Svařování LASEREM
doc. Ing. Jaromír Moravec, Ph.D
Spontánní emise M. Planck (1900) – kvantová teorie. Záření je tvořeno malými částečkami energie – tzv. „kvanty“, přičemž energie každého kvanta je úměrná kmitočtu záření. Světlo má dvojaký charakter vlnový a částicový. Fotony letí prostorem a při srážce s jinou částicí se chovají jako částice. Mezi sebou se však fotony interferují jako vlny. Při studiu kvantových vlastností atomů došel Einstein k závěru (1917), že při vzájemném působení atomů látky a elektromag. záření může docházet nejen k absorpci a spontánní emisi záření, ale také k tzv. vynucené neboli stimulované emisi.
2
Spontánní emise Látka není tvořena jediným atomem. Je jich nepředstavitelně velké množství, takže při návratu vybuzených elektronů si každý atom „vybere“ některou z uvedených možností a jako celek vyzařuje vodík fotony různých vlnových délek (barev). Záření všech vyzařovaných vlnových délek tvoří spektrum tvořené spektrálními čarami. Ve viditelné části vodíkového spektra jsou jen 4 spektrální čáry.
3
Kvantový generátor Ke konstrukci prvního laseru, bylo potřeba ještě vyřešit dva ryze technické problémy. Prvním bylo vytvoření nerovnovážného stavu - více atomů na vyšších energetických hladinách. Aby vše fungovalo, je třeba mít tří, nebo více hladinové aktivní prostředí a způsob dodání energie (čerpání). Tím je například výbojka vydávající nekoherentního (neuspořádaného) záření o určité vlnové délce. Elektron na energetické hladině E1 pohltí kvantum energie (foton) o energii E12, odpovídající přechodu z energetické hladiny E1 na hladinu E2. Doba existence elektronu na hladině E2 bude velice krátká a v čase t=10-8 s přejde elektron na metastabilní hladinu Em a odtud po čase t=10-3 s přechází zpět na hladinu E1, přičemž při tomto přechodu vyzáří foton s energií Em1. Přechod z hladiny E1 na hladinu E2 představuje ztráty, které způsobují ohřev aktivního prostředí. V důsledku rozdílných časů setrvání na dané energetické hladině nastává hromadění atomů v excitovaném stavu na hladině Em. Stimulovaná emise tak může nastat za podmínky, že počet elektronů na hladině Em je větší než na hladině E1. Přitom musí být dostatečnou úrovní čerpání kryty ztráty nezářivými přechody E2 – E1 a další ztráty dané jakostí aktivního prostředí. 4
Optický rezonátor Vstoupí-li do aktivního prostředí záření, jehož fotony mají frekvenci (energii) odpovídající přechodu Em1, stimulují tyto fotony při setkání s excitovanými atomy přechody Em – E1. Přitom jsou emitovány fotony stejné energie, fáze a polarizace, jaké má stimulující záření. Znamená to, že každý excitovaný atom po setkání s fotonem stimulujícího záření vyzáří další foton shodného záření. Tento proces má charakter řetězové reakce a je dále zesilován optickým rezonátorem.
Optický rezonátor pevnolátkových laserů je vytvořen zbroušením protilehlých konců aktivního prostředí, přesně rovnoběžně a kolmo na osu tyčinky. Jeden konec je postříbřen a tvoří dokonalé zrcadlo (odrazivost až 99,9 %), druhé zrcadlo je částečně propustné. 5
Druhy Laserů Přestože všechny lasery pracují na stejném základě (stimulované emisi záření), liší se velmi výrazně svou konstrukcí i vlastnostmi. Pro jejich rozdělení do skupin můžeme zvolit různá kritéria: Podle aktivního prostředí: Pevnolátkové lasery. Plynové lasery. Kapalinové lasery. Polovodičové lasery. Plazmatické lasery. Vláknové lasery. Diskové lasery.
Podle vlnových délek optického záření: Infračervené lasery. Lasery viditelného pásma. Ultrafialové lasery. Rentgenové lasery.
Podle režimu práce: Pulzní. S dlouhými impulsy. S krátkými impulsy. S velmi krátkými impulsy (pikosekundové, femtosekundové). Kontinuální (spojitý).
Podle typu buzení na lasery buzené: Opticky. Elektronovým svazkem. Tepelnými změnami. Chemicky. Rekombinací. Injekcí nosičů náboje. 6
Operační módy Laseru Hlavním a klíčovým faktorem laseru na působení materiálu je výkon a časové trvání laserového paprsku. Základní typy (módy) laseru a jejich rozdělení je na: a) kontinuální; b) pulzní; c) Q-switch pulzní
7
Operační módy Laseru U Q-switch módu jde o součástku vloženou do rezonančního obvodu, která dokáže převést kontinuální mód na pulsní s vysokou energií. Tím dochází k navýšení výkonu jednotlivých pulsů nad hodnotu danou exitačním výkonem. Produkuje extrémě vysoké pulzy výkonu až stovky kW v časové délce několika nanosekund, nebo výkony GW v časové délce pikosekund. Frekvence spínání je řádově ve stovkách kHz. Příkladem může být tekoucí voda z kohoutku nabírána do dlaní. Tím je zastaven proud vody o nějaké energii. Následné nahromadění vody do dlaní a její uvolnění zabezpečí větší energii, než měl samotný proud vody z kohoutku. Zvyšuje tak energii na krátkou dobu. 8
Absorbce laserového paprsku materiály
9
Princip pevnolátkového laseru Základem pevnolátkových laseru je tzv. laserová hlavice. Ta obsahuje aktivní materiál (rubín, YAG, neodymové sklo), xenonové nebo kryptonové výbojky, pracující v impulzním, nebo kontinuálním režimu, budící dutinu a rezonátor. Rezonátor je obvykle tvořen zrcadly, z nichž jedno je 100% odrazivé pro záření generované vlnové délky a druhé je částečně propustné. Pro kontinuální provoz pevnolátkových laserů je odrazivost výstupního zrcadla 90 až 99%, pro impulzní provoz je odrazivost pouze 8 až 50%. Vše je vloženo do chlazené budící dutiny. Aby koncentrace světelné energie byla co největší, má budící dutina speciální tvar (jedno, dvou, nebo čtyřelipsa). Vnitřní stěna budící dutiny je pozlacena, nebo postříbřena. K napájení kontinuální výbojky slouží budící elektrický obvod, který je zdrojem proudu nejčastěji od 10 do 60 A. Úkolem chladící jednotky je odebrat aktivnímu prostředí teplo vzniklé při nezářivých přechodech aktivních iontů (podstatná část energie buzení se přemění na teplo. Chladící tekutina (zpravidla destilovaná voda), protéká buď celou budící dutinou, nebo jsou aktivní prostředí a výbojky umístěny ve skleněných trubicích, přičemž voda protéká těmito trubicemi.
10
Princip plynových laserů Uplatňují se při svařování a tepelném dělení. Dosahují obrovských výstupních výkonů, ale v technické praxi se používají lasery s maximálním výstupním výkonem okolo 100kW. Mohou pracovat v kontinuálním nebo pulzním provozu. Zdrojem energie pro čerpání aktivního prostředí na vyšší energetické hladiny je vysokofrekvenční výboj, který hoří v trubici naplněné aktivním plynem. Některé konstrukce nejvýkonnějších laserů mají čerpání založeno na základě vzájemných srážek částic aktivního prostředí. Jako aktivního prostředí se používá směs CO2+N2+He. Směs plynů se v trubici laseru udržuje na tlaku 1 až 4.103 Pa. Stimulovaná emise vzniká v trubici 1 zakončené dvěma zrcadly 3 a 4, tvořící optický rezonátor. Zrcadlo 4 je částečně propustné. Pro úsporu místa je trubice tvarována a doplněna dalšími zrcadly 2. Svazek záření 5 vystupuje polopropustným zrcadlem 4 a je soustředěn objektivem do místa svaru. Objektiv 7 je opatřen krytem, který usměrňuje proudění ochranné atmosféry do místa svařování. Trubice 1 je chlazena vodním pláštěm 9. Laser je řízen a zásobován z regulační a řídící skříně 10.
11
Polovodičové lasery Aktivním prostředím je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 70 %), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu vlnových délek od λ = 0,3 do 30 μm. Nevýhodou je rozbíhavost generovaného záření a velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu. Problémy s chlazením. Je možno dosáhnout velkého optického zesílení, proto jsou rozměry rezonátoru cca. 0,05 až 1 mm). Buzení je možné injekcí nosičů náboje přechodem P-N, ale také opticky. Počet rekombinací je přímo úměrný procházejícímu proudu a z toho vyplývá, že přechod začne vydávat laserové světlo až od určité proudové intenzity v PN přechodu (stovky Ampérů na mm2).
12
Vláknové lasery
13
Svařování laserem Při svařování laserem vzniká kapilára vyplněná parami kovu pod vysokým tlakem. Páry jsou vysokou teplotou ionizovány a tato plazma tryská vysokou rychlostí z místa svaru. Přitom brání pronikání fotonů do svarové spáry, pohlcuje velkou část záření svazku a snižuje hloubku průniku fotonů. Plazma se běžně vychyluje ofukováním ochranným plynem Ar, Ar+CO2, N2, (nejlepší výsledky He). Zároveň je chráněna tavná lázeň před okolní atmosférou.. Vliv indukované plazmy se dá také ovlivnit pomocí nastavených parametrů svařování (nastavené tak, aby se materiál neodpařoval, dokud se neprohřeje do oblasti tavení v podpovrchové vrstvě). Při nízké hustotě energie u svařování se teplota povrchu nedostane na teplotu varu dříve, než se teplota podpovrchová dostane na teplotu tavení. Vytvoří se svarový kráter s příhodným rozložením taveniny. Naopak u řezání při vyšší hustotě energie se podpovrchové vrstvy ohřejí jen minimálně. Většinou se svařuje bez přídavných materiálů, ale vývoj směřuje k využití hybridních metod. Lasery umožňují velmi rychlý ohřev a svařování materiálů s vysokou tepelnou vodivostí (Cu, Ag, Al) i materiály s vysokou teplotou tavení W, Mo, Ta, Zr atd. Změna hustoty výkonu v dopadové ploše ovlivňuje rozměr i geometrii svarové lázně. Při malých hustotách výkonu do 106 W.cm2 dochází k přenosu tepla a formování svarové lázně hlavně vedením a je vhodné pro spojování tenkých plechů. 14
Svařitelnost materiálů laserem Svařitelnost materiálů laserem je podobná jako u metody WIG. Rychlost ochlazování je díky malému vnesenému teplu vysoká a proto u ocelí nesmí překročit obsah uhlíku hodnotu 0,2 %. Výborné výsledky svařování se dosahují u vysokolegovaných ocelí, niklu, molybdenu atd.
15
Příprava svarových ploch Vzhledem k vysoké hustotě energie nejsou na čistotu povrchu svařovaných materiálů kladeny zvláštní požadavky, protože veškeré tuky a nečistoty jsou před natavením svarové lázně odpařeny. Optimální mezera mezi svařovanými materiály je přibližně stejná jako u svazku elektronů a pohybuje se mezi 0,05 až 0,2 mm. U tenkých plechů v tisícinách mm.
16
Výhody a nevýhody laserového svař. Výhody svařování laserem • Lasery jsou adaptabilní s rychlou změnou technologie. • Provoz laseru je čistý, bez potřeby přídavných materiálů a odpadů. Zplodiny lze snadno a účinně odsávat. • Vysoká přesnost oblasti ovlivněné laserem. • Provoz laseru je tichý, hluboko pod hranicí hluku konvenčních technologií. • Laserový svazek lze dělit na různá pracovní místa soustavou zrcadel a hranolů. • Snadná automatizace procesu. • Možnost svařovat tloušťky od několika mikrometrů až do 15 mm. • Možnost úpravy ohniskové vzdálenosti až na 1,6 m. • Svařování tenkých plechů v automobilovém průmyslu bez ochranného plynu. Nevýhody svařování laserem • Vyšší pořizovací cena. • Nutnost pořízení poloautomatických zařízení, nebo robotů. • Možnost svařování metalurgicky „čistých“ materiálů. • Bezpečnost práce. • Malá účinnost. 17
Příklady laserových svarů
18
Laser Hybrid U svařování systémem LaserHybrid se jedná o spojení konvenční technologie laserového paprsku se svařováním GMAW. Přitom je využito předností obou technologií pro dosažení špičkových výsledků. V systému působí laserový paprsek a elektrický oblouk společně v jedné svařovací zóně a vzájemně se ovlivňují, resp. podporují. Laserový paprsek zajišťuje dodatečný přísun tepla ke svařovanému materiálu, a to přímo do tavné lázně. Takto vzniklé vzájemné působení může mít různou intenzitu i různý charakter. Podle použití může převažovat charakter laserový či charakter elektrického oblouku. V porovnání s odděleným svařovacím postupem se v této kombinaci zvýší závar, případně rychlost. Za pomoci LaserHybridu lze svařovat hliník, ocel, pozinkovanou ocel a ušlechtilé oceli až do síly materiálu 4 mm. 19
Laser Hybrid výhody Spojením obou procesů dojde k následujícím synergickým efektům: • Stabilizaci procesu střídavým působením elektrického oblouku a laserového paprsku, čímž je umožněno téměř bezrozstřikové svařování. • Dokonalejší překlenutelnosti mezer. • Zmenšení tavné lázně, která vyžaduje nižší přísun tepla, čímž dojde ke zmenšení tepelně ovlivněné oblasti. Pro výrobek to znamená snížení tepelné deformace a snížení času potřebného k dodatečnému opracování • Zkrácení výrobních časů.
20
