove-svarovani49120.pdf [online]. [citace ze dne 15.11. 09] [16] http://www.cz.trumpf.com/ [online]. [citace ze dne 20.11. 09] [17] http://www.carmotor.cz/magazin/pages/0,355.html [online]. [citace ze dne 22.11. 09]
21
