Laserové technologie

Laserové technologie

Vypracoval

Doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD.

Podpis Datum

Schválil

Doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD.

Podpis 15.6.2013

Datum

15.6.2013

Obsah

1.

Úvod

3

2.

Současný stav laserových technologií

6

2.1

3.

Lasery

6

2.1.1 Lasery s kontinuálním výkonem 2.1.2 Lasery s pulzním výkonem

6 9

2.2

Gravírování a popis

9

2.3

Řezání a obrábění

10

2.4

Úpravy povrchu

11

2.4.1 Vytvrzování povrchu 2.4.2 Navařování vrstev 2.4.3 Přetavování povrchu

11 15 17

2.5

Svařování

18

2.6

Ostatní

Vývoj a blízká budoucnost 3.1

Materiálové problémy

20 20

3.2 Hybridní způsoby kombinace s laserovým paprskem 3.2.1 Hybridní svařování 3.2.2 Svařování horkým drátem 3.2.3 Svařování studeným drátem 3.2.4 Svařování s indukčním předehřevem a dohřevem

21 21 23 23 24

3.3

25

Nové technologie

3.3.1 Nahrazování konvenčních technologií 3.3.2 Zabudování laserů do CNC strojů 3.3.3 Rapid protoryping

25 28 28

3.4

Remote welding

29

3.5

Řízení procesu

29

4.

Doporučená témata pro projekty

30

5.

Literatura

32

2/31

1

Úvod

Monitorovací zpráva podává přehled o současných trendech v oblasti vývoje laserů a jejich aplikací v technologiích zpracování materiálů. Česká republika má v oblasti laserů a příslušných oborů fyziky silnou pozici díky Akademii věd, která odkoupila za 1 marku ve své době vysoce výkonný laser Pals. V současnosti na tuto tradici navazuje vznikající laserové centrum ELI Beamlines a HiLase v Dolních Břežanech s nejvýkonnějším pulzním laserem na světě. Laserové technologie v současnosti představuje především řezání, které provozuje řada firem komerčně, především díky CO2 laserům na zařízeních dodávaných firmou Trumpf. Existuje však stále rostoucí počet nových případů využití laserů v řadě oborů. V této zprávě jsou zmíněny ty, které jsou využitelné se strojírenství. Jak dokazuje graf, celosvětově tržby v tomto segmentu vzrostly od roku 2009 o 50%. Průmyslové lasery jsou tedy perspektivní obor s velkým dosud nevyčerpaným potenciálem, i pro Českou republiku, která má v tomto ohledu jistou tradici. Růst se očekává především u vláknových a diodových laserů, které postupně vytlačují plynové lasery. Nd:Yag lasery jsou v tomto okamžiku pro průmysl překonané a vlastně již neexistuje firma, která by je vyráběla (výjimkou jsou lasery s nižším výkonem pro telekomunikace, tiskárny, CD, popis apod.).

3/31

Z počtu citací o laserovém navařování je patrný nárůst zájmu o tuto technologii v posledních letech. Úzce to souvisí s novými vláknovými (vyráběné od roku 2004) a diodovými (od roku 2001) lasery. V posledních 5 letech je průměrný roční růst počtu společností věnujících se laserům (výrobci, integrátoři, job shopy…) přes 30%!

Vývoj výkonu vláknových laserů Využití vláknových laserů vzrostlo o 63% během posledních 3 let!!! To dosvědčuje i postavení největšího výrobce vláknových laserů, společnost IPG Photonics, v žebříčku 10 nejrychleji rostoucích firem za poslední 3 roky, kterou provedla společnost Forbes. Úspěšností tedy konkuruje firmám jako Apple.

Z následujících grafů vyplývá, že pro strojírenské aplikace se potřebný výkon pohybuje od 1kW. Nejkvalitnější paprsek (s nejmenší rozbíhavostí) s nejmenším průměrem (ve stovkách mikrometrů) se používá pro řezání. Proto zde dosud převládají CO2 lasery, které mají paprsek téměř ideální. Tím pádem jsou řezy kvalitní. Pro svařování může být paprsek mírně horší, používají se průměry mezi 0,5 až 1mm. Zde budou v brzké době zcela jistě dominovat

4/31

vláknové lasery, přestože v této chvíli je to z historických důvodů hlavně doména Nd:YAG laserů. Oblasti v horní části pro kalení, navařování a pájení jsou pokryta zejména diodovými lasery. Jejich nízké provozní náklady z nich činí konkurenceschopné technologie pro konvenční způsoby.

Aplikace dle výkonu a kvality paprsku

Aplikace dle výkonu a času

Rozdělení dle hustoty výkonu na ose Y druhého grafu má logické souvislosti. Pro odpařování materiálu (což se týká vrtání nebo popisování) musí být energie dostatečná pro vznik plazmy. Při řezání a také svařování stačí materiál natavit a tedy potřebná hustota výkonu je nižší. A pro kalení je hustota výkonu nejnižší, protože stačí dosáhnout kalicí teploty, obvykle do 1000;C. Řezání i svařování jsou velmi rychlé procesy, rychlost paprsku bývá od 1m/min až do cca 40m/min. Jedná se tedy o vysoce produktivní technologie. Ani kalení a navařování si ale v tomto ohledu nezadají, zde se rychlosti pohybují do 1m/min, což je opět několikanásobně více než při kalení indukcí anebo navařování obloukovými metodami.

5/31

2. Současný stav laserových technologií 2.1 Lasery Lasery lze rozdělit podle mnoha příznaků. Tím hlavním z pohledu strojírenství je dělení na pulzní a s kontinuálním výkonem.

2.1.1 Lasery s kontinuálním výkonem Pro strojírenské aplikace se používají lasery o výkonech od 1 do 20kW. Z typů založených na plynném médiu jsou to dlouho používané CO2 lasery, které jsou nejvíce rozšířené. Historicky stejně používané jsou pevnolátkové Nd:YAG lasery. Velmi limitující faktor CO2 laserů je vedení svazku pomocí zrcadel a hranolů, vedení pomocí optických vláken je mnohem praktičtější. Současný růst laserových technologií je ale zapříčiněn zavedením nových typů laserů vláknových, diodových a diskových. Diodové lasery mají poměrně špatný BPP při vyšších výkonech, takže jsou hlavně používány pro kalení a nanášení vrstev. Diodové a vláknové lasery však nabírají v současnosti bouřlivý vývoj a začínají rychle nahrazovat desítky let používané zdroje. Mimo jiné mají až o řád delší životnost! Diskové lasery jsou pro svařování dobrou volbou, ale jejich pořizovací i provozní náklady jsou značné. Hlavním důvodem je ale účinnost – oproti dřívějším CO2 a Nd:YAG laserům mají účinnost v současnosti více než 30%, tedy mnohonásobně vyšší. Tím klesá spotřeba energie a laserové technologie se stávají cenově konkurenceschopné konvenčním technologiím jako jsou obloukové svařování, indukční kalení nebo plazmové nástřiky.

Typ laseru

CO2

Nd:YAG

Diodový

Vláknový

Diskový

Vlnová délka [nm] Absorpce

10 600 nízká

1 064 vysoká

808 -1 030 vysoká

1 070 vysoká

808 -1 030 vysoká

Elektrická účinnost

10 - 15 %

2-5%

25 - 35%

25 - 30%

15 %

Vedení paprsku

přes zrcadla

vláknem

vláknem

vláknem

vláknem

Výkon

až 20kW

až 6kW

až 20kW

až 50kW

až 4kW

BPP (pro 4-5kW)

6

25

44

do 2,5

8

Životnost (hod)

5.000

10.000

100.000

100.000

10.000

Prostor (m2)

3

6

do 1,5

do 1

nad 4

Cena/hod ($)

49 (6kW)

52 (4kW)

23(4kW)

43 (4kW)

Tabulka odlišností výkonových laserů používaných v průmyslu Laserový svazek má několik specifických vlastností, které ho dělají jedinečným a na rozdíl od běžného světla použitelný ve strojírenství. Je téměř monochromatický, což znamená, že vyzařuje vlny o jediné vlnové délce. Ta se liší podle typu použitého laseru a má zásadní vliv na

6/31

oblast použití. Vlnová délka má vazbu na pohltivost povrchem materiálu a tedy účinnost procesu. Plynové lasery, nejčastěji používané s náplní CO2, pracují s délkou vlny 10,6 m. Jsou k vidění při řezání a svařování ocelí a dalších kovů. Naproti tomu pevnolátkové lasery, zastoupené Nd:YAG, pracují v blízkém IR spektru 1,07m. Svařování je jejich typická doména, i když jsou mírně omezeny výkonem. Nové polovodičové lasery pracují s vlnovou délkou 800 nm. CO2 lasery mají velmi nízkou účinnost (absorpci), se zkracující se délkou účinnost roste. V praxi to znamená, že povrch pro CO2 svařování bývá potřeba upravit (černěním, přebroušením apod.). Kromě toho platí, že pro svařování CO2 laserem potřebujeme „dohnat“ nižší účinnost vyšším výkonem. Proto pro svaření stejného kusu musí mít CO2 laser přibližně dvojnásobný výkon.

Diskové lasery

Diodové lasery

Nd:YAG lasery

Vláknové lasery

7/31

Laserové optické hlavy firmy Precitec

2.1.2 Pulzní lasery Pulzní lasery nacházejí uplatnění především při popisu dílů (gravitování), strukturování povrchu, vrtání (nebo obecně obrábění) a ručním svařování nebo navařování velmi tenkých a drobných součástí.

2.2 Gravírování a popis V této oblasti existuje dostatečné množství výrobců laserů (protože stačí malé výkony) i dostatečná nabídka strojů. Až na dílčí požadavky vývoje (např. popis nového typu materiálu, korozní odolnost a stálost popisu apod.) zde není mnoho prostoru pro vědu. Jedinou výjimkou je výroba solárních panelů, kde probíhá vývoj a zdokonalování výroby článků právě za asistence laserů.

Ukázky laserového značení výrobků

Detail povrchu po laserovém gravírování

8/31

2.3 Řezání a obrábění Pro řezání existuje velký počet možností. U obloukových a plamenových metod je hlavní nevýhodou je tepelné ovlivnění okolí řezu a dále také nízká přesnost řezu. Elektrojiskrové nebo elektroerozivní řezání je sice přesné, ale málo produktivní. Z hlediska tepelného ovlivnění je vhodný vodní paprsek, který ale nelze použít pro materiály náchylné ke korozi nebo pro 3D řezání. Laser poskytuje přesné řezy s malým teplotním ovlivněním. Zde je ale největší nevýhodou maximální řezná tloušťka, která je oproti ostatním menší. Uvádí se, že pro tenké plechy do cca 5mm je vhodný laser, pro větší tl. se používají ostatní způsoby. I zde postupně dochází k nahrazování CO2 laserů vláknovými, jak dokládá spodní obrázek. Z porovnání nákladů je zřejmý i budoucí trend. Technologie laserového řezání je zavedená a dobře zvládnutá, vývoj v této oblasti není nutný.

Přesnost řezání v závislosti na použité technologii

Porovnání vhodnosti vláknového a CO2 laseru pro řezání

9/31

2.4 Úpravy povrchu 2.4.1 Vytvrzování povrchu Rozdíl mezi kalením plamenem, indukcí a laserovým paprskem Při kalení plamenem je hloubka ohřevu dána relativní rychlostí pohybu plamene po povrchu. Přenos tepla do materiálu má však malou účinnost a navíc se ohřívá i okolní povrch. Tím roste doba potřebná pro austenitizaci, hrubne zrno, může dojít ke spálení hranic zrn. Na povrchu roste oxidická vrstva. O rovnoměrnosti nebo regulaci teploty nemůže být řeč. Při indukčním kalení je generované teplo závislé na odporu a proudu. Hloubka ohřevu závisí na frekvenci. Čím nižší frekvence, tím menší hloubka prokalení. Vysokofrekvenční ohřev i tak trvá řádově několik vteřin, velikost a tvar induktoru závisí na kalené ploše. A vyrobit vhodný induktor něco stojí. Dosud byla řeč o ohřevu. U obou popsaných případů musí následovat dostatečně rychlé ochlazení, obvykle prováděné vodní sprchou (nebo polymerním roztokem). Vždy existuje nebezpečí vzniku páry a parního polštáře, který neodvede teplo dostatečně a povrch ované ých. Navíc je potřeba vodní hospodářství, odsávání par atd. Podobně jako u svarů existuje pod kalenou vrstvou přechodová zóna, kde teplota nebyla dostatečná pro kalení ale na druhou stranu ovlivnila matrici základního materiálu. Naneštěstí jsou tyto změny většinou k horšímu. Hloubka kalení však může dosahovat až 10 mm. Laser je zdroj vysoce energetického záření, které může sloužit k ohřevu nebo i natavení povrchu. Fyzikálně vzato, je to dáno interakcí fotonů laserového paprsku s elektronovou strukturou materiálu. Jedná se o rychlý děj, probíhající do vteřiny od „osvícení“. I zde je třeba dosáhnou teploty austenitizace povrchové vrstvy, přechodová oblast prakticky neexistuje. Jak poznáme dále, je to jeden z důvodů minimalizace deformací. Rozdíl je i v odvodu tepla – nastává tzv. samokalením. Není třeba povrch chladit zvenku přiváděnou kapalinou (konvekcí), protože matrice uvnitř zůstala studená a odvod tepla vedením je dostatečný. Dá se tedy předpokládat, že transformace začíná probíhat „zevnitř“ materiálu a vnější povrch chladne naposled. Podobný efekt nastává při cementaci díky koncentračnímu gradientu uhlíku. Na cementovaném povrchu je vyšší obsah uhlíku a tedy lokálně nižší teplota Ms. Obsah uhlíku od povrchu do matrice klesá a tím naopak teplota počátku martenzitické transformace stoupá. Výsledkem jsou tlaková pnutí na povrchu, která brání rozevírání a šíření trhliny. A proto mají cementované vrstvy lepší únavovou životnost než indukčně kalené vrstvy. Laserové kalení bude v tomto případě ležet někde mezi, ale příslušné experimenty dosud nebyly zveřejněny. Limitujícím faktorem se stává tloušťka stěny kalené součásti – pomůcka říká, že stěna by měla být alespoň 10x silnější než kalená hloubka. Nic není ztraceno – drobné díly je možné přichladit proudem vzduchu nebo ochlazením do nádrže s chladícím médiem. Druhým limitujícím parametrem je maximální hloubka prokalení cca 2 mm v závislosti na vodivosti materiálu. Tuto hranici nelze obejít ani ované ých laserem, ani pomalejším pohybem paprsku. Velkou pomocí je ale hybridní kalení – kombinace laserového paprsku zároveň s induktorem. Jedná se o poslední novinku v oblasti povrchového kalení a jen velmi málo firem na světě ji zatím používá. Při kalení laserem je jeho výkon regulován pyrometrem s přesností kolem 10°C. To je nezbytné např. při kalení střižných hran, aby nedošlo k natavení nebo oduhličení povrchu materiálu. Stejnou službu poskytuje pyrometr i při kalení ozubení, kdy se v patě zubu odvádí teplo více a je třeba výkon zvednout oproti hlavě zubu, kde se výkon snižuje. Následkem vysoké rychlosti procesu se dosahují jemnozrnné struktury, takže je významně potlačen vznik

10/31

kalících trhlin. A to i u materiálů, kde se po indukčním kalení trhliny objevují. Další rozdíl je ve vlastním odvodu tepla. Díky vysoké intenzitě paprsku se prohřeje povrch rychlostí 1000°C za vteřinu a teplo si odvede materiál sám. Při indukčním kalení (i plamenem) se povrch ochlazuje chladící kapalinou. Praktickým důsledkem je kromě potřeby příslušného vodního hospodářství a znečištění povrchu zejména velikost deformací. Ohřátí minimálního objemu materiálu u laseru výrazně omezuje deformace, odpadá nutnost rovnání, přídavky na obrábění tvrdého kaleného materiálu jsou minimální (nebo dokonce nulové) atd. Indukční kalení vyžaduje zvolit (a zaplatit) induktor patřičného tvaru a velikosti, takže kalení menších sérií se může prodražit. Laserový paprsek je modulární a lze s ním lokálně kalit jen ty oblasti, kde je to technologicky nutné. Uvedené technologické výhody navádějí k využití laserového kalení při výrobě forem, ozubených kol, turbinových lopatek, obráběcích strojů, nástrojů a nářadí.

Aplikace LASEROVÉ KALENÍ FOREM A NÁSTROJŮ Laserové kalení forem a nástrojů patří mezi nejčastější případy. Patří mezi ně nástroje na ostřihování plechů a textilií do automobilů, formy na výlisky z plechů nebo vstřikování plastů, kalení pinčovacích hran, dělících ploch forem aj. Výhodou je možnost přesného lokálního kalení a velmi nízká oxidace povrchu. Díky tomu lze laserové kalení zařadit jako finální operaci v technologickém postupu, bez nutnosti dodatečného broušení zakalených míst. Je možno povrchově zakalit malé segmenty, vložky i několikatunové formy velkých rozměrů.

Zakalené střižné hrany nástrojů

Litinová forma na lisování plechů

11/31

Formy na vstřikování plastů

Kalení pinčovacích hran nástroje

LASEROVÉ KALENÍ OZUBENÝCH KOL

Ozubená kola, tyče nebo pastorky patří většinou mezi velmi namáhané strojní součásti. Z tohoto důvodu se proto pro zvýšení jejich životnosti používá povrchové kalení. Při použití laserového kalení odpadá nutnost výroby speciálního induktoru. Bez větších problémů lze zakalit libovolný tvar a modul zubu, jak na vnějším, tak na vnitřním ozubení. Za pomoci přídavného otočného stolu se dají laserově zakalit ozubená kola o velikosti několika centimetrů až po kola o průměru několika metrů, sestavené z více segmentů. Zakalená vrstva není náchylná na vznik povrchových trhlin a tepelné zatížení okolního materiálu je velmi nízké.

Zakalené ozubené kolo

Kalení vnitřního ozubení

12/31

Kalení velkých průměrů

Ozubená kola malých rozměrů

LASEROVÉ KALENÍ HŘÍDELÍ A ČEPŮ

Materiál hřídelí se volí podle velikosti a charakteru provozního zatížení (statické, rázové, střídavé), opotřebitelnosti, možnosti tepelného zpracování atd. Ve společnosti MATEX PM se běžně laserově kalí hřídele a čepy z materiálů 1.0503, 1.6582, 1.1221, 1.4021, 1.5122, 1.6511, 1.7131 nebo 1.7561. U těchto dílů lze zakalení provést podélně nebo po dle požadavků zákazníka. Jako u ostatních výše uvedených příkladů se laserově kalí jak malé čepy, tak několikametrové hřídele. Deformace po zakalení jsou minimální i u velmi dlouhých dílů a proto není obvykle nutné dodatečné rovnání a broušení. Z tohoto důvodu je možné snížit přídavky pro broušení, čímž se redukují další výrobní náklady.

Obvodově zakalené čepy

Kalení hřídelí velkých průměrů

LASEROVÉ KALENÍ STROJNÍCH DÍLŮ A DÍLŮ PRO ENERGETIKU

K dalším příkladům patří laserové kalení dílů pro obráběcí stroje (lože, čelisti, smykadla) nebo kalení funkčních ploch nástrojů pro ohraňování. Časté je také zpracování lanovic, objímek nebo vodících lišt. V energetice to jsou především lopatky parních turbín, kde

13/31

se díky zakalení náběžné hrany zvyšuje odolnost proti kavitačním účinkům kondenzované páry.

Laserové kalení smykadla

Laserové kalení drážek lanovnice

2.4.2 Navařování vrstev Povrch součásti má svoje specifické vlastnosti, dané nesymetrií vazeb. Zatímco atomy uvnitř materiálu mají symetrické okolí a vazby se sousedními atomy, na povrchu jsou atomy vázány jen směrem dovnitř. To ovlivňuje spoustu procesů, od koroze až k iniciaci únavových lomů. Inženýři se tomu brání řadou technických triků, povrchovým kalením, cementací, nátěry, kuličkováním, vytvářením různých vrstev atd. I vrstvy mají pestrou paletu možností, počínaje tenkými atomárními vrstvami mazadla, přes PVD a CVD povlaky nástrojů až po silnostěnné návary elektrodou nebo pod tavidlem. Někde mezi tím se nachází oblast vrstev s tloušťkou desetin až jednotek milimetrů, nanášených HVOF (high velocity oxygen fuel), plasmou nebo laserem. Je zde několik rozdílů s dopadem na konečné vlastnosti povrchu. Asi nejsilnějším konkurentem laserového navařování jsou žárové nástřiky (HVOF). Zásadní rozdíly vyplývají z principů obou technologií. Laserové návary jsou metalurgicky propojeny s podkladem, tzn. Dosahujeme zde určité míry promíšení podkladového a přídavného materiálu. Tím je zajištěna vysoká míra přilnavosti. Vrstvy nanesené metodou HVOF toto promíšení nevykazují, dochází pouze k částečnému difuznímu propojení obou materiálů. Přilnavostí se tedy HVOF nástřiky těm laserovým nemohou rovnat. Podobné je to s ované ýc a korozní odolností. Při laserovém navařování působí energie laserového svazku i v okamžiku přilnutí roztaveného prášku k podkladu. Vytvářejí se tak celistvé vrstvy s prakticky nulovou pórovitostí. Naproti tomu HVOF nástřiky jsou vysoce porézní a ztrácí funkci korozní ochrany. Po dopadu nataveného prášku na deponovaný povrch totiž není přiváděna energie, která by umožnila dokonalé propojení jednotlivých natavených zrn s podkladem. Cenově si jsou obě technologie blízké, používají totožné přídavné materiály. Plasma vnáší do povrchu množství tepla, což může vést k deformacím součásti nebo k degradaci vlastností povlakovaného materiálu. Má to ještě jiný nepříjemný dopad. Na příkladu navařování karbidů wolframu je vidět, že regulací výkonu laserového paprsku zůstávají karbidy ostrohranné, zatímco horší regulace vneseného tepla při plazmovém navařování může vést k částečnému nebo úplnému rozpuštění karbidů. Tím se pochopitelně výrazně mění vlastnosti vrstvy, dochází k praskání atd. To platí i o obloukovém a

