>
123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

02_2-4 Laserové a elektronové svařování

Laserové svařování a laserové hybridní metody

Použití diodových laserů s jejich vysokou účinností a s výkony vyjadřované v jednomístných kW-oblastech je vlivem špatné kvality paprsku, a tím malé hustoty energie, stále ještě omezené. Přesto v současné době probíhají intenzivní vývojové aktivity. Z toho profitují i diodově pumpované Nd:YAG-lasery díky zlepšení ve stupni účinnosti, v životnosti a v kvalitě paprsku. V oblasti CO2-plynových laserů se uznané systémy systematicky dále vyvíjejí. Přání zákazníků určují těžiska výzkumů u výrobců přístrojů. K nim patří požadavky na kompaktní robustní zdroje paprsků s vysokým stupněm integrace, dlouhými intervaly údržby, vysokou aktivitou servisu a - s přihlédnutím na použití - s vysokým výkonem laseru a dobrou kvalitou paprsku.

Diodově pumpované Nd:YAG-lasery představují vlivem dalšího vývoje a s ním svázaným poklesem cen diod alternativu k lampově pumpovaným laserům. Na základě zřetelně lepší kvality paprsku vznikají přednosti jako malý příkon tepla vlivem malého průměru fokusu a větší flexibilita vlivem větší hloubky ostrosti.

Atraktivita diodových laserů jako nákladově příznivější náhrada za obloukové a bleskové lampy je založena na jejich vysoké efektivitě a dlouhé životnosti. Ve spojení s vynikající kvalitou paprsku a z toho vyplývající dobré fokusovatelnosti jsou možné nové laserové koncepce, při kterých se redukuje kvalitu snižující tepelné působení čočky v laserovém krystalu. U systémů pro komerční využívání se vytvořily tři koncepce, které se intenzivně prozkoumávají: tyčový, kotoučový a deskový laser. Pro použití ve svařování ve vyšších kilowattových oblastech se v současné době jednoznačně uplatňuje diodově pumpovaný deskový laser. V okruhu výkonů pod 100 W se uplatnily systémy na bázi deskových a kotoučových laserů. Kotoučový laser je pro použití v oblasti kW krátce před svým průmyslovým zavedením.

Diodový laser se vyvíjí stále více a více směrem k trhově zralému nástroji. Cílem jsou na jedné straně zlepšení geometrie fokusace pomocí dále se vyvíjející se optiky a na druhé straně zvýšení výkonu a životnosti pomocí zvyšování výkonu polovodičových prvků a další vývoj speciálních chladicích a montážních technik. Díky velmi kompaktní formě stavby laserové hlavy a trvale se rozšiřujících hranic procesu jsou dány nejlepší předpoklady pro integraci.

V oblasti systémů pro laserové opracování lze zaznamenat nárůst na míru řešených zákaznických strojů a systémových řešení, která je možno nasadit maximálně flexibilně. Při vývoji laserových hlav pro opracování se rýsuje trend k integrované sensorice. Přibývající počet a různorodost aplikací pro laserové svařování zvýšil poptávku po efektivních systémech pro kontrolu procesu, aby se zajistila co nejvýše možná kvalita zpracování. Použitím teplotních plazmových a zpětně reflexních detektorů je možná on-line kontrola svařovacích procesních parametrů. Doplnit je zde možno polohu fokusu a hloubku závaru na bázi geometrických veličin. Aby bylo možno detekovat tolerancemi podmíněné odchylky mezi teoretickým a skutečným průběhem svarového švu a svařovací nástroj optimálně polohovat, byly použity systémy pro optické sledování švu, které se dají integrovat do téměř všech stávajících svařovacích zařízení. V oblasti opravářského svařování a navařování existují ve výrobě nástrojů a forem flexibilní ruční laserová pracoviště. Splňují všechny požadavky, které se ukazují při hospodárném zpracovávání komplexních filigránských forem. Kromě variant řešení, při kterých obsluha pohybuje dílem, umožňují světelné vodiče, které přivedou laserový paprsek flexibilně na místo svařování, vývoj manuálně vedených laserových svařovacích systémů. V tom případě vede obsluha volně zdroj paprsku, pohyb paprsku se uskutečňuje částečně mechanizovaně. Tyto systémy se vyznačují vysokým stupněm integrace s ohledem na řízení procesu, optické sledování procesu a laserovou bezpečnost. Kombinace složené z mobilního laseru a ručně vedeného zpracovacího zařízení odpovídají požadavkům uživatelů, kteří chtějí opracovávat i velké díly nezávisle na velikosti a na obtížnosti přístupu.

Kombinace vysokých výstupních výkonů při současně vysoké kvalitě paprsku u difusně chlazených CO2-deskových laserů umožňuje hospodárné účelné využití na dálku řízených laserových svařovacích systémů. Pro hluboké svařování požadovaná vysoká hustota energie se dosáhne na základě v celém rozsahu výkonu existující základní modenové struktury i při vysokých fokusačních vzdálenostech. Kombinace vysokých laserových výkonů a skenerové techniky rozšiřuje významně spektrum použití laseru. Jestliže se dají kartesiánsky nebo robotově vedenými pracovními optikami eliminovat neproduktivní vedlejší časy, jedná se o velmi rychlý a flexibilní způsob spojování. I pro lasery s pevnými tělísky s vysokými výkony paprsku v cw-provozu je k dispozici programovatelná fokusační optika, která nastartuje pohyb paprsku pomocí galvanoskeneru a umožňuje dosáhnout požadovaný tvar svaru bez přídavných NC-os nebo řízení. Konflikt zájmů mezi vysokými přesnostmi a současně vysokými skenovými rychlostmi je možno široce řešit novými systémy.

Právě požadavky po výkonných metodách spojování, např. při stavbě karoserií s hliníkovou smíšenou konstrukcí, vedou ke stoupající poptávce po hybridních spojovacích technikách, tzn. po kombinaci laserových a obloukových svařovacích procesů. Při tom je realizovatelná jak kombinace Nd:YAG-laseru s pevnými tělísky, tak i CO2-plynového laseru.

Pro laserové svařování hliníkových a hořčíkových slitin se zkoumají nové metody pro ovlivňování geometrie a kvality svarových spojů. Požadavky na spojovací proces se vztahují jak na hospodárnost, tak i na dosažitelnou kvalitu spojů. Celkově vlastní hybridní způsoby veliký potenciál zpracovávat různé materiály v souladu s požadavky.

Byl podán přehled kombinovaného laser-plasma svařování. Vychází z fundovaného popisu stavu výzkumu v oblasti existujících laserových hybridních způsobů a jsou formulovány technologické charakteristiky a inovace při laser-plazma-svařování s ohledem na použití CO2-laserů, Nd:YAG-laserů, v uspořádání plazmových dýz, svařovacích zdrojů proudu a v optimalizaci provozních podmínek (příkon tepla, svařovací rychlost). Na vzorových příkladech laser-plazmového svařování na míru uřezaných plechových desek (tailored blanks) a přeplátovaných svarů povrchově potažených ocelí se ukazuje vhodnost průmyslového použití metody. U hliníkových slitin se poukazuje na možnost použití přídavných materiálů pro optimalizaci svařovacích výsledků. Jsou naznačeny metody pro rychlostní svařování jemných plechů při současném potlačení obvyklých chyb svarů (tvoření vypuklin).

Dvěma centrálními cíly laserových svařovacích zařízení jsou výroba a zkoušení kvalitativně vysokohodnotných spojů. Pod zesíleným tlakem trhu se rozšiřují automatizované systémy pro zabezpečení kvality. Pro komplexní vzájemné souvislosti je při laserovém svařování nutná analýza třech následujících tématických okruhů: nahromadění energie, střídavé působení laser-plazma a dynamika tavné lázně. Automatické systémy pro zabezpečování kvality se nasazují v různých místech výrobního procesu. Na jedné straně to je kontrola výchozích parametrů, jako je např. proměřování hran dílů nebo spáry spoje, na druhé straně je možno i potvrzovat svařovací proces, svarový spoj nebo díl po svaření. Moderní systémy druhé generace pro zabezpečování kvality se vyznačují robustností, vysokou výkonností a jednoduchou účelově orientovanou obsluhou a dobrou servisní obslužností. Důležitými vstupními velikostmi laserového svařovacího procesu jsou všechny charakteristické veličiny, které rozhodujícím způsobem ovlivňují kvalitu laserového paprsku, např. profil paprsku, průměr paprsku, rozptyl paprsku, průběh paprsku a stabilita jeho polohy. Pomocí vhodných optických měřicích systémů je možno tyto charakteristické velikosti reprodukovatelně měřit a vytvářet základní podmínky pro přesnou numerickou analýzu paprsku.

Elektronové svařování

Byly popsány výzkumy vedoucí k určování minimálního průřezu paprsku při elektronovém svařování. Srovnávány byly Arata-Beam-test a DIABEAM-systém. U prvního byla zavařena šikmo nastavená ozubená tyč a na výbrusu byla zjišťována minimální šířka natavené zóny, u druhého byla část výkonu paprsku odchýlena a proměřována pomocí mřížkové, příp. otvorové clony, nebo rotujícím drátem jako senzorem. Rozdíly ve výsledcích měření byly v dalších výzkumech rozvedeny na rozptyl paprsku v kovových parách. Závěrem byl vyvinut matematický model pro popis geometrie paprsku.

Bylo popsáno nové pokusné zařízení pro svařování elektronovým paprskem v atmosféře.(NVEBW - non vacuum electron beam welding). Na zařízení s urychlovacím napětím 175 kV a s maximálním výkonem 25 kW byly vykonány první pokusy na slitinách hliníku a hořčíku. Ve srovnání s elektronovým svařování ve vakuu a s laserovým svařováním se stejně velkým průměrem paprsku na místě působení 1 až 4 mm jsou přípustné jak větší spáry, tak i větší rozdíly v tloušťkách plechů. V uvedeném příkladu bylo možno kvalitativně dobře spolu spojit na míru střižené plechy (tailored blanks) ze slitiny AlMg3 při tloušťkách plechu 1,5 a 3,0 mm bez přídavného materiálu. Spoj vykázal v oblasti krycí housenky - přes výrazný rozdíl v tloušťkách plechů - bezvrubové a pravidelné přechody mezi plechy. Svařovalo se při výkonu 9,5 kW a při rychlosti 10 m/min. Pracovní vzdálenost činila 20 mm.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz