1 Svařování Laser-Hybridem Laser-Hybrid je kombinace svařování nejčastěji pevnolátkovým Nd – YAG laserem a jinou obloukovou technologií. V zásadě jsou známy tyto kombinace: ∑ ∑ ∑
laser – TIG, laser – MIG/MAG, laser – plazmové svařování.
Nejvíce se používá metoda laser – MIG/MAG. Vlastní tvorba svaru je založena na tavení svarového spoje laserem a podávání přídavného drátu (viz obr. 1.1).
Obr. 1.1 Princip svařování Laser-Hybridem [1] Při svařování tloušťek materiálů nad 5 mm se doporučuje upravit svarovou plochu se zkosením cca 5´. Svazek laserového záření tak předává energii při odrazech od stěny úkosu a celá svarová plocha je rovnoměrně ohřátá. Laser-Hybridem lze svařovat i tloušťky nad 15 mm. Na obr. 1.2 je zobrazen svar uhlíkové oceli S 355NL, tl. 15 mm, 6´ úkos, V svar, CO2 laser 15,5 kW, MIG metoda s pulzním přenosem kovu drátové elektrody G3Si1, v ochranné směsi plynu Ar + He, s rychlostí svařování 1,2 m/min.
Obr. 1.2 Svar Laser-Hybridem tloušťka 15 mm [1] 1
Svar se vyznačuje vysokou vnitřní čistotou, malou tepelně ovlivněnou zónou a minimálními deformacemi. Pro svary je typická vysoká pevnost a velmi dobrá povrchová kresba. Svařování Laser-Hybridem je možné použít pro provařování tupých svarů i koutových svarů. Možnosti vytvoření svarových spojů jsou zobrazeny na obr. 1.3.
Obr. 1.3 Typy svarových spojů vytvořené laser hybridem [1] Hoření oblouku a podávání materiálu může být orientováno za nebo před místo ohřevu laserem (viz. obr. 1.4). Jednotlivé uspořádání má pak vliv na tvar svarové lázně i tepelné ovlivněné oblasti.
Obr. 1.4 Poloha hoření oblouku a podávání drátu: a) hoření oblouku za laserovým ohřevem, b) hoření oblouku před laserovým ohřevem [1] Soustava laserového paprsku a MIG/MAG systému musí dodržovat přesnou geometrii působení tepelných zdrojů tak, aby vnesené teplo bylo co nejmenší. Při velkém vzdálení ohnisek narůstá vnesené teplo. V opačném případě dochází k nekontrolovatelnému přehřívání svarové lázně, tvorbě pórů a vzniku nestabilních materiálových struktur jak ve svaru, tak i v přechodovém pásmu. „Geometrie je dána konstrukcí svařovací hlavy.“ [2].
2
Svařovací hlava pro Laser-Hybrid je obvykle nesena svařovacím robotem. Do svařovací hlavy je přiveden laserový paprsek buď optickým kabelem, nebo soustavou zrcadel. MIG/MAG hořák je synchronizovaně napájen ze svařovacího zdroje MIG/MAG. Na obr. 10.5 je zobrazena svařovací hlava, od firmy Fronius se kterou bylo dosaženo rychlosti svařování až 9 m/min. Svařovací hlava se může pootočit až o 180o.
Obr. 1.5 Svařovací hlava [13] Tryska Cross-Jet je navržena tak, aby při jejím výstupu docházelo ke zvýšení rychlosti. Lze tak dosáhnout nadzvukového proudění a to umožňuje lepší odklon rozstřiků. Aby proud vzduchu vystupující z trysky nezasahoval do oblasti určené ke svařování, odsává se do výfukového kanálu, což má za následek stále čistý pracovní prostor. Svařovací hořák je vybaven dvouokruhovým systémem chlazení a je dimenzovaný na proud 250 A při 100 % dovoleném zatížení (DZ) a 4 kW výkonu laserového zdroje. Proces svařování Laser-Hybridem se využívá pro spojování hliníkových konstrukcí, především karoserií automobilů, v oblasti letecké techniky, ve stavbě lodí atd. Lze také svařovat vysokolegované i nelegované povlakované oceli.