14/31

podtavidlovém navařování. Ruční navařování elektrodou – tzv. MMA je v porovnání s laser claddingem cenově, časově i kvalitativně nevýhodné. Jedná se o ruční práci, kdy přídavky na následné obrobení jsou několikanásobně vyšší. Do materiálu je vneseno daleko více tepla, dochází k deformacím součásti. Velmi často je pro MMA proces nutný předehřev, i tak se ale objevují problémy s praskáním návarů a jejich pórovitostí. Cena přídavného materiálu je výrazně vyšší než pro laser cladding. Klasické a roky známé laserové navařování pulsním laserem, za ručního přivádění přídavného drátku, je vynikající pro opravy drobných licích vad nebo vylomených hran forem a nástrojů. Při opravách souvislejších ploch je ale časově náročné, drahé a tudíž neefektivní. Proces laserového navařování prošel vývojem a řadou změn. Během posledních 4 let klesla cena laserového navařování na polovinu! I proto se dnes stejný proces skrývá pod řadou názvů. Aktuálně nejpoužívanější jsou laser clading, ované metal deposition (DMD) nebo laser metal depositum (LMD) a jejich kombinace. V prvních pokusech byl prášek nanášen na povrch pomocí gelové suspenze a po zaschnutí přetaven laserem. Díky celkové složitosti následovala varianta, kdy byl prášek přiváděn ze strany pomocí trysky do osy paprsku. Hlavní nevýhodou byla nerovnoměrnost tloušťky vrstev. V současnosti se používá tzv. koaxiální uspořádání. Dochází ke kovovému spojení se stupněm promícháním kolem 5%. Promíchání je tedy výrazně menší než u obloukového navařování (projeví se menším pnutím), ale zase větší než u HVOF (tam není povrch nataven a promíchání je 0%, což snižuje přilnavost vrstvy). Celý proces probíhá velmi rychle, podkladový materiál se prohřívá jen málo, což vede k rychlému odvodu tepla z vytvořené vrstvy. Výsledkem jsou příznivé jemnozrnné struktury s vyšší tvrdostí než je běžné u ostatních metod. Tloušťka vrstvy bývá do 2 mm, ale je možné nanášet vrstvy postupně i ve větších tloušťkách, roste ale i nebezpečí odloupnutí vrstvy. Pod vrstvou bývá zakalená teplem ovlivněná oblast základního materiálu se zhruba stejnou šířkou Na rozdíl od známého ručního navařování pulsním laserem, kterým se opravují drobné licí vady a defekty, se laser cladding používá spíše pro souvislejší plochy. Celý proces je plně automatizovaný. Přídavný materiál ve formě prášku je souběžně s laserovým paprskem směrován na povrch deponované součásti. Prášek se interakcí s laserovým paprskem taví ještě před dopadem na povrch, kde díky stále působícímu laserovému záření dojde k jeho metalurgickému propojení s částečně nataveným podkladem. Nanášené vrstvy se tak vyznačují vysokou přilnavostí a nulovou pórovitostí. Obvyklá tloušťka nanesené vrstvy se pohybuje v rozmezí 0,2 – 2 mm, přičemž vrstvy lze klást na sebe až do několikacentimetrové výšky. Šířka jedné stopy je závislá na laserové optice a výkonu laseru. Typicky se pohybuje kolem 5 mm, přičemž vrstvy se skládají vedle sebe se zhruba milimetrovým překryvem. Právě díky metalurgické vazbě na rozhraní vrstva / substrát je možné návary obrábět frézkou či soustruhem. Broušení se volí u tvrdých a tudíž hůře obrobitelných vrstev nebo jako finální úprava povrchu. Díky vysoké přesnosti procesu ve většině případů postačuje přídavek 0,5 mm.

15/31

Porovnání výkonnosti laserů při navařování

Opravy povrchů Stává se, že po obrábění zůstane malý přídavek na plochu nebo se změní výkresová ované ých . Stejně tak se provádějí repase strojních součástí, kde došlo k poškození povrchu. Zvláštní pozor by v tomto případě měli dávat ované ý firem obráběcích strojů a hyd ované ých zařízení, což jsou obory s největší perspektivou využití zmi ované technologie. Přidávaný prášek má většinou obdobné chemické složení jako základní materiál nebo může být vhodně dolegován. Ušetří se značné náklady na výrobu nových dílů, o zkrácení výrobního času nemluvě. Lepší vlastnosti povrchů Zlepšit povrchové vlastnosti jinak „neušlechtilého“ materiálu lze nanesením vrstvy optimalizované pro dané použití. V praxi to znamená nerezové prášky pro korozní odolnost, kobaltové (Stelitové) vrstvy pro zlepšení otěruvzdornosti, niklové vrstvy pro vysokoteplotní aplikace případně karbidické a keramické prášky pro vysoké tvrdosti. Výhodou prášků je zejména široké a volitelné spektrum chemického Rapid prototyping V případě, že je potřeba vyrobit kusový díl se složitou vnitřní architekturou, kterou mohou být třeba chladící kanálky uvnitř formy na vstřikování plastů, je možné vystavět takový kus vrstvu po vrstvě. Jiným příkladem mohou být lopatky turbin leteckých motorů z niklových nebo titanových slitin. Pokud se jedná o kovový díl, je laser cladding hojně používán.

2.4.3 Přetavování povrchu Právě přetavování je jednou z možných aplikací, většinou používanou pro přípravu kovových skel nebo amorfních vrstev. Pokud při claddingu nepřidáváme prášek, dochází k natavení povrchu se zajímavými vlastnostmi.

16/31

Přetavením povrchu litiny dostáváme dvě zóny s rozdílnou strukturou i tvrdostmi. Pod povrchem kde došlo k přetavení není původní grafit, ale vzniká bílá litina s velkým podílem velmi jemného ledeburitu, vyplněného v meziprostorech martenzitem a zbytkovým austenistem. Tvrdosti se pohybují kolem 1000HV. Následuje překalená oblast, kde sice nedošlo k natavení, ale k zakalení. I zde jsou velmi vysoké hodnoty tvrdosti, stále přesahující 500HV. Kolem grafitu dochází k difuzi a přesycení uhlíkem, takže částice jsou lemovány ledeburitem. Ve struktuře ale převládá martenzit a zbytkový austenit, jehož podíl směrem dovnitř materiálu klesá. Dalším příkladem mohou být dvě sousedící přetavené stopy na uhlíkové oceli C45. Průběh tvrdosti ukazuje jednak hloubku kolem 1mm a pozvolný přechod do základního materiálu, zajímavá je ale i vlastní tvrdost kolem 900HV. Tedy víc než po povrchovém kalení, kde bývá kolem 630HV v souvislosti s obsahem uhlíku 0,45%. Na povrchu je tvrdost trochu nižší, což je možné přičíst nepatrnému oduhličení nebo přesnosti měření.

2.5 Svařování V posledních letech byla na trh uvedena řada nových typů ocelí. Uvádí se, že až 70% v současnosti používaných ocelí v automobilovém průmyslu bylo vyvinuto v posledním desetiletí. Mají splňovat vysoké a často protichůdné nároky, např. na pevnost při zachování dobré tažnosti, korozní odolnost při co nejnižším stupni legování, dobrou tvařitelnost při velké pevnosti a tuhosti konstrukce atd. Společným rysem uvedených ocelí je jemnozrnnost, přesně určená struktura i podíl fází a jasně dané mechanizmy zpevnění. V návaznosti na to musíme uvažovat o nových technologiích, kterými budeme takové moderní materiály zpracovávat – tvářet, řezat, obrábět nebo svařovat. To snad nejlépe dokumentuje nárůst množství svarů na vozidlech ze Škoda Auto. Počet metrů laserových spojů na jednotlivých vozech jde chronologicky: Octavia – 0 m, Fabia – 1,1 m, Superb – 3,1 m, „nová“ Octavia – 6,7m. U vozidel Volvo XC60 je 10 metrů svařeno laserem a obdobné příklady poskytnou i všechny ostatní producenti. Zmiňované spoje jsou k vidění především v oblasti sloupků a střechy, tedy míst, kde jsou aplikovány nejmodernější ultrapevné oceli pro vyšší bezpečnost. Svařování ovlivňuje materiál v okolí spoje a většinou degraduje 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 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, tedy poměr mezi šířkou a hloubkou svaru, přináší další profit s ohledem na deformace. U konstrukčních nízkouhlíkových ocelí jsou mechanické vlastnosti spoje blízké pevnostem původního materiálu se strukturou nízkouhlíkového martenzitu. S rostoucím obsahem uhlíku stále vzniká martenzit a tvrdost spoje roste. To lze omezit předehřevem nebo např. bezprostředním ohřevem induktorem za svarem. Při vysokých rychlostech svařování nad 2m/min klesá náchylnost k tvorbě trhlin za horka. Jak bude demonstrováno dále, pevnosti spoje

17/31

se i zde blíží původnímu materiálu. I vrubová houževnatost je vysoká ve srovnání s obloukovými metodami. Příčinou je pravděpodobně jemnozrnnost svaru i ovlivněného okolí. Velikost vláknových a diodových laserů s výkonem do 6kW se pohybuje kolem 400kg a nejsou o mnoho větší než výkonná svářečka (nepočítáme-li s chlazením). Současné hranice laserového svařování se pohybují u jednostranného svaru do hloubky provaření 34mm při šířce svaru 2 mm (poměr hloubky k šířce je asi 5 pro diodové a asi 20 pro vláknové lasery) . K tomu je potřeba výkon zhruba 30kW a BPP do 10 mm/mrad. I tak se svařovací rychlosti pohybují v řádech 1-15 m/min. Aktuálně nejvýkonnější průmyslově použitý vláknový laser má výkon až 100kW

Vysoká výkonová hustota laserového paprsku spolu s krátkou dobou působení je základní předností laserového svařování ústící v nízké tepelné ovlivnění

18/31

3

Vývoj a blízká budoucnost

V následujících kapitolách jsou stručně popsány technologie laserového zpracování, jejichž vývoji je v dnešní době věnována velká pozornost ve většině průmyslově vyspělých zemí. 3.1 Materiálové problémy I po poměrně dlouhé době nejsou dosud některé materiálové jevy dostatečně prostudovány a pochopeny. Týká se to např. chování taveniny v keyhole a související vznik trhlin a pórů. Stejně tak není zcela popsán vliv ochranných plynů na geometrii svaru a jeho vlastnosti. Rychlost procesu způsobuje vznik nových (většinou nestabilních) struktur mnohdy s poněkud odlišným fázovým složením oproti běžným tavným metodám. Z toho pramení poněkud odlišné vlastnosti spojů. A právě zde je velké pole možností. Např. nejsou známy například creepové vlastnosti takových svarů pracujícíh v energetice za zvýšených teplot. Podobný příklad pro kalení – není známo únavové chování laserem kalených povrchů, v některých experimentech vychází lépe, v jiných hůře oproti konvenčnímu indukčnímu nebo objemovému kalení. Podobně při navařování prášků – vrstvy se chovají jinak ve srovnání se stejným materiálem naneseným plazmou nebo obloukem. Právě tyto materiálové záležitosti je třeba prozkoumat, protože bez nich je zavedení této technologie do průmyslové praxe nemožné. Alespoň pro náročnější aplikace jako energetika, transportation, petrochemický průmysl atd. 3.2 Hybridní způsoby kombinace s laserovým paprskem Nejčastější způsob laserového svařování je bez přídavného materiálu. Svar má tak stejné chemické složení jako okolní materiál. Příkladem využití může být svařování ataborových šestihranů pro jaderné strojírenství. Jedná se o nerezový materiál legovaný borem, kam nesmí přijít jiný typ materiálu vzhledem k absorpci nebezpečného záření. Proto je možné tyto články pro ukládání vyhořelého paliva svařovat pouze laserovým nebo elektronovým paprskem. Oproti tomu laserový svar díky rychlému ochlazení dosahuje větších tvrdostí, které lze v obloukových metodách redukovat použitím nízkouhlíkových nelegovaných feritických přídavných materiálů. Pro aplikace, kde není možné dokonale sesadit díly k sobě a je potřeba přídavný materiál jsou dvě alternativy řešení. Jednou je přidat materiál drátem (tzv. cold wire) nebo práškem. To se blíží klasickému svařování nebo navařování. Druhou alternativou je tzv. hybridní svařování. Jedná se o kombinaci laseru a obloukového svařování (nejčastěji MIG). Hybridní svařování je zavedeno ve specializovaných firmách, jedná se o poměrně technicky náročné zařízení, které není běžně dostupné. Jednou z hlavních nevýhod absence přídavného drátu je nedoplnění svarového kovu při horším sesazení svařovaných ploch. Spolu se snahou o zefektivnění svařovacího procesu to vede ke snaze modifikovat laser některým z dále jmenovaných způsobů. Základem je stále paprsek laseru s jeho přednostmi, doplněný o klasickou svářečku nebo alespoň přídavný materiál. Takovým způsobem lze modifikovat chemické složení svaru a tím i jeho mechanické, korozní a další vlastnosti. Je to poměrně nový způsob, dosud zavedený především pro pájení pozinkovaných plechů v automobilovém průmyslu. Lze ale očekávat rostoucí počet aplikací.

19/31

Stejně tak je možné drátem navařovat povrch. Je to méně efektivní způsob oproti prášku, lze ale navařovat i v jiných polohách než PA. Také výběr přídavných materiálů je v provedení pro drát větší, vyšší bývá ale i cena.

3.2.1 Hybridní svařování Hybridní svařování spočívá v kombinaci laserového paprsku s některou obloukovou metodou. Paprsek provádí hluboké a kvalitní svařování kořene bez přídavného matriálu, zatímco souběžně přivedená elektroda dodává obloukem chybějící přídavný materiál hlavě svaru. V porovnání s klasickým svařováním poskytuje hybridní způsob úsporu výrobního času i přídavného materiálu. Jednovrstvý svar je možné provádět bez přípravy svařovaných ploch do tl. více než 10mm, bez broušení, frézování. Dalším bonusem je vyšší rychlost svařování, podobně jako u prostého laserového svařování. Oproti němu ale přídavný materiál z elektrody doplní svarový kov a zvětší tavnou lázeň, takže klesají požadavky na přesnost sesazení spoje. MIG/MAG LASER HYBRID WELDING se stává stále populárnější nejen v automobilovém průmyslu, ale i v menších firmách vyrábějících díly pro dopravní techniku a strojírenství. Obvykle se svařují materiály se stěnou 2-10mm. V automobilovém sektoru jsou využívány např. u Volkswagenu nebo Audi, laserové zdroje mají výkon 2-4kW, svařovací rychlost 4m/min. Stejné platí pro nákladní a kolejovou techniku. Firma Meyer je výkladní skříní laserového svařování v lodním průmyslu, známá i v ČR. Používají lasery Nd:YAG do 6kW a CO2 lasery s výkony 25kW. Výkon současných laserů již umožňuje jejich aplikaci v energetice pro větší sílu stěny (přes 15mm) a rychlosti nad 1m/min. Letecký průmysl je dalším sektorem s potenciálem využití i pro svařování Ti a Al slitin. Jako první kombinoval TIG s laserem William Steen (autor asi nejlepší knihy o laserových aplikacích) na univerzitě v Londýně již v druhé polovině sedmdesátých let. Nová technologie musela na praktické využití dlouho počkat, prakticky až do konce století. Teprve s vyšším výkonem laseru, jeho nižší ceně a vylepšené účinnosti začal být uplatňován nejprve pro tenké plechy a později i pro silnější materiály. Výhody:     

Zvýšení produktivity až o 40% proti obloukovým metodám (zkrácení času svařování o 57 % u nízkolegované oceli tl. 10 mm) Méně přídavného materiálu (až o 70 % u nízkolegované oceli tl. 10 mm) Redukce přípravy spoje u silnějších materiálů, hlubší provaření v jedné vrstvě, lepší překlenutí mezery Menší deformace, zmenšení následných operací a rovnání Stabilní proces s vysokou kvalitou

