na robotizovaných pracovištích

technologie svařování

Současná moderní technika pro laserové aplikace

– na robotizovaných pracovištích Daniel Hadyna, Hadyna - International, Ostrava, www.hadyna.cz

V současné době stoupají požadavky na produktivnější metody svařování, navařování nebo povrchového kalení. Využití laserových technologií pro tyto účely produktivitu práce zcela jistě zvyšují. Tímto článkem chceme nastínit obecné možnosti současné techniky používané pro tyto technologie, pokud jsou obsluhovány – neseny průmyslovým robotem. Tento článek vychází z našich praktických zkušeností, z návštěv mezinárodních výstav a uživatelů těchto zmiňovaných technologií. Obecně platí, že laserové hlavy pro svařování, řezání, kalení nebo navařování nelze používat pro ruční aplikace. Proto jsou neseny buď průmyslovým robotem nebo jinými, např. 3osými nebo také víceosými přesnými manipulátory. To platí především pro laserové řezání, které je u nás velice rozšířené. Přesto je možná vhodné zmínit zajímavý trend pro laserové svařování. Na výstavě „JAPAN INTERNATIONAL WELDING SHOW 2014“, která se konala v Tokiu, jsme viděli min. 10 různých expozic, které se věnovaly ručnímu laserovému svařování. V uzavřené kabině seděl svářeč, který měl na očích speciální brýle. Prováděl ruční svařování laserem, především se jednalo o svařování tenkých plechů (viz obrázek). Ovšem tyto technologie k nám do České nebo Slovenské republiky zatím komerčně nedorazily.

1. O becné informace o použití robotů pro laserové technologie Většina aplikací pro laserové svařování, navařování a povrchové kalení kovů využívá pro polohování laserových hlav průmyslový 6osý robot. Má to své výhody. Robot přináší poměrně velkou univerzálnost pro nasazení laserových tech-

Na výstavě svařovací techniky v Tokiu se ručnímu laserovému svařování věnovalo více než 10 velkých expozic. Svářeč se speciálními brýlemi na očích provádí svařování hořákem pro laserové svařování. Na celé výstavě jsme napočítali více než 30 takto svařujících techniků. 4/

nologií. Jeho limitem je pouze dosah robota a dostupnost dané laserové hlavy k místům jejich práce (např. k místům svařování). Výhodou je také možnost jednotlivé laserové technologie spolu navzájem kombinovat, je-li robot vybaven výměnným systémem hlav ve svém zápěstí.

Vhodný průmyslový robot Průmyslových robotů se na našem trhu nabízí celá řada. Technicky se roboti liší svými parametry, svými technickými vlastnostmi. Pro laserové aplikace je rozhodující opakovaná přesnost najetí robota do bodu v rámci jeho optimálního dosahu a nosnosti. Co se týká opakované přesnosti robota, pro laserové aplikace, především pro laserové svařování, je vhodné použít robota s hodnotou jeho opakované přesnosti do ±0,08 mm. Je nutné si také uvědomit, že čím má robot více natažené rameno, tím se tento parametr zhoršuje. Je to dáno konstrukčním řešením robota a obecně to platí pro všechny značky průmyslových robotů. Proto bychom měli volit dostatečný dosah robota tak, aby se oblast jeho práce nacházela optimálně kolem poloviny vzdálenosti jeho maximálního dosahu. Uveďme si příklad. Pokud má např. robot dosah 2 000 mm od jeho centrální osy, jeho optimální opakovanou přesnost lze využít v rozsahu 500–1500 mm od jeho centrální osy. To neznamená, že robot nemůže pracovat přesně na dílcích umístěných dále od tohoto optimálního umístění. Jen bude mít menší opakovanou přesnost, a pokud budou např. svařované dílce ve větších rozměrových tolerancích, mohou se ve svarech objevovat drobné vady. Opakovaná přesnost robota také souvisí s jeho max. nosností, resp. s hmotností laserové hlavy. Pro laserové aplikace je vhodné, aby měl robot dostatečnou rezervu, co se týče jeho max. nosnosti. Laserové hlavy nejsou zpravidla příliš hmotné. Svařovací hlava může vážit kolem 5 kg, kalicí hlava pak kolem 15 kg. Zjednodušeně lze říct, že čím více robota zatížíte, tím vzniká jeho větší nejistota v plynulosti pohybu a zhoršuje se jeho přesnost. Proto je vhodné, aby měl daný robot 2x větší nosnost, než je hmotnost jeho laserové hlavy. Pro laserové aplikace by měl mít robot nosnost min. 35 kg, lépe 50 kg. SVĚT SVARU 2/2015


poškození očí. Při laserovém svařování, navařování a povrchovém kalení se běžně využívají výkony laserového paprsku 1 až 6 kW! Proto je nutné celou technologii světlotěsně uzavřít do speciálně k tomu určené světlotěsné kabiny, která zaručí, že laserový paprsek, případně jeho odraz od lesklých okolních ploch, nepronikne vně této kabiny a nezpůsobí obsluze nebo jiným pracovníkům úraz. Světlotěsnost musí být zajištěna také u vstupních dveří do kabiny. Kabina musí mít rovněž strop.

Vhodný model provedení, použití polohovadel

Šestiosý průmyslový robot pro laserovou aplikaci svařování. Má opakovanou přesnost ±0,07 mm a dosah 2 500 mm od své centrální osy. Jeho nosnost činí 35 kg.

Pro laserové aplikace lze použít celou řadu různých modelů robotizovaných pracovišť, které mohou být vybaveny jednoosými nebo dvouosými polohovadly. Pokud je potřeba použít robotizované pracoviště pro laserové aplikace ve velkosériové výrobě, je vhodné použít model se dvěma nebo i více stanovišti. Na jednom stanovišti obsluha vyjímá již hotové dílce z upínacích přípravků a vkládá zpět polotovary. Na druhém stanovišti pak robot provádí svou práci. Neztrácí se tak čas a robot nemusí na obsluhu čekat, až mu operátor upne dílce do upínacích přípravků. Pokud se pracoviště používá pro kusovou výrobu, pak stačí model robotizovaného pracoviště s jedním stanovištěm. Je také pravdou, že toto stanoviště může využívat více typů polohovadel, případně také pevný upínací stůl. Především pro laserové svařování je nutné zajistit nejlepší pozici laserového paprsku vůči místu svařování, tedy pozici shora (PA). Většina svařenců je však členitá a je nutné je pod laserovou hlavou natáčet, nebo také naklápět. K tomuto účelu slouží právě robotická polohovadla. Polohovadlo má upínací desku, na kterou se připevní upínací přípravek. Dílec se pak upne do upínacích přípravků a polohovadlo při práci robota zajišťuje optimální pozici dílce vůči laserové hlavě. Pohyb každého typu polohovadla by měl být plně synchronizován s pohybem robota. Pokud jsou dílce malých rozměrů, je vhodné použít dvouosá polohovadla. U dlouhých dílců se pak používají jednoosá polohovadla.

Informace o výkonech zdroje laserového paprsku, možnosti napojení více laserových hlav

Světlotěsná kabina pro robotizované pracoviště pro laserové svařování. Kabina obsahuje rovněž strop. Tento model robotizovaného pracoviště má dvě stanoviště. Každé je vybaveno dvouosým polohovadlem.

Světlotěsná kabina Veškeré robotické aplikace pro laserové nasazení je nutné uzavřít do tzv. světlotěsné kabiny. Robot umožňuje pohyb laserové hlavy ve 3D prostoru. V zásadě ji může robot natočit jakkoliv – nahoru, dolů, stranou apod. Tím vzniká riziko zasažení osob v jeho blízkosti laserovým paprskem. Např. už 0,2 W výkonu laserového paprsku může způsobit nevratné SVĚT SVARU 2/2015

Laserové aplikace typu svařování, povrchové kalení nebo navařování potřebují výkon laserového paprsku v rozsahu 1–5 kW. Pro zvláštní aplikace pak až 6 kW. Pro laserové svařování obecně platí, že pro jeden mm průvaru běžné uhlíkové oceli je potřeba 1 kW výkonu laserového paprsku. Pro svařování plechu o síle stěny 1,5 mm je tedy vhodné použít zdroj laserového paprsku, který bude mít min. 2,5–3 kW. Je potřeba počítat s malou rezervou výkonu zdroje paprsku, aby nepracoval při své práci na 100 %. Zdroj laserového paprsku může obsluhovat více laserových zařízení. Zdroj laseru může obsluhovat více laserových technologií nebo i strojů. Např. řezací stroj a k němu robotizované laserové svařovací/kalicí/navařovací pracoviště. Tyto stroje nemohou pracovat současně. Zdroj může dodávat výkon pouze pro jednu laserovou hlavu. Ovšem pokud je firma majitelem např. laserového řezacího stroje od společnosti Trumpf typ TruLaser 5030, může si /5


k němu pořídit robotizované pracoviště, které bude moci využívat pro laserové technologie výkon laseru řezacího stroje až do 5 kW.

Optika a její údržba

Dvouosé svařovací polohovadlo umožňuje upnout dílec na jeho upínací desku. Ta pak může dílec jak otáčet, tak také naklápět do stran. Oba pohyby polohovadla jsou plně synchronizovány s pohyby robota.

Veškeré laserové hlavy jsou v podstatě optickými zařízeními, přes které je laserový paprsek veden „na“ nebo „do“ základního materiálu pro daný účel práce. Každá laserová hlava je napojena na světlovodný kabel, který přivádí laserový paprsek ze zdroje laserového paprsku. Obecně platí, že každé smítko, prach nebo špína, která bude stát v cestě laserového paprsku při jeho průchodu optikou, a to kdekoliv na přívodu laserového paprsku, způsobuje neprůchodnost laserového paprsku. Na takovém místě se pak hromadí především tepelná energie a dochází pak k poškození tohoto dílčího uzlu optiky. Proto jsou optické hlavy vybaveny ochrannými prvky, které zabraňují ulpívání nečistot na výstupu z laserové hlavy. Hlavy jsou zpravidla vybaveny ofukem koncové optiky stlačeným vzduchem příp. inertním plynem (dusík, argon), ochrannými skly a různým částečným krytováním. Velmi často se rovněž používají ochranná skla – kazety pro hlídání úrovně jejich znečištění, které signalizují nadřazenému řídicímu systému max. mez znečištění ochranného skla. Po jejím dosažení se zařízení vypne a nelze jej spustit, dokud obsluha ochranné sklo nevyčistí, případně neprovede jeho výměnu. Laserové optiky jsou určené do běžného dílenského prostředí. Navíc jsou uzavřené ve světlotěsné kabině. Není tedy nutné se prachu na dílně přehnaně obávat. Zařízení jen vyžaduje skutečně pravidelnou údržbu, nelze ji jen tak zanedbávat.

Vhodný tvar laserového paprsku Pro každou laserovou technologii je potřeba stanovit vhodný zdroj laserového paprsku. Každý zdroj laserového paprsku má od výrobce dané hodnoty výstupního laserového paprsku, kterými je definovaný především úhlem rozevření paprsku, který pak vstupuje do materiálu. Velice zjednodušeně je to dáno několika technickými parametry, především však parametrem určeným v jednotách mm*mrad. Obecně platí, že čím nižší číslo tento parametr má, tím je paprsek užší a jeho účinná pracovní délka se prodlužuje. Více viz obrázek. Obecně platí, že pro řezání je potřeba co nejmenší úhel rozevření paprsku. Naopak pro např. nahřívání nebo svařování může být tato hodnota vyšší. Samozřejmě tato veličina má značný vliv na cenu zdroje laserového paprsku. Čím je úhel rozevření paprsku menší, tím je tento zdroj laserového paprsku dražší.

Programátor – operátor robota

Jednoosé horizontální polohovadlo otáčí s dílcem podél jeho horizontální osy. Na obrázku je vidět pohonná jednotka polohovadla, která má na lícní upínací desce uchycené sklíčidlo. Před touto jednotkou je odvalovací podpěrná jednotka. Také pohyb tohoto polohovadla je plně synchronizován s pohybem robota. 6/

Velmi důležitou úlohu pro úspěšné používání robotizovaného pracoviště pro laserové aplikace hraje dobrý technik – operátor/programátor. Ideální kvalifikací je svářeč pro aplikace laserového svařování a navařování. Pro laserové povrchové kalení kovů je nutná znalost metalurgie, případně technologie svařování. Proto by pro tuto aplikaci bylo vhodné vybrat metalurga nebo technologa, případně inženýra svařování. SVĚT SVARU 2/2015


Řada firem, které ještě nemají zkušenost s robotizovaným svařováním, si myslí, že vhodnou kvalifikací je programátor PC. Ovšem to je mýtus. Vždy je vhodnější vyškolit pracovníka, který má s danou technologií praktické zkušenosti, ať se nemusí neustále „někoho“ doptávat, jak má upravit parametry, aby dosáhl požadovaného technického/technologického výsledku. Ještě malá poznámka, je vhodné takového pracovníka pak lépe zaplatit. Mnohokrát se již stalo, že pro práci na robotizovaném pracovišti byl vyškolen pracovník, který pak obsluhou a programováním robota získal velké praktické zkušenosti. A pak např. z finančních důvodů odešel do jiné firmy. Samozřejmě si sebou odnesl veškerou praktickou znalost celé problematiky, kterou se pak musel jiný pracovník učit znovu od začátku.