2
Praktické příklady využití Laser-Hybridu
Obecně lze říci, že technologie svařování materiálů laserem je vhodná tam, kde je nutné zrealizovat velmi náročné svary z hlediska kvalitativního a z hlediska sériové a hromadné výroby při požadavku automatizace tohoto procesu. Nejčastěji je tato technologie využita ve: ∑ ∑ ∑ ∑
strojírenské výrobě (automobily), ve vojenském průmyslu, elektrotechnické výrobě, k výrobě zdravotnické techniky.
3
2.1
Audi A4
Firma Trumf Laser vyvinula diskový laser o výkonu 8 kW. K tomuto rozsahu výkonu laseru vyvinula i skenerovou optiku. Od začátku roku 2007 se dveře následovníka Audi A4 svařují skenerovou optikou a diskovým laserem s výkonem 4 kW z firmy Trumpf. Rychlé zrcadlové pohyby skenerové optiky nahrazují obvyklé polohovací časy robotů a podstatně snižují procesní dobu. V porovnání s odporovým bodovým svařováním, u kterého se může provést cca 0,5 svařovacích bodů za sekundu, umožní laserové skenerové svařování typicky tři až čtyři svary za sekundu. Čtyři svařovací buňky vyrábějí pomocí této nové technologie denně 1800 dveří. „Každé skenerové zařízení je opatřeno jedním laserem TruDisk 4002 od firmy Trumpf.“[4] Výstupní výkon 4 kW na zpracovávaném kusu se generuje ze dvou disků. V Audi sází na výhody Trumpf Laser Network (TLN). Tento systém propojení laserů a robotů umožňuje libovolně mezi sebou spojovat lasery a roboty. Zajišťuje tak použitelnost samotného svařovacího zařízení i při případném výpadku jednoho laseru. Z toho plyne lepší vytížení zdroje laserového paprsku a tím význačné zvýšení hospodárnosti. Na obr. 2.1 je zobrazena první robotem řízená skenerová optika, která byla nasazena v sériové výrobě německých automobilek ke svařování součástí karoserií.
Obr. 2.1 Trumpf FFO 33 (Programovatelná Fokusační Optika) [4]
4
2.2
Audi A8
V rámci vývoje vysokovýkonných svařovacích postupů byl v centru pro výzkum hliníku integrován do výrobní koncepce nového projektu vozu Audi A8 hybridní svařovací proces. V porovnání s technologií laserového svařování s přídavným materiálem se zde zvyšuje provozní spolehlivost a schopnost překlenovat spáry. To má za následek zvýšení kvality svarů. V porovnání s konvenčním MIG-svařováním se výrazně zvyšuje svařovací rychlost a hloubka závaru.
Obr. 2.2 Audi A8 [3] Hybridní svařování se zde používá pro napojování různých plechových dílů na lisovaný profil. Celkem bylo na jednom vozidle provedeno 65 svarů s celkovou délkou spáry cca 5 m. Délka jednotlivých svarů se pohybovala od 30 do 260 mm. Na obr. 2.3 je zobrazen střešní rám na boční straně Audi A8.
Obr. 2.3 Svarová skupina střešního rámu na boční straně vozu Audi A8 [3] Při párování materiálů o velké toušťce (2 až 4 mm) bylo (v porovnání s prostým laserovým svařováním) možné zvýšením svařovací rychlosti snížit energetické zatížení této součásti. To se projevilo na minimum snížené tepelné deformace celé konstrukční 5
podskupiny. Byla zvýšena spolehlivost pracovního procesu i kvalita svarového spoje. Projevila se i zlepšená přemístitelnost spár mezi spojovanými díly. Parametry svařovacího procesu: ∑ ∑ ∑
výkon laseru PL = 3,8 kW, svařovací rychlost vs = 3,6 m/min, rychlost drátu vd = 4,5 m/min.
Použitá literatura: [1] KUBÍČEK, J., MRŇA, L. Technické aspekty svařování laserem. [online]. [citace ze dne 29.10. 09]. Dostupné z http://www.svarak.cz/ . [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] [17] http://www.carmotor.cz/magazin/pages/0,355.html [online]. [citace ze dne 22.11. 09]
6