20/31

Firma Fromius je lídrem v oboru hybridního laserového svařování

Na obrázku je vidět, nebo spíš tušit, uspořádání hlavy pro hybridní svařování. Je to ale jen konec celého zařízení, chybí zdroje laseru i oblouku a celá řada dalších maličkostí. V principu se zdá vše jednoduché, realita nastavení je složitější. Vpravo jsou řezy svarem s typickou geometrií. Úzký svar v kořeni tupého svaru minimalizuje tepelné ovlivnění materiálu, oblouk MIG/MAG nebo i TIG doplní hlavu a vzniká typický Y svar. U koutových svarů profilů mají někdy stavební projektanti požadavky na ostrý roh s minimálním rádiusem z vizuálních důvodů. Zde je laserové svařování bez přídavného materiálu ideálním nástrojem. Oproti tomu strojní konstruktéři zejména u dynamicky namáhaných konstrukcí volí rádiusy co největší s ohledem na snížení koncentrace napětí. Tady pak dominuje hybridní způsob. Hybridní svařování podporované plasmou se používá v aplikacích, kde je požadován menší vstup tepla než u LATIG, např. svařování polotovarů na míru (TWB – tailor welded blanks), přeplátované svařování galvanizovaných ocelí, svařování hliníku a tenkých ocelových plechů. Dochází zde k synergické interakci laserového záření a plasmového oblouku, který předehřívá povrch obrobku bezprostředně před dopadem svazku, zvyšuje absorptivitu povrchu a zároveň je laserovým svazkem usměrňován. Galvanizované oceli jsou používány pro výrobu skeletů automobilů (BWI - body-in-white) z důvodu zajištění odolnosti proti korozi. Při laserovém svařování je povrchová vrstva zinku odpařena ještě před natavením základního materiálu (Tvar Zn = 907 °C, Tmelt Fe = 1500 °C) a unikající páry zinku způsobují vznik okují a pórovitost svaru. Při laserovém hybridním svařování je zinková vrstva předem odstraněna čelním plasmovým obloukem a nedochází tak ke vzniku defektů, což dokazují výsledky experimentu s ocelí JIS G 3302 1 mm silné. Technologie LALP (liquid assisted laser processing) jsou rozvíjeny v posledních 25 letech, řada z nich je patentována a již průmyslově využívána. Ucelený přehled dosavadních výsledků zpracoval velmi podrobně A. Kruusing v publikaci. Kromě vody jsou využívány další kapaliny jako např. organická rozpouštědla, tekuté kovy (rtuť, galium), roztavené soli (NaNO3, KNO3) nebo v některých případech kapaliny ve zmrazeném stavu (led, pevný dusík a čpavek). Cílem ponoření obrobku do vhodné transparentní kapaliny během laserového řezání a vrtání je zamezit ulpívání spalin a okují na kontuře řezu nebo otvoru, eliminace kuželovitosti otvoru, omezení rozsahu tepelně ovlivněné zóny chlazením, záchyt pracovních plynů a zplodin

21/31

nebo zamezení praskání křehkých materiálů. Laserovou ablací pevných látek, ponořených do kapaliny, jsou vytvářeny koloidní mikro a nanočástice stříbra, mědi, platiny a dalších kovů, využívaných v nanotechnologiích. Unikátní technologie Laser MicroJet® byla vyvinuta ve Federálním technickém institutu, Lausanne, Švýcarsko a je exklusivně vyráběna ve firmě SYNOVA. Laserový svazek pulsního Nd:YAG laseru o průměrném výkonu 10 W – 200 W je veden vodním paprskem o nízkém tlaku a průřezu 25 m – 100 m, který chladí hrany řezu a efektivně odstraňuje okuje z řezné spáry. Eliminují se tak tepelná poškození obrobku, kontaminace okujemi, oxidace hran a vznik mikrotrhlin. Voda plní funkci optického vlákna, kdy k totálnímu odrazu záření dochází na rozhraní s okolním vzduchem a laserová stopa si udržuje konstantní průměr. Technologie je zvláště vhodná pro křehké a tvrdé materiály jako např. polovodiče (křemík, karbid křemíku, arsenid galia), keramiku, polykrystalický diamant, kubický nitrid bóru a nitrid křemíku, z kovů pak pro nerez, mosaz a materiály s tvarovou pamětí (Nitinol).

Princip technologie Laser MicroJet®

3.2.2 Svařování horkým drátem Při hybridním svařování ovlivňuje výsledek řada parametrů a celý proces je poměrně složitě nastavitelný. Celky pro hybridní svařování jsou drahá zařízení. Lze to zjednodušit tzv. horkým drátem. Pod laserový paprsek je přiváděn drát jako při hybridním způsobu, nižší proudy však neumožňují vznik oblouku a drát je pouze ohříván. K jeho tavení dochází až interakcí s laserovým paprskem. Odpadá tak řada parametrů, stačí pouze slabý zdroj i slabší laser. 3.2.3 Svařování studeným drátem Ještě jednodušší alternativou je svařování a navařování pomocí studeného drátu. Většina energie laseru provede zavaření, část je ale absorbována drátem, který se taví a dodává chybějící materiál do svaru. Celá sestava je velmi jednoduchá – k laserové svařovací hlavě je připojen podavač drátu, obr. 2. Ten musí být nezbytně synchronizován se zapínáním laseru a vzhledem k průměru paprsku (desetiny milimetru) přiváděn s velkou přesností do tavné lázně.

22/31

Variantou je i provést nejprve svar laserem a v druhém kroku přídavným drátem doplnit hlavu svaru nebo rádius svaru koutového. Což významně řeší nejzásadnější problém laserů – přesnost sesazení spoje při zachování vysokých svařovacích rychlostí. Vhodná volba drátu opět může zmírňovat tvrdost svaru atd. Metodou cold wire welding a navařováním pomocí drátu se v současnosti firma MATEX PM zabývá velmi intenzivně. Metoda by měla být zavedena v létě do rutinní nabídky firmy, která tak bude, dle dostupných informací, jedinou společností v ČR nabízející tento proces. Běžně zavedenou modifikací je pájení pomocí laseru. Uspořádání je stejné, jen drát není ocelový, ale jako měděná pájka. Tento způsob jako první zavedli opět automobilky, kde nahradil svařování nejprve na kufrech aut, v místech s častým výskytem koroze. Plechy jsou pozinkované, při svařování docházelo k odpařování zinku a odtud ta následná koroze. Jiným případem uplatnění laserového pájení jsou obtížně svařitelné materiály.

Laserová hlava s přídavným drátem

3.2.4 Svařování s indukčním předehřevem a dohřevem Jako ostatní metody má i svařování laserem svá omezení u vysokouhlíkových a legovaných materiálů. Přestože se svařují většinou tenčí plechy. Klasický předehřev je vzhledem k robotizaci a rychlosti svařování těžko proveditelný. Objevují se studie a experimenty, kdy je přidán induktor, který předehřev nebo dohřev zvládne a problémy s praskáním a tvrdostí svaru jsou odstraněny. Laser se používá také ke kalení a navařování vrstev, jak je zřejmé z ostatních příspěvků. I tam má induktor příznivý účinek na potlačení trhlin. Nemusí to být ani za cenu většího vneseného tepla, protože výsledky ukazují až zdvojnásobení rychlosti laserového procesu! Za jednotku času se hybridním způsobem (laser + induktor) nanese více navařovaného prášku, provede se delší svar nebo je hloubka prokalení větší. Jinými slovy: buď se vyrobí víc, nebo lze ušetřit náklady pořízením slabšího (a tím levnějšího) laserového zdroje.

23/31

Indukční předehřev při svařování vysokouhlíkových ocelí a litin, svar bez předehřevu a s předehřevem.

3.3 Nové technologie

3.3.1 Příklad náhrady konvenční TIG nebo odporové technologie laserovou Typická linka pro výrobu svařovaných trubek se skládá ze série tvářecích válců „rolen“, pro vytvarování rovného pásu plechu, který vstupuje do linky z cívky. Uprostřed linky se umisťuje svářecí uzel, kde je profil přesně pozicován, svarová spára se udržuje ve správné pozici, někdy se pod svar přivádí ochranný plyn, provádí se on-line kontrola svaru apod. Někdy následuje vyžíhání svaru pomocí indukce nebo hořáku. Na konci linky se nachází řezačka, která dělí profily na předepsanou délku a manipulátor pro jejich skládání. Obvykle se v těchto výrobních linkách používá svařování TIGem nebo indukcí. Díky spolupráci uvedených firem jsou nyní nabízeny linky s laserovým sváření, případně upgrade konvenčních linek na laserové.

24/31

Rychlost svařování Za nejdůležitější parametr těchto výrobních linek bývá uváděna rychlost výroby, ta je omezena zejména rychlostí svařování, případně dělení na konci linky. Pro ilustraci budeme dále uvažovat nejběžnější konfiguraci, tedy spoj natupo a tloušťku materiálu 1mm. V případě laserového sváření je dnešními lasery snadno dosažitelná rychlost 10 m/min, což je podstatně více, než u konvenčního TIGu, ale méně, než u sváření indukcí. Avšak laser dosahuje těchto rychlostí i u větších tlouštěk materiálu, i u austenitických ocelí, je to jen otázka výše investice do výkonu laseru. V současné době se uvádí do provozu laserová linka s rychlostí přes 20 m/min.

Vnesené teplo a spotřeba energie Největší technologický rozdíl mezi laserovým a konvenčním svařováním je v mnohem nižším vneseném teplu v případě laseru. To je způsobeno velmi vysokou hustotou dodávaného výkonu a projevuje se mj. úzkým a hlubokým svarem s rychlým přenosem tepla ze spoje do okolního materiálu. Výpočtem a realistickým odhadem absorpce energie laseru jsme porovnávali množství dodané energie do materiálu pro svar vysokopevné oceli tl. 1 mm. V případě laseru činí přibližně 15 J/cm , oproti tomu v případě TIGu 60 J/cm a pro MAG 85 J/cm. Tento výpočet je klíčový pro stanovení provozních nákladů (viz dále) a má významnou souvislost s mechanickými vlastnostmi svarového spoje. Ty jsou obvykle výrazně lepší v případě laseru, ovšem rychlé ochlazování a příliš velká svařovací rychlost může přinášet nečekané problémy. Mechanické vlastnosti svarového spoje Každý svarový spoj, ať je vytvořen jakkoli, má tři základní oblasti – přetavenou oblast, tepelně ovlivněnou oblast a přechodovou zónu do základního materiálu. Laserové svařování obvykle vytváří úzké a hluboké svary díky vysokým rychlostem ochlazování. To je velmi výhodné, neboť důsledkem jsou nízké deformace svařenců a nízká degradace základního materiálu. Ovšem rychlé ochlazování může být problematické, pokud se svařují oeli s vyšším obsahem uhlíku, zejména pokud je svařenec vystaven cyklickému namáhání. V tom případě může být tepelně ovlivněná oblast příliš tvrdá a náchylná ke tvorbě trhlin. Tento problém je řešitelný pečlivým vývojem technologie, tedy vhodným laserovým zdrojem, správným nastavením procesních parametrů jako je průměr ohniska, rychlost atd. V některých případech je třeba použít i předehře nebo dohřev. Po odladění technologie je možné laserem svařovati i „problematické“ oceli rychleji a kvalitněji než s jakoukoliv jinou technologií. Velmi perspektivní je např. svařování vysokopevnostních ocelí pro použití v moderních konstrukcích „lehkých“ dopravních automobilů i jiných dopravních prostředků. Laserové svary zachovávají zároveň pevnost i plasticitu těchto ocelí. Oproti tomu konvenční svary ničí ve velkém rozsahu mikrostrukturu těchto ocelí a degradují jejich mechanické vlastnosti na úroveň obyčejné konstrukční oceli.

25/31

Kvalita svarového spoje Další otázkou je kvalita svaru a její stabilita během dlouhodobě provozované produkce. Obecně, laserové svary mají vyšší kvalitu, menší deformace, nižší oxidaci povrchu atd. Rozstřik na vnitřní straně je obvykle minimální a to i bez použití plynu pro formování kořene. Vysoká kvalita spoje bývá jedním z hlavních argumentů hovořícím pro výběr laserové technologie. Avšak nároky na správné nastavení technologie a zejména na spolehlivost jsou mnohem vyšší, neboť proces pracuje mnohem rychleji a ve velmi malém bodě. Není tedy možné manuálně korigovat proces a reagovat na případné nedokonalosti. Dodavatel musí dodat systém co nejrobustnější, tak aby byl schopen udržet si správné nastavení po dlouhou dobu i v podmínkách těžkého průmyslového provozu. Velkou výhodou může být instalace automatického systému pro on-line kontrolu svaru, který je schopen sledovat geometrii svaru a stabilitu procesu. Tyto systémy se obvykle nejprve učí, jak probíhá správný, vzorový proces svařování, což zabere určitý čas a vyžaduje zkušenosti.

Provozní náklady Porovnejme si nyní celkové provozní náklady na jednotku délky svařeného profilu tloušťky 1,5 mm natupo. Pokud sečteme náklady na energie a ochranný plyn a ponecháme stranou amortizaci a náklady na personál, dostáváme typicky:

Technologie svařování

Náklady na 100 m svaru [Kč]

Indukční svařování

15

TIG

40

Plazmové svařování

60

Svařování CO2 laserem

30

Vláknový nebo diodový laser

6

Tab.1. Porovnání provozních nákladů různých metod svařování

Svařování VF indukcí je standardní technologie při výrobě běžných konstrukčních profilů. Má nízké provozní náklady zejména díky velmi vysoké rychlosti svařování, která dosahuje kolem 80 m/min. Na druhou stranu, kvalita svaru je omezená zejména vysokým vneseným teplem. Problém může být i vysoká energetická náročnost – je třeba počítat s přívodem energie v řádu stovek kW a k tomu odpovídající chlazení zdroje.

26/31

Sváření TIGem nebo plazmou se používá v aplikacích, kde je kladen důraz na kvalitu svaru, obvykle u nerezových materiálů. TIG je omezen zejména rychlostí svařování, zejména u silnějších materiálů. Velký vliv na celkové náklady má spotřeba plynů, zejména pokud je nutná i ochrana kořene. Z tabulky je patrný rozdíl mezi CO2 lasery a vláknovými nebo diodovými lasery. Ten je způsoben zejména tím, že tyto lasery nepotřebují „laserový plyn“ a mají zhruba dvojnásobnou elektrickou účinnost. Další výhodou je zhruba dvojnásobná absorpce laserového záření díky jeho 10x kratší vlnové délce. Z toho vyplývá, že k dosažení stejné produktivity postačuje mnohem nižší výkon laseru. Existují však stále aplikace, kde jsou CO2 lasery nepřekonatelné a to zejména díky jejich vynikající kvalitě svazku, neboli možnosti zaostření do velmi úzkého paprsku. Problémy laserových svářecích linek Existuje několik omezení pro výrobce linek i pro jejich provozovatele – zejména laserová bezpečnost. Obsluha i majitel zařízení musí porozumět této problematice. Nikdy nebudou moci sledovat proces za chodu přímo bez ochranných brýlí jako u konvenčního systému. Laserový systém je také citlivý na přesné geometrické nastavení optiky. Nesprávné nebo nestabilní mechanické části mohou způsobovat kolísání kvality svaru, které se navíc obtížně zjišťuje. Stavba nových výrobních linek je vždy velká investice, proto bývá někdy výhodné přestavět konvenční systém na laserový. Cena laserového zdroje, změny technologie a výměna svářecího uzlu je v každém případě mnohem nižší než cena za novou konvenční linku. Například systém se svářením TIGem a rychlostí 0,5 m/min lze přestavět na laserové sváření s produktivitou 3 m/min, mnohem vyšší kvalitou svaru a řádově nižšími provozními náklady.

3.3.2 Zabudování laseru do CNC strojů Současné zdroje laserů jsou malé a mobilní, takže je možné v budoucnu předpokládat přímé zapojení laserů v automatických obráběcích a tvářecích strojích. Jsou známé příklady kalení náběžných hran turbinových lopatek po obrobení, lokální kalení po obrobení dílů pro automobilový průmysl. Začínají se objevovat také spojení laseru s tvářecími stroji, kde při tváření vysokopevných ocelí s velkým přetvárným odporem a náchylností k praskání mohou být kritická místa předehřáta nebo vyžíhána. Používá se laser i v nábytkářství, kde s jeho pomocí dochází k olepování hran dřevěných desek s kapacitou mnoha kilometrů ročně. Možné bude zjevně i obrábění a vrtání třeba těžko přístupných otvorů v obrobku. 3.2.3 Rapid prototyping Výroba 3D dílů je v současnosti velmi moderní. 3D tiskárny však často pracují s nekovovými materiály (a tedy nízkými mechanickými vlastnostmi). S toho pramení omezené použití pro prototypy, které mají vydržet jen limitovanou životnost. Sintrováním kovových prášků je možné připravit kovové díly. Lze očekávat výrazně lepší vlastnosti díky jemnozrnnosti struktury, zejména vytvrzujících karbidů a jejich rovnoměrnému rozložení. Tento obor se momentálně rychle rozvíjí, hlavním tématem je navařování monokrystalických turbinových

27/31

lopatek z niklových slitin, různých lisovacích forem pro prototypy a také protetika a zdravotnictví, např. zubní implantáty.

3.3 Remote welding Svařování na dálku. Tak by se dal přeložit název metody, která je v současnosti středem zájmu řady výzkumných institucí. Zatím nezmíněnou výhodou laseru je i to, že pracuje v u určité vzdálenosti od povrchu, obvykle v řádu několika desítek centimetrů v závislosti na použité optice. Je možné svařovat i těžce přístupných místech. Ke svaru je přiváděn tryskou ochranný plyn a pohyb paprsku zajišťuje robot. Stávající lasery mají velmi dobrou kvalitu svazku – svazek se nerozbíhá a intenzita je stejná jak po příčném průřezu, tak po délce svazku. Důsledkem je omezení citlivosti na přesném nastavení polohy ohniska a svar je stále kvalitní. To umožňuje svařovat i na vzdálenost mnoha decimetrů. Laser je umístěn ve stropu svařovací cely a je rozmítán náklonným zrcátkem. To umožňuje obrovské svařovací rychlosti s minimem prodlev při změně pozice, zejména u tvarově složitých dílů. Hlavním zájemcem jsou automobilky, kde se jedná o svařování větších celků, jako jsou komplety dveří, střechy a blatníky, rámy sedadel apod.

3.4 Řízení procesu Existuje celá řada systémů pro on-line sledování kvality procesu, resp. jeho regulaci. Přesto jsou tyto systémy velmi drahé a poměrně nedokonalé. Proto je zde ještě velký prostor pro vývoj. Při svařování laserem bývá největším problémem dodržení velmi těsného kontaktu svařovaných ploch a velmi přesné pozice paprsku vůči mezeře. Průměr ohniska laseru může být pouze 0,2mm, pak je nutné udržet toleranci maximálně do 0,1mm, to už je mimo možnosti robotů. Obvykle se proto pracuje s většími průměry paprsku, kolem 0,4-1mm. Nepřesnosti pozice paprsku jsou způsobeny jednak výrobními tolerancemi polotovarů a jednak deformacemi vzniklými v průběhu svařování. Adaptace pohybu robota se provádí buď korekcí naprogramovaných bodů, tedy přímo v řídícím systému robota, nebo pomocí přídavných lineárních os, které jsou ovládány nezávisle na řízení robota. Vstupem pro tyto korekce bývá nejčastěji signál z laserového snímače vzdálenosti. Ten je schopen korigovat výšku optiky nad povrchem. Ke snímání pozice svařované spáry v příčném směru (seam tracking) se používají speciální laserové snímače spojené se softwarem pro analýzu obrazu, který vyhodnocuje nejen pozici, ale i např. výškové přesazení při spojích na tupo. Tyto systémy fungují spolehlivě u koutových svarů, ale u svarů na tupo mají stále vážné potíže. Je třeba si uvědomit, že povrch oceli může být leštěný, pozinkovaný nebo různě znečištěný, svařovací rychlosti dosahují až 20m/min, při svařování vzniká oblak plazmatu, který přesvětluje paprsek měřicího laseru, dochází k jeho znečištění atd. Rozšířením uvedeného systému je možné zkontrolovat svar po procesu, v podstatě se po celé délce svaru přejede robotem ještě jednou s vypnutým laserem, snímací systém proměří geometrii svaru a vyhodnotí, zda nedochází k propadnutí povrchu, zápalům nebo přílišnému rozstřiku.

28/31

Existují také systémy pro sledování vlastního svařovacího procesu založené na různých principech, například – pomocí optického emisního spektrometru je snadné sledovat intenzitu a poměr intenzit vybraných spektrálních čar Fe. Z toho lze zjistit teplotu plazmatu ve svařovaném místě a stabilitu procesu. Odhalí se tak neprůvary, porozita, nepřesnosti sesazení i problémy s ochranným plynem. Podobné informace dává i sledování elektrického náboje nad svařovaným místem, v podstatě se tak sledují některé parametry plazmatu. Akustickými snímači lze zjistit změny v procesu, subjektivně to pozná i zkušený operátor, zvuk při svařování se změní např. vlivem nepřesné pozice laseru nebo při nečistotách ve spáře. Automatické systémy lze „naučit“ správný stav a tak sledovat zda v automatickém provozu nedochází k odchylkám. Lze také snadno zachytit i např. praskání po svařování.

4 Doporučená témata pro projekty Na základě výše uvedeného přehledu vývojových trendů doporučujeme při poskytování podpory z veřejných zdrojů na výzkumné a vývojové aktivity upřednostnit projekty zaměřené na následující tematické okruhy: Pro výkonové lasery s kontinuálním výkonem Pro svařování  Vývoj diagnostických metod a senzorů pro kontrolu svařovacího procesu a kvality svarů  Předehřev a dohřev v rychlých svařovacích procesech  Vnitřní pnutí a deformace laserem svařených konstrukcí pro svařování silnostěnných dílů  Studium vlastností laserových svarů a korelace s ostatními tavnými svařovacími procesy s ohledem na únavové, korozní a creepové chování  Remote welding s využitím vláknových a diskových laserů s vysokou kvalitou paprsku  Kombinace laserového paprsku a dalších svařovacích technologií do hybridních zařízení  Vývoj svařovacích postupů pro heterogenní spoje kov-plast-sklo-keramika-neželezné sitiny  Náhrady obloukových svařovacích (TIG, MIG, PAW…) způsobů laserovými ve svařovacích linkách Pro kalení  Zabudování laseru jako pracovního nástroje do CNC obráběcích strojů  Laserové sintrování práškových materiálů Pro navařování  Simulace pnutí v navařovaných vrstvách pro možnost predikce chování navařených vrstev s ohledem na vznik trhlin a dalších defektů  Vývoj vrstev s gradientní strukturou a chemickým složením  Aplikace v nových oblastech a aplikacích  Vývoj nových materiálů prášků pro speciální aplikace s ohledem na laserový proces

29/31

 Vývoj vrstev s definovanou porositou pro kloubní náhrady  Hybridní technologie kombinující laser s dalším zdrojem tepla pro zvětšení efektivity procesu  Přímé vytváření 3D kovových dílů – rapid prototyping

Pro pulzní lasery  Strukturování povrchu a vytváření textur  Mikroobrábění a mikrořezání  Mikro rapid prototyping v protetice, kloubních a zubních náhradách  Femtosekundové lasery

30/31

5 Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [11] [12] [15] [16]

Steen M. W., Mazumder J. 062-8 Duley W.: Laser welding

Laser Material Processing. Springer, 2003 978-1-84996John Wiley & Sons, Inc., 1999

Ion C. J.,: Laser processing of engineering materials. Elsevier, 2005 Majumdar, J. D., Manna, I., Laser processing of materials. Sadhana, 2003 de Oliveira U.O.B. Laser treatment of alloys:processing, microstructure and structural properties. PhD Rijksuniversity Groningen, Netherlands, 2007 978-9077172-23-0 Heston T.: Two processes sometimes are better than one, 2010. www.thefabricator.com Kuncipál, Pilous, Dunovský Nové technologie ve svařování. SNTL 1984 Ready J.F. LIA handbook of laser material processing Magnolia publishing, 2001. 0-941463-02-8 Hwang J.-H. a kol. Laser surface hardening of gray cast iron used for piston ring. Journal of Materials Engineering and Performance, 2002, Vol. 11 (3), s. 294-300 ZENGYI T., JIAMING L. Influence of surface hardening on contact fatique life of nodular cast iron. Acta Metallurgica Sinica, 1990, Vol. 3, No.3, p. 188-193. Monteiro W.A., Silva E.M., de Rossi W. Evaluation of the laser superficial hardening in gray cast iron used in automobile industry. 3.Int. Conf on Integrity, Reliability and Failure, 20.-24.7.2009, Porto, Portugal http://www.ccl.fraunhofer.org/

31/31