Kvalitní dodavatel – partner pro danou laserovou aplikaci Výběr kvalitního dodavatele robotizovaného pracoviště pro laserové aplikace je téma pro samostatný článek. V České a Slovenské republice působí více než 30 dodavatelů robotizovaných pracovišť. Ovšem většina z nich nemá žádné zkušenosti s vývojem a výrobou robotizovaných pracovišť, stroje nakupují v zahraničí a neodborně je pak instalují na našem trhu. Měli jsme možnost vidět různá robotizovaná pracoviště, která nikdy nefungovala – dodavatelská firma chybně odhadla možnosti jejich použití. Také jsme viděli robotizovaná pracoviště, která nebyla plně zakrytovaná. Robot pro laserové svařování byl ohraničen pouze pevným plotem o výšce 1 800 mm, bez střechy, bez světlotěsného provedení. Na takovém pracovišti, kde Vám hrozí oslepnutí, by asi nikdo z nás nechtěl pracovat. Obecně však platí – ptejte se na reference, zajeďte se k těmto referencím podívat a ptejte se na zkušenosti s daným dodavatelem. Dodavatel musí mít vlastní vývoj a nejlépe i výrobu komponentů pro robotizovaná pracoviště. Dodatel musí mít potřebná živnostenská oprávnění, především vázanou živnost na opravy a instalace elektrických průmyslových zařízení. Dodavatel by měl mít více než jed-

Příklad zdroje pro laserové aplikace na robotizovaných pracovištích od společnosti Trumpf s max. výkonem 4 kW. Zdroj může obsahovat také více výstupu pro světlovodné kabely, které mohou obsluhovat více laserových hlav (svařovací, kalicí, navařovací, řezací). SVĚT SVARU 2/2015

Obecný příklad tvaru laserového paprsku při dvou různých hodnotách úhlu rozevření laserového paprsku při průchodu plechem o tloušťce např. 3 mm. Tvar laserového paprsku při hodnotě 4 mm*mrad umožňuje použití tohoto typu laserového zdroje jak pro laserové řezání, tak také např. pro laserové svařování. Při hodnotě 16 mm*mrad tvar laserového paprsku již neumožní přesné řezání takto silného materiálu. Řezaná plocha by byla oblá a velmi nepřesná. Takový zdroj lze tedy použít např. pouze pro laserové svařování, nahřívání apod.

Filtrační jednotka pro světlotěsnou kabinu o velikosti 12 x 6 x 3 m. Její celkový sací výkon činí 4000 m3/hod. /7


noho servisního technika, který výhradně provádí podporu a školení, apod.

Odsávání zplodin

Princip práce laserové svařovací hlavy.

Při robotických laserových aplikacích se nesmí zapomínat na odsávání. Dýmy z těchto technologií obsahují jemné prachové částice, které je nutné odsát a vyfiltrovat. Pokud se jedná o laserové navařování práškem, pak je vhodné robotizované pracoviště vybavit rovněž průmyslovým vysavačem, který bude schopen tyto jemné prášky dokonale vysát. Pro světlotěsné kabiny je vhodné provádět odsávání pomocí digestoří umístěnými nad pracovním prostorem robota. Pro světlotěsnou kabinu o rozměru 4 x 4 x 3 m by měl být celkový sací výkon filtrační jednotky min. 2 500 m3/hod., lépe 3 000 m3/hod. Ve světlotěsné kabině je vhodné také zajistit větrání. Běžnou praxí je instalace pomocného ventilátoru, který do vyčištěného vzduchu vhání přes křížový tepelný výměník čerstvý vzduch z venkovního prostoru haly. Objem čerstvého vzduchu tvoří cca 5–25 % z celkového sacího výkonu hlavní filtrační jednotky.

2. Laserové svařování Laserové svařování pracuje na principu tavení základního svařovaného materiálu laserovým paprskem, který prochází přes laserovou svařovací hlavu a dopadá na místo svaru. V laserové svařovací hlavě je optika, která zaměřuje laserový paprsek do bodu pod laserovou svařovací hlavou ve vzdálenosti cca 100–250 mm. V tomto bodě má laserový paprsek největší energii. Podobně, jako u metody TIG, je nutné chránit taveninu svaru ochranným plynem. K tomuto se běžně používá argon nebo směsi argonu a hélia. Ochranný plyn se k místu svařování přivádí trubkovými nástavbami (viz obrázek).

Vhodná technika

Laserová svařovací hlava obsahuje trubkové nástavce, které přivádějí ochranný plyn argon k místu svařování.

Laserové svařovací hlavy lze rozdělit do dvou základních typů. S proměnlivým fokusem nebo s pevným fokusem. Hlavy s proměnlivým fokusem umožňují nastavení vzdálenosti fokusu od laserové hlavy. Běžná vzdálenost laserové svařovací hlavy, resp. výstupu laserového paprsku z její optiky, ke svařovanému materiálu je cca 150 mm. Proměnlivá fokusace je pak prováděna servomotorkem, který je řízen přímo programem robota. Mění se tím ohnisková vzdálenost optiky zpravidla o ±15 mm, aby při stejné trajektorii svařovací hlavy - při stejném pohybu hlavy uchycené na robotu - se ohnisko mohlo pohybovat směrem nahoru/dolů. Např. hluboko uvnitř svařovaného materiálu nebo při svařování rozdílných tlouštěk materiálu apod. To to má vliv na vzhled svaru, rostřik, trhliny apod. Tímto způsobem lze plynule přecházet z hlubokého svařování na svařování povrchové - teplovodivé (např. při designových svarech apod.) v průběhu jednoho pohybu robota. U laserových svařovacích hlav s pevným fokusem lze pak ohnisko měnit nastavováním různé výšky laserové hlavy nad svařovaným materiálem pomocí pohybu ramene robota směrem nahoru/dolů.

Základní výhody laserového svařování Optimální pozice pro laserové svařování je pozice PA, tedy shora. 8/

Hlavní výhodou laserového svařování je vysoká rychlost – produktivita svařování. Dále pak velmi malý svar s malou SVĚT SVARU 2/2015


tepelně ovlivněnou zónou. Tím je dána také významně vyšší pohledovost provedených svarů. Postupová rychlost laserového svařování je v porovnání se svařováním metodou TIG až 8x rychlejší. Typicky svařovaným dílcem mohou být dílce pro karoserie osobních, nákladních nebo kolejových vozidel. Dále různé komponenty pro nábytkářský nebo gastronomický průmysl (kliky, nohy, držáky, dřezy, nerezové stojany pro jídelny apod.). Nebo také dílce pro elektrotechnický průmysl, jako například elektrické skříně, držáky součástek, elektrická přemostění apod.

Úskalí laserového svařování Hlavním úskalím laserového svařování je dodržení opakované přesnosti svařovaných dílců. Např. u metody MIG/MAG obecně platí, že max. přípustná rozměrová tolerance svařovaných dílců pomocí svařovacího robota je do ±1,0 mm. U metody TIG pak do ± 0,5 mm. Ovšem u svařování laserem pomocí robota se jedná o max. rozměrovou toleranci dílců do ±0,2 mm. V opačném případě hrozí vznik vad ve svarech, především v podobě drobných dírek nebo nesvařených úseků v místě svaru. Tyto zmiňované hodnoty platí obecně. V řadě případů mohou být tyto hodnoty i nepatrně větší. Ovšem záleží na konkrétních podmínkách svařování. Proto také obecně platí, že svařování laserem by mělo být prováděné v pozici PA, tedy shora. Laserem natavený materiál, který je gravitací tlačený směrem dolů, tak překryje případné drobné nepřesnosti. Je vhodné použít např. dvouosá polohovadla, která umožňují s dílcem jak otáčet, tak jej také pod laserovou svařovací hlavu naklápět.

Typický svařenec např. pro gastronomii – nerezové větrací oběhové kolo.

Další typický svařenec – kryt pro elektrotechnické zařízení.

Možnosti navádění u svařovacích aplikací Pokud se svařují dílce, které jsou z tenkého materiálu, např. dílce pro automobilový průmysl, je nutné zajistit jejich přesnou polohu pro svařování. Pro tyto účely se zpravidla používají vysoce přesné a masivní upínací přípravky. Už jsme se zmínili o tom, že opakovaná rozměrová přesnost svařovaných dílců je pro laserové svařování klíčová. Existují však případy, kdy z technických nebo technologických důvodů nelze docílit této vysoké přesnosti. Pro tyto účely pak slouží dodatková výbava svařovacího robota, která slouží pro aktivní vyhledávání skutečných míst svařování. Jednou z možností je využití optického navádění robotů na místo svařování. Ovšem zde platí, že pokud můžeme zpřesnit výrobu polotovarů, abychom dosáhli vyšší opakované rozměrové přesnosti svařovaných dílců, je to rozhodně bezpečnější cesta. Optické navádění je v současné době moderní téma, ovšem přináší celou řadu úskalí a nelze jej univerzálně nasadit na jakýkoliv svar, jakýkoliv svařovaný dílec. O výhodách a úskalích optického navádění robotů jsme psali v čísle 3 v roce 2014. Tam se dočtete více informací.

Další typický svařenec – konzola pro nábytkový průmysl.

3. Laserové řezání Robotem lze rovněž provádět laserové řezání různých materiálů vč. kovů. Robot nese ve svém zápěstí řezací optiku, kterou pak podle programu polohuje nad řezaným dílcem a laserový paprsek pak řeže různé tvary ve 3D prostoru. SVĚT SVARU 2/2015

Další typický svařenec – ozdobný kryt pro části nábytku. /9


Základní výhody laserového řezání Hlavní výhodou laserového řezání je možnost řezání tvarových otvorů a řezů ve 3D prostoru v rámci dosahu použitého robota. Veškeré otvory jsou pak vůči sobě poměrně přesně umístěné, např. v opakované přesnosti kolem ±0,5 mm. Pokud se použije vhodný OFF-LINE program pro programování robota, pak je rovněž příprava řezacího programu robota poměrně rychlá a snadná.

Úskalí laserového řezání

Laserová kalicí hlava s adaptivním oscilačním bodem je nesena v zápěstí průmyslového robota.

Úskalí robotizovaného laserového řezání je několik. K těm hlavním patří snížená jistota pohybu robota, pokud je rameno v nataženém stavu v blízkosti limitu dosahu robota. Zde pak robot může ztrácet plynulost svého pohybu. Projeví se to především u řezů po oblouku. Řez může mít nepatrné zuby – plocha řezu nemusí být hladká. Druhou z hlavních úskalí je mít správný zdroj laserového paprsku, který bude mít nízký úhel rozevření paprsku, který je především dán parametrem mm*mrad (viz informace uvedené na začátku tohoto článku). Pokud bude rozevření paprsku velké, nemusí se řez vůbec podařit – hustota laserového paprsku bude příliš malá a paprsek neprojde celou řeznou tloušťkou. Případně dojde k řezání, ovšem dojde k podkosení řezané plochy, hrany řezaného materiálu mohou být zaoblené apod.

4. Laserové povrchové kalení kovů

Laserová kalicí hlava s pevným bodem vrhne na kalený materiál bod ve tvaru např. obdélníku o velikosti cca 1 x 3 mm. Robot pak postupně projede dle programu celou oblast určenou pro zakalení.

Na obrázku je příklad pro kalení drážky pomocí laserové kalicí hlavy s oscilačním adaptivním laserovým paprskem. Laserový paprsek pendluje 100x za sekundu v šířce cca 25 mm a provádí v drážce povrchové kalení. Pohyb směrem kupředu pak zajišťuje samotný robot podle programu. V každém bodě paprsku kalicí hlava vyhodnocuje teplotu povrchu kaleného materiálu a optimalizuje výkon laserového paprsku tak, aby došlo k rovnoměrnému zakalení všech ploch. Jiné parametry hlava použije pro kalení hran, jiné pro svislé plochy a jiné parametry pro rovné plochy. Tímto způsobem nemusí programátor volit různou postupovou rychlost robota pro každé místo – úsek kaleného materiálu, jako by to bylo v případě laserové kalicí hlavy s pevným bodem. 10 /

Laserové povrchové kalení kovů pomocí kalicí hlavy, kterou nese robot, je jedna ze zajímavých a poměrně nových technologií, které nejsou zatím moc komerčně rozšířené. Přitom tato technologie přináší celou řadu výhod a zvyšuje produktivitu práce. Velice stručně řečeno, robot nese laserovou kalicí hlavu, kterou pak polohuje nad kovovými plochami, jejichž povrch postupně laserovým paprskem zakaluje.

Vhodná technika V současné době se na trhu nabízejí dva základní typy laserových kalicích hlav. Hlava s pevným laserovým bodem a hlava s adaptivním oscilačním laserovým bodem. Laserová kalicí hlava s pevným bodem je nesena robotem nad povrchem, který se má kalit ve vzdálenosti cca 100–250 mm. Kalicí hlava vrhá na povrch laserový bod ve tvaru zpravidla obdélníku o stranách cca 1 x 3 mm. V tomto bodě pak probíhá kalení s tím, že robot postupně přejíždí celou plochu ocelového materiálu, která se tímto způsobem kalí. Laserová kalicí hlava je vybavena senzorikou pro měření teploty na povrchu zakalovaného materiálu a tím umožňuje rovněž automatické nastavování výkonu laserového paprsku pro dané místo kalení. Tímto způsobem lze pak docílit přesné požadované povrchové tvrdosti kalené plochy (princip viz obrázek). Ovšem převratnou novinkou v této oblasti je pak laserová kalicí hlava s adaptivním oscilačním laserovým bodem. Tento typ kalicí hlavy pracuje na principu oscilace – tedy pendlování laserového bodu, např. bod o průměru 1 mm, který pendluje po přímce v rozsahu 1–25 mm rychlostí 100x za sekundu tam a zpět. Tento typ laserové kalicí hlavy je rovněž vybaven senzory pro měření teploty kaleného povrchu s náSVĚT SVARU 2/2015


slednou automatickou regulací výkonu laserového paprsku. Takto řízený kalicí laserový bod pak umožňuje optimálně dávkovat teplo do místa zakalení, především pokud je potřeba kalit tvarové plochy, hrany, drážky apod. Programátor robota pouze nadjede nad celé místo požadovaného kalení, pomalu pohybuje laserovou hlavou vpřed a adaptivní laserový bod provede automaticky kalení povrchu na výslednou požadovanou hodnotu tvrdosti kaleného povrchu (princip viz obrázek).

Výhody laserového kalení Zásadní výhodou laserového povrchového kalení kovů je přesná regulace tepla při povrchovém kalení, která zajistí opakované přesné výsledky zakalení, tedy výsledné tvrdosti povrchu a její hloubky. Další výhodou je významná úspora energie pro proces kalení. Robot zakalí pouze ta místa, která je potřeba kalit. V případě použití laserové hlavy s adaptivním oscilačním laserovým bodem je možné programově řídit výsledné parametry zakaleného povrchu v případě kalení tvarových dílců a ploch. Tuto výhodu v současné době neposkytuje v podstatě žádná jiná běžně dostupná technologie povrchového kalení kovů. Další nespornou výhodou je poměrně vysoká produktivita práce.

6kW zdroj laserového paprsku s podavačem prášku pro laserové navařování, vše od společnosti Trumpf.

Úskalí laserového kalení Hlavním úskalím této technologie je poměrně vysoká pořizovací cena, která přesahuje částku 12 mil. Kč bez DPH podle úrovně výbavy robotizovaného pracoviště (robot, kalicí

Příklad navařené vrstvy pomocí laserového navařování na části hřídele.

Laserová hlava pro navařování nesená robotem Motoman. SVĚT SVARU 2/2015

/ 11


hlava, polohovadlo, zdroj laserového paprsku, světlotěsná kabina, odsávání kabiny a další nezbytné služby pro zprovoznění zařízení). Pro povrchové kalení je potřeba zdroj laserového paprsku o výkonu 4 kW, lépe 6 kW. Pravdou ovšem je, že pokud je zákazník vybaven např. konvenčním laserovým řezacím strojem, který není z hlediska kapacity využíván na 100 %, lze jej po úpravě rovněž využít pro robotizované pracoviště s jinou laserovou technologií, tedy např. pro laserové kalení. Tímto způsobem lze dosáhnout významné úspory v pořizovacích nákladech.

Úskalí laserového navařování

Při laserovém navařování povrchů se používá navařovací hlava, kterou robot opět polohuje podle programu nad navařovaným povrchem. Jedná se rovněž o nepříliš komerčně rozšířenou technologii navařování, přestože přináší celou řadu technických i technologických výhod.

Hlavním úskalím laserového navařování je podobně jako u laserového povrchového kalení vyšší pořizovací cena. Podobné robotizované pracoviště bude stát přibližně kolem 13 mil. Kč bez DPH podle stupně jeho výbavy. Dalším problémem může být plynulost podavatelnosti prášku do laserové navařovací hlavy. V zásadě lze navařovat pouze v pozici shora. Pokud se bude navařovat tvarový dílec, pak je vhodné použít jednoosé nebo dvouosé robotické polohovadlo. I když např. společnost Trumpf má v nabídce navařovací hlavu, která umožňuje navařování v jakémkoliv úhlu natočení laserové navařovací hlavy. Používané prášky pro tyto navařovací aplikace jsou karcinogenní. Je nutné zajistit ve světlotěsné kabině výkonnou filtraci s větráním. A dále je vhodné používat pro úklid průmyslový vysavač vhodný pro vysávání těchto jemných prášků. Obsluha by měla být rovněž vybavena vhodným respirátorem.

Vhodná technika pro laserové navařování

6. Možné kombinace laserových technologií

Laserové navařování se provádí převážně pomocí prášku, který se přivádí do místa dopadu laserového paprsku na navařovaný povrch. Podávání prášku zajišťuje speciální podavač (viz obrázek), který pomocí hadic dopravuje prášek do laserové navařovací hlavy. Prášek se z podavače prášku podává pomocí stlačeného inertního plynu, zpravidla argonem. Jakost prášku je pak dána požadavky na navařovaný povrch, resp. jeho výslednou tvrdost při penetraci se základním – navařovaným materiálem. Velkou výhodou laserového navařování je poměrně vysoká tvarová přesnost navařené vrstvy, robot dokáže provést navaření např. konce břitu malou vrstvou nového kovu. Robot dokáže přesně napolohovat laserovou hlavu přesně do míst ve 3D prostoru, kde je potřeba nanést novou vrstvu kovu. Další výhodou jsou výrazně nižší tepelné deformace navařovaného materiálu. Technologie laserového navařování je rovněž velmi rychlá. Tepelně ovlivněná zóna je velmi malá. Velkou výhodou je rovněž značná univerzálnost této navařovací technologie.

Laserové technologie, které popisujeme v tomto článku, jsou poměrně nákladné z hlediska jejich pořizovací ceny. Jedno z možných řešení je pak využít možnost kombinace těchto laserových technologií na jednom robotizovaném pracovišti, a to pomocí systému výměny laserových hlav. Např. svařovací hlava s navařovací hlavou. Nebo svařovací hlava s kalicí hlavou. Případně všechny tři technologie kombinovat dohromady. Při použití výměnného systému je nutné pro robota vytvořit odkládací stanici, kam robot může odložit všechny laserové hlavy, a ze které může uchopit potřebnou technologii do svého zápěstí. Výhodou tohoto řešení je vysoká univerzálnost a snížené náklady na pořízení každé technologie, pokud jsou zkombinovány. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost uložení a uklizení přívodní kabeláže od odložených laserových hlav. Při výměně laserových hlav je tedy potřeba součinnost operátora s robotem. Jen pro představu, robotizované pracoviště pro laserové svařování, povrchové kalení a navařování vč. výměnné stanice pro laserové hlavy, vč. dvou polohovadel, zdroje laserového paprsku o výkonu 6 kW, světlotěsné kabiny s odsáváním lze pořídit za cenu cca 23 mil. Kč bez DPH.

Odkládací stanice pro tři laserové hlavy pro tři různé technologie. Na obrázku je vidět vlevo laserovou hlavu pro navařování a vpravo laserovou svařovací hlavu. Robot je schopen danou hlavu odložit do této odkládací stanice a uchopit jinou hlavu podle potřeb uživatele.

Stejná odkládací stanice – vlevo je vidět laserová hlava pro povrchové kalení kovů a vpravo pak laserová svařovací hlava.

5. Laserové navařování

Výhody laserového navařování

12 /

SVĚT SVARU 2/2015

na robotizovaných pracovištích

Recommend Documents