123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

03_2-4 Laserové a elektronové svařování

Laserové svařování a laserové hybridní metody

Akceptace laseru v automobilovém průmyslu je vysoká a evropští, především pak němečtí výrobci převzali zde vedoucí roli ve srovnání s americkou nebo japonskou konkurencí.

Laserové systémy pro zpracování materiálů se celosvětově ukázaly jako neovlivněné oslabením konjunktury. Maximálně 50% laserového potenciálu se považuje za dosud zpřístupněné. Podle analýzy trhu provedené firmou Optech Consulting stoupne světový trh laserových systémů pro zpracování materiálů z 3,9 miliard dolarů v r. 2002 na 10,5 miliard v r. 2010.

V Fraunhofer-institutu pro aplikovanou fyziku pevných látek IAF byl do stavu sériového použití dopracován trapezový laser. Tento laser je na základě vysoké kvality paprsku schopen vstoupit do soupeření s doposud užívanými plynovými a pevnými lasery. Optické vlastnosti tohoto laseru byly docíleny optimalizací polovodičového materiálu v kombinaci s trapezově formovanou konstrukcí. Světelný paprsek trapézového laseru má při stejném výstupním výkonu více než 25nás. hustotu výkonu ve srovnání s dosavadními vysoko výkonnými lasery.

Velký prostor v r. 2003 získalo laserové hybridní svařování. Hlavními oblastmi jeho použití jsou stavba automobilů a výroba lodí.

Problémy svařování hliníku je možno řešit pomocí hybridních procesů. Tak např. kombinací AC-pulzního MIG-procesu a nefokusovaného Nd:YAG-, resp. diodového laseru je možno výrazně zvýšit stabilitu vysoko rychlostních procesů.

Použití Nd:YAG-laserů ve stavbě lodí je v současné době předmětem řady výzkumných projektů v Evropě s cílem existující výrobní zařízení ve stavbě lodí dodatečně vyzbrojit odpovídající hybridní svařovací technikou a sdružené svařovací procesy kvalifikovat v reálných výrobních podmínkách pro hliníkové slitiny přípustné ve stavbě lodí. Kromě provozně technické stránky je třeba při tom zohlednit ve vysoké míře i materiálově technické aspekty.

Podobné hybridní metody se zkoušejí i pro svařování ocelí. Příkladem toho je Nd:YAG-laser-WIG-hybridní technika pro svařování vysoko korozně odolných slitin na bázi niklu pro zařízení v technice prostředí. Vlivem vysokých cen těchto materiálů nacházejí v rostoucí míře použití cenově příznivější spojovací materiály, které se vyrábějí "tapetováním" stěn nebo pomocí plátování výbuchem či válcováním. Ve srovnání s plně automatickým WIG-svařováním s horkým drátem je možno svařovací rychlost z 80 cm/min zvýšit pomocí zkoumané procesní kombinace z Nd:YAG-laseru a WIG-oblouku s horkým drátem až na 2 m/min. Kritická teplota pro děrovou korozi hybridního spoje leží při 140 °C a odpovídá tak teplotě základního materiálu.

Ve stavbě lodí se kombinuje CO2-laserové svařování s MSG-svařováním. Při tom je konvenční MSG-hořák v tandemovém uspořádání s laserovým paprskem, takže oba procesy působí na společném svařovacím místě. Při tom vznikají následující přednosti: vysoká svařovací rychlost, malé svařovací smrštění, dobrá překlenutelnost spáry, dobré vlastnosti spoje, malý objem spoje, velké procesové okno, u koutových spojů kompletní připojení a dobrá možnost zkoušení. Všechny výsledky ukazují, že hybridní spoje mají ve srovnání s konvenčními srovnatelné a částečně i lepší vlastnosti spojů. Proces je certifikovaný pro tupé a koutové spoje v oblasti tlouštěk materiálu 5 až 15 mm.

Pokusy ve výrobě trub s nově vyvinutou supermartenzitickou ocelí 12Cr4,5Ni1,5Mo ukázaly rovněž dobré výsledky. Při tom byly použity výkony laseru do 7 kW a efektivní výkony oblouku do 8 kW (sprchový proces). Svařované roury měly průměr 273 mm a tloušťku stěny 5 a 8 mm. Byly docíleny svařovací rychlosti 1,2 m/min, což znamená zvýšení procesní rychlosti o více než 300% ve srovnání s konvenčními procesy. Svařovací rychlost při uvedeném hybridním uspořádání byla omezena rychlostí výroby trub, nikoliv vlastním procesem. Při zkouškách na odpovídajícím plechovém materiálu byly možné rychlosti až do 3 m/min bez negativních vlivů na výsledek procesu.

Novodobé ručně vedené laserové hlavice vytvářejí z laseru ideální spojovací nástroj i v dosud nepoužitelných výrobních úkolech. Na základě jeho vysoké produktivity je velmi zajímavý i pro malosériovou výrobu. Jelikož přípustné tolerance jsou při laserovém svařování výrazně nižší než při konvenčních procesech, má průběh posuvové rychlosti mimořádný význam. Důležitým výsledkem bylo, že příkon energie i u zkušených svářečů podléhá velkým výkyvům. Jestliže by se chtěl naopak laserový výkon přizpůsobit k manuálně vedené rychlosti posuvu, musela by být k dispozici 3,8nás. rezerva výkonu. Aby se předešlo těmto investičním nárokům, je třeba používat zařízení pro dodržování konstantní rychlosti posuvu.
Pomocí pyrometrického řízení výkonu je možno nastavit laserové parametry výkon/posuv, anebo proces z kvalitativních důvodů přerušit.

CCD-kamera integrovaná do ruční svařovací hlavy umožňuje uživateli pozorovat svařovací proces na displeji. To umožňuje 3D-volně tvarované řezy a 3D-svařovací práce. Jsou možné jak spojovací, tak i navařovací procesy s vysokou přesností. Proces je vždy pak rentabilní, jestliže tím odpadnou nutné demontážní a transportní práce s dílem. To nastává zejména při opravách a úpravách forem. Ve srovnání s jinými svařovacími procesy jsou předostmi malý tepelný příkon při vysoké přesnosti a kvalitě spoje, malé smrštění, malé dokončovací práce a malé emise.

Jiná možnost flexibilizace je zvýšení mobility laseru. Byl popsán zpevněný průmyslový kontejner jako báze pro mobilní výrobní buňku s laserovým paprskem. Obsluhu dílu a a vedení spojovacího nástroje v buňce přejímá šestiosý robot. S celkovou hmotností ca 1,5 t po odpojení periferních zařízení je kontajner schopný pomocí halového jeřábu přenášení a je tak integrovatelný do výrobního procesu.

Laserové svařování umělých hmot pokročilo vlivem poklesu cen laserové techniky. Zde jsou hlavně nutné optimalizační práce ve vztahu k přizpůsobení umělých hmot k délkám vln laserů, které jsou k dispozici. Z hlediska zabarvení dílů je třeba počítat s dvěma požadavky: docílit barevný dojem podle požadavku konstruktéra a dosáhnout pro laserový svar nutné transmisní a absorpční vlastnosti. Téměř pro všechny umělé hmoty jsou použitelné laserově transparentní černé barvy. Téměř všechny barevné tóny mohou být použity bez snížení laserové transparence umělé hmoty. Jedině bílé pigmenty reflektují, resp. rozptylují laserové světlo. Doladění světlých absorbujících barev bylo umožněno speciálně vyvinutým IR-absorberem. Novými alternativami jsou tzv. IR-pigmenty. Jejich přednost leží v chybějících migracích.

Pro zjištění hranic procesu byly vykonány např. pokusy s diodovým laserem (délka vlny 940 nm) pro protavování paprskem a pro tupé svary desek z částečně krystalického polyamidu 6-6. Při tom byly měněny procesní parametry - výkon laseru, rychlost procesu a průměr fokusu - a dále parametry materiálu - tloušťka desek (0,5 až 4 mm) a obsah sazí (0,003 až 20%). Protavovací svařovací pokusy vykázaly jasnou souvislost mezi koncentrací sazí a maximální přípustnou tloušťkou protavovaného materiálu pro vytvoření dostatečně pevného svaru. Svařování tupých spojů na sazemi obohaceném polyamidu 6-6 je možné jen do obsahu sazí 0,05% a do tloušťky desek do 1 mm. Spojování dílů s vyšším obsahem vysoko absorpčních plnicích látek vyžaduje transparentní mezivrstvu z druhově stejného materiálu, která vytvoří spáru mezi oběma spojovanými partnery, do které bude laserový paprsek fokusovat. Pro svařování kvazitransparentních umělých hmot byla představena cílená karbonizace (černění) za pomoci na jakost připojeného Nd:YAG-laseru s následným svařením, nebo přes gradient hustoty výkonu (docílený pomoci velmi strmé fokusace laseru). Pro rozšíření použití procesu na mikrosvary se šířkami svarů pod velikostí fokusačního průměru (pod 50 µm) byl ukázáno procesní okno (poměr výkonu laseru v rychlosti posuvu) pro protavovací svařování polycarbonátu bez dotování sazemi a s obsahem 0,3%. Vysoká náchylnost k malým vadám na povrchu dílu (rýhy, znečistění) vyžaduje řízení teploty v reálném čase v zóně svaru, které se může uskutečnit např. pomocí integrované tepelné kamery.

Těžiště výzkumných a vývojových prací v r. 2003 leželo v zabezpečení kvality pomocí monitorování procesu. Zde byly dosaženy významné úspěchy v nasazení pyrometrů pro měření teploty. Úspěchy, zejména při pájení diodovými lasery ve výrobě elektroniky, se dají doložit rentgenovými analýzami. Použitím signálu z pyrometru k monitorování procesu lze zvýšit bezpečnost pájecího procesu (snížení četnosti pórů a jejich velikosti) a přispět ke 100%tní kontrole.

Emise světla je signifikantní indikátor pro hloubku průvaru. Pro rozeznání spojovacích spár a chyb v ustavení se osvědčila úhlová odchylka od svislice odraženého záření Ar-Ion-pilotního laseru.

Nové generace kontrolních senzorů na bázi procesu řezu laserového světla vyrábějí až 2000 výškových profilů svarového spoje za sekundu a vyhodnocují je. Při svařovací rychlosti 6 m/min to samo o sobě znamená, že svarový spoj je v souladu s taktem s rozlišením 50 µm ve všech třech dimenzích plně rozměrově zachycen a analyzován. Kontrolní senzor rozezná druhy chyb, jako jsou chybějící svar, délkové chyby, chyby ve výšce nebo tvaru svaru, díry a póry, okrajové vruby nebo odchylky polohy svaru. Dalším úspěšným on-line procesem kontroly je test ultrazvukem. Jím je možno on-line detekovat hloubku průvaru pomocí reflexe vln na rozhraní pevná/tekutá fáze. Protože žádná z těchto metod neposkytuje plnohodnotnou výpověď o průběhu procesu, používá se pro dosažení zvláště vysoké bezpečnosti monitorování kombinace více senzorů, které zjišťují např. teplotu tavné lázně, intenzitu plazmatu a odražené laserové záření. Elektronové svařování

Byl zpracován přehled pro nové zájemce o elektronové svařování. Kromě základů techniky elektronového paprsku jsou uvedeny i oblasti použití, jako jsou např. nádoby vzdušných vaků, statorové kruhy tryskových motorů, apod.

Pro elektronové svařování ve vakuu byl vyvinut systém přívodu drátu se třemi lineárními stupni volnosti, který pracuje s přesností lepší než 0,1 mm. Ve vzájemné koordinaci s počítačem řízeným vychylovacím systémem elektronového paprsku je možný přísun přídavného materiálu při svařování s různými tvary výchylek. Jako účinná se ukázala oscilace paprsku 0,1 mm od vzduchové spáry, testovány byly vychylovací frekvence mezi 100 a 1000 Hz. Tím je možno rozšířit spektrum nasazení procesu na materiály, které cíleně vyžadují dosáhnout leguru z přídavného materiálu, současně však musí být na základě spojovacích tolerancí svařeny.

Byl podán přehled možností elektronového svařování tenkých plechů. Kromě variant "Remote Welding" (svařování na dálku) a vícepaprskového svařování byl na základě fyzikálních rozdílů mezi laserovým a elektronovým svařováním vysvětlena jeho přednost na zvolených příkladech.

Mikroelektronové svařování umožňuje ještě menší průměry paprsku než mikrolaserové svařování. V důsledku dobré řiditelnosti výkonu paprsku a jeho vychylovatelnosti je možné svařovat ve vakuu bodové a přímé spoje na kovových a nekovových materiálech s nejvyšší kvalitou.

Elektronové svařování v atmosféře (NVEBW) ukazuje na stále větším počtu použití svůj veliký potenciál. Na vzduchu rozptylovaný difusní elektronový paprsek vyniká dobrou schopností překlenutí spáry a umožňuje svařování bez přídavného materiálu. Vlivem velkých svařovacích rychlostí vykazuje malé příkony energie, tomu odpovídá malé smrštění dílů. Při svařování lemových spojů na nosičích přístrojů automobilů se spojují AlMg3-polomisky paprskem o výkonu 18 kW při rychlosti 12 m/min.

Další zpráva pojednává o zkouškách NVEBW-svařování hořčíkových protlačovacích a licích slitin (AZ31, GD-AM-50) a hliníkové protlačovací slitiny AlMg3. Svařovány byly tupé spoje, lemové spoje a Tailored Blanks. Použito bylo 175 kV-NVEBW-elektronové zařízení s maximálním výkonem 25 kW. Pro všechny sledované materiály byla prokázána schopnost metody, při čemž při svařování hořčíkových slitin je procesové okno pro vysokou kvalitu malé. Zkoušky proto pokračují dále s použitím přídavného materiálu.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz