123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

00_2-4 Laserové a elektronové svařování

Laserové svařování

Trh pro laserové stroje k opracování materiálu se v posledních šesti letech více než ztrojnásobil. Kromě CO2-laserů a lampových Nd:YAG-laserů jako "tažných koní", si zajišťují podíl na trhu průmyslové výroby především vysoko výkonné diodové lasery a jako novinka diodově pumpovaný Nd:YAG-laser.

Sladěním pumpového světla laserových diod s absorpcí Nd:YAG-laserového krystalu dosahují diodově pumpované Nd:YAG-lasery celkovou účinnost ca 10 %. Redukcí termické čočky je tak možno dosáhnout vyšší výstupní výkony ve srovnání s lampovými systémy. Současně zvýšená kvalita paprsku na 12 x mrad dovoluje při max. 4,4 kW výstupního výkonu průměr vlákna 320 mikrometrů. Při životnosti diod ca 10000 h lze dosáhnout výrazně vyšší životnost zařízení a delší intervaly údržby.

Diodové lasery pro přímé použití se nabízejí ve výkonech od 100 W do 6 kW. S velikostmi ohniska od 0,45 x 0,45 mm (100 W systém) do 1 x 4 mm (6 kW systém) jsou vhodné použití při pájení, svařování a opracování povrchu.

Při diodových laserech s vláknovým uspořádáním se laserový paprsek vede k materiálu pomocí vlákna. V závislosti na výkonu laseru mají tato vlákna při numerické apertuře NA=0,22 průměr jádra 400, 600 nebo 1000 mikrometrů. Se vznikajícím radiálně symetrickým výstupním paprskem se tyto systémy přednostně užívají v třírozměrném použití a nikoliv pro lineární na směru nezávislé opracovací procesy, jako je např. kombinace s roboty.

I přes rozsáhlé výzkumné práce nebyl ani v minulém roce uveden do sériové produkce diodový Yb:YAG-laser, který v sobě shrnuje některé zcela mimořádné vlastnosti. Krystal je zde zkrácen jen na délku několika desetin mm a je na této čelní ploše pumpován diodovým laserovým světlem v mnoha průchodech. Velký poměr plochy povrchu k objemu umožňuje efektivní osové chlazení a minimalizaci termické čočky (Obr.1).

Při vláknovém uspořádání a paralelním spínáním je ve srovnání s diodovým Nd:YAG-laserem vlivem čtyřnásobně zlepšené kvality paprsku teoreticky možný výkon laseru až 7 kW v jednom 300 mikrometrovém vlákně. Po optimalizaci komplikovaného systému optiky a po dořešení problémů s kvalitou systémů lze očekávat, že se v nejbližších na trhu objeví provozně použitelná zařízení.

I v systémech techniky pro opracování materiálu pomocí laserového paprsku se v minulém roce objevily některé novinky. Kromě zrcadel, resp. čoček pro fokusaci jsou ve svařovacích a řezacích hlavách integrovány možnosti on-line sledování svaru a vzdálenosti od povrchu. Po prvé byly představeny hliníkové svařovací hlavy s automatickým výměnným zařízení pro fokusační čočky, laserové řezací zařízení s druhým portálem pro odnímání dílců současně s řezacím procesem, a stroje s lineárním pohonem až do rychlosti 300 m/min a zrychlením až do 2,5g pro automatické třídění a rozebírání a pro řezací aplikace.

Všichni významní výrobci přešli na dálkovou kontrolu a diagnostiku svých systémů. Tím je možno jmenovité hodnoty laseru a chybová hlášení přímo diagnostikovat, chyby rychle posoudit a odstranit.

Kromě upevňování a rozšiřování pozice laserového řezání, je možno pro povrchové zpracování laserem kvalifikovat především laserové svařování.

Významný podíl na tom mají výsledky prací v BMBF-projekční společnosti "Kvalifikace laserových způsobů". Vedoucí téma "Přesné zpracování pomocí laseru", které je součástí rozvojové koncepce "Laser 2000", bylo podporováno Ministerstvem pro výchovu a výzkum (BMBF) od 1996 do 2000 a je s 27 dílčími projekty zatím nejvýznamnější v oblasti zpracování materiálů laserem.

Podle nejnovějších poznatků je možno tolerovat hodnoty tvrdosti nad 350 HV, jestliže je možno prokázat vyhovující houževnatost svarového spoje. Zde se nabízejí tahové zkoušky na malých vzorkách (průměr 1 až 2 mm) z jednotlivých oblastí spoje a dále podélné tahové zkoušky s optickými měřicími metodami pro zjištění místních prodloužení a konečně i zkoušky vrubové houževnatosti. Další popsané výzkumy s dosavadními vzorky pro vrubovou houževnatost vedou ke zjištění, že chování přechodové teploty pro vrubovou houževnatost, resp. sklon ke křehkým lomům laserových svarů bylo dostatečně dobře popsáno s ohledem na možnost selhání v závislosti na teplotě a na šíření trhlin. Bezpečnostně spolehlivé zhodnocení sklonu ke křehkému lomu je možné určením způsobů selhání a odpovídajících přechodových teplot. Považuje se za rozumné ponechat pro zkoušení laserových svarů dosavadní způsob zjišťování vrubové houževnatosti ohybem beze změn. Odstoupit je však třeba od vrubových zkoušek s bočním vrubem nebo s podpůrným svarem. Tyto formy zkoušek mají velký rozptyl, nemají jednoznačné přechodové teploty a nedávají správné podmínky pro zkoušení výrobků.

Pro spojování hliníku byly učiněny významné pokroky s ohledem na metalurgii a na spolehlivost spoje. Kromě výzkumů procesů probíhajících na povrchu materiálu při laserovém svařování hliníkových slitin, byla v řadě uveřejněných prací věnována pozornost otázkám poklesu pevnosti, vzniku pórů, vzniku trhlin za tepla, vzniku průvarových vrubů a chování tavné lázně ve spojení s humping-efektem. S použitím vhodných přídavných materiálů ve formě drátu nebo prášku a při použití zdvojené fokusační techniky (i s diodově pumpovanými Nd:YAG-lasery) je možno dosáhnout svarové spoje s vynikajícími hodnotami pevnosti a houževnatosti.

Na základě ca 5krát menší hustoty lithia ve srovnání s hliníkem je nejlehčí kov upřednostňován jako legovací prvek pro hliníkové slitiny pro vzdušná a kosmická zařízení. Přidáním 3 % Li je možno snížit hustotu slitina na bázi Al o ca 10 % při současném zvýšení modulu pružnosti o ca 15 %. Při vývoji nových vysoko pevných Al-Li-slitin jako je např. AA2195 byly vykonány rozsáhlé výzkumy svařitelnosti. Zejména laserové svařování dalo při minimálním tepelném ovlivnění materiálu beztrhlinové spoje s vysokými pevnostmi a nepatrnou pórovitostí.

Dalším těžištěm výzkumů bylo laserového svařování sendvičových konstrukcí v kombinacích Al-plech/ocel-plech, Al-plech/Al-pěna/Al-plech, ocel-plech/Al-pěna/ocel-plech, a zejména spojování čistých pěnových hmot. Zejména zajímavé je svařování sendvičových prvků, při nichž je vrstva Al-pěny (Al6016) sevřena mezi dva plechy (AA6016), což je důležité řešení pro lehké stavby. I když pevnosti takových laserově svařovaných spojů nedosahují při obvyklých kombinacích hodnot základních materiálů, jsou lehké konstrukce tohoto typu stále více používané právě na základě malé specifické hmotnosti.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz