Laserové technologie

Laserové technologie
Vypracoval
Doc. Ing. Stanislav Němeček,
PhD.
Podpis
Datum
Schválil
Doc. Ing. Stanislav Němeček,
PhD.
Podpis
15.6.2013
Datum
15.6.2013
Obsah
1.
Úvod
3
2.
Současný stav laserových technologií
6
2.1
3.
Lasery
6
2.1.1 Lasery s kontinuálním výkonem
2.1.2 Lasery s pulzním výkonem
6
9
2.2
Gravírování a popis
9
2.3
Řezání a obrábění
10
2.4
Úpravy povrchu
11
2.4.1 Vytvrzování povrchu
2.4.2 Navařování vrstev
2.4.3 Přetavování povrchu
11
15
17
2.5
Svařování
18
2.6
Ostatní
Vývoj a blízká budoucnost
3.1
Materiálové problémy
20
20
3.2 Hybridní způsoby kombinace s laserovým paprskem
3.2.1 Hybridní svařování
3.2.2 Svařování horkým drátem
3.2.3 Svařování studeným drátem
3.2.4 Svařování s indukčním předehřevem a dohřevem
21
21
23
23
24
3.3
25
Nové technologie
3.3.1 Nahrazování konvenčních technologií
3.3.2 Zabudování laserů do CNC strojů
3.3.3 Rapid protoryping
25
28
28
3.4
Remote welding
29
3.5
Řízení procesu
29
4.
Doporučená témata pro projekty
30
5.
Literatura
32
2/31
1
Úvod
Monitorovací zpráva podává přehled o současných trendech v oblasti vývoje laserů a jejich
aplikací v technologiích zpracování materiálů. Česká republika má v oblasti laserů a
příslušných oborů fyziky silnou pozici díky Akademii věd, která odkoupila za 1 marku ve své
době vysoce výkonný laser Pals. V současnosti na tuto tradici navazuje vznikající laserové
centrum ELI Beamlines a HiLase v Dolních Břežanech s nejvýkonnějším pulzním laserem na
světě. Laserové technologie v současnosti představuje především řezání, které provozuje řada
firem komerčně, především díky CO2 laserům na zařízeních dodávaných firmou Trumpf.
Existuje však stále rostoucí počet nových případů využití laserů v řadě oborů. V této zprávě
jsou zmíněny ty, které jsou využitelné se strojírenství. Jak dokazuje graf, celosvětově tržby
v tomto segmentu vzrostly od roku 2009 o 50%. Průmyslové lasery jsou tedy perspektivní obor
s velkým dosud nevyčerpaným potenciálem, i pro Českou republiku, která má v tomto ohledu
jistou tradici. Růst se očekává především u vláknových a diodových laserů, které postupně
vytlačují plynové lasery. Nd:Yag lasery jsou v tomto okamžiku pro průmysl překonané a
vlastně již neexistuje firma, která by je vyráběla (výjimkou jsou lasery s nižším výkonem pro
telekomunikace, tiskárny, CD, popis apod.).
3/31
Z počtu citací o laserovém navařování je patrný nárůst zájmu o tuto technologii v posledních
letech. Úzce to souvisí s novými vláknovými (vyráběné od roku 2004) a diodovými (od roku
2001) lasery. V posledních 5 letech je průměrný roční růst počtu společností věnujících se
laserům (výrobci, integrátoři, job shopy…) přes 30%!
Vývoj výkonu vláknových laserů
Využití vláknových laserů vzrostlo o 63% během posledních 3 let!!! To dosvědčuje i postavení
největšího výrobce vláknových laserů, společnost IPG Photonics, v žebříčku 10 nejrychleji
rostoucích firem za poslední 3 roky, kterou provedla společnost Forbes. Úspěšností tedy
konkuruje firmám jako Apple.
Z následujících grafů vyplývá, že pro strojírenské aplikace se potřebný výkon pohybuje od
1kW. Nejkvalitnější paprsek (s nejmenší rozbíhavostí) s nejmenším průměrem (ve stovkách
mikrometrů) se používá pro řezání. Proto zde dosud převládají CO2 lasery, které mají paprsek
téměř ideální. Tím pádem jsou řezy kvalitní. Pro svařování může být paprsek mírně horší,
používají se průměry mezi 0,5 až 1mm. Zde budou v brzké době zcela jistě dominovat
4/31
vláknové lasery, přestože v této chvíli je to z historických důvodů hlavně doména Nd:YAG
laserů. Oblasti v horní části pro kalení, navařování a pájení jsou pokryta zejména diodovými
lasery. Jejich nízké provozní náklady z nich činí konkurenceschopné technologie pro
konvenční způsoby.
Aplikace dle výkonu a kvality paprsku
Aplikace dle výkonu a času
Rozdělení dle hustoty výkonu na ose Y druhého grafu má logické souvislosti. Pro odpařování
materiálu (což se týká vrtání nebo popisování) musí být energie dostatečná pro vznik plazmy.
Při řezání a také svařování stačí materiál natavit a tedy potřebná hustota výkonu je nižší. A pro
kalení je hustota výkonu nejnižší, protože stačí dosáhnout kalicí teploty, obvykle do 1000;C.
Řezání i svařování jsou velmi rychlé procesy, rychlost paprsku bývá od 1m/min až do cca
40m/min. Jedná se tedy o vysoce produktivní technologie. Ani kalení a navařování si ale
v tomto ohledu nezadají, zde se rychlosti pohybují do 1m/min, což je opět několikanásobně
více než při kalení indukcí anebo navařování obloukovými metodami.
5/31
2. Současný stav laserových technologií
2.1 Lasery
Lasery lze rozdělit podle mnoha příznaků. Tím hlavním z pohledu strojírenství je dělení na
pulzní a s kontinuálním výkonem.
2.1.1 Lasery s kontinuálním výkonem
Pro strojírenské aplikace se používají lasery o výkonech od 1 do 20kW. Z typů založených na
plynném médiu jsou to dlouho používané CO2 lasery, které jsou nejvíce rozšířené. Historicky
stejně používané jsou pevnolátkové Nd:YAG lasery. Velmi limitující faktor CO2 laserů je
vedení svazku pomocí zrcadel a hranolů, vedení pomocí optických vláken je mnohem
praktičtější. Současný růst laserových technologií je ale zapříčiněn zavedením nových typů
laserů vláknových, diodových a diskových. Diodové lasery mají poměrně špatný BPP při
vyšších výkonech, takže jsou hlavně používány pro kalení a nanášení vrstev. Diodové a
vláknové lasery však nabírají v současnosti bouřlivý vývoj a začínají rychle nahrazovat desítky
let používané zdroje. Mimo jiné mají až o řád delší životnost! Diskové lasery jsou pro
svařování dobrou volbou, ale jejich pořizovací i provozní náklady jsou značné. Hlavním
důvodem je ale účinnost – oproti dřívějším CO2 a Nd:YAG laserům mají účinnost
v současnosti více než 30%, tedy mnohonásobně vyšší. Tím klesá spotřeba energie a laserové
technologie se stávají cenově konkurenceschopné konvenčním technologiím jako jsou
obloukové svařování, indukční kalení nebo plazmové nástřiky.
Typ laseru
CO2
Nd:YAG
Diodový
Vláknový
Diskový
Vlnová délka [nm]
Absorpce
10 600
nízká
1 064
vysoká
808 -1 030
vysoká
1 070
vysoká
808 -1 030
vysoká
Elektrická účinnost
10 - 15 %
2-5%
25 - 35%
25 - 30%
15 %
Vedení paprsku
přes zrcadla
vláknem
vláknem
vláknem
vláknem
Výkon
až 20kW
až 6kW
až 20kW
až 50kW
až 4kW
BPP (pro 4-5kW)
6
25
44
do 2,5
8
Životnost (hod)
5.000
10.000
100.000
100.000
10.000
Prostor (m2)
3
6
do 1,5
do 1
nad 4
Cena/hod ($)
49 (6kW)
52 (4kW)
23(4kW)
43 (4kW)
Tabulka odlišností výkonových laserů používaných v průmyslu
Laserový svazek má několik specifických vlastností, které ho dělají jedinečným a na rozdíl od
běžného světla použitelný ve strojírenství. Je téměř monochromatický, což znamená, že
vyzařuje vlny o jediné vlnové délce. Ta se liší podle typu použitého laseru a má zásadní vliv na
6/31
oblast použití. Vlnová délka má vazbu na pohltivost povrchem materiálu a tedy účinnost
procesu. Plynové lasery, nejčastěji používané s náplní CO2, pracují s délkou vlny 10,6 m.
Jsou k vidění při řezání a svařování ocelí a dalších kovů. Naproti tomu pevnolátkové lasery,
zastoupené Nd:YAG, pracují v blízkém IR spektru 1,07m. Svařování je jejich typická
doména, i když jsou mírně omezeny výkonem. Nové polovodičové lasery pracují s vlnovou
délkou 800 nm. CO2 lasery mají velmi nízkou účinnost (absorpci), se zkracující se délkou
účinnost roste. V praxi to znamená, že povrch pro CO2 svařování bývá potřeba upravit
(černěním, přebroušením apod.). Kromě toho platí, že pro svařování CO2 laserem potřebujeme
„dohnat“ nižší účinnost vyšším výkonem. Proto pro svaření stejného kusu musí mít CO2 laser
přibližně dvojnásobný výkon.
Diskové lasery
Diodové lasery
Nd:YAG lasery
Vláknové lasery
7/31
Laserové optické hlavy firmy Precitec
2.1.2 Pulzní lasery
Pulzní lasery nacházejí uplatnění především při popisu dílů (gravitování), strukturování
povrchu, vrtání (nebo obecně obrábění) a ručním svařování nebo navařování velmi tenkých a
drobných součástí.
2.2 Gravírování a popis
V této oblasti existuje dostatečné množství výrobců laserů (protože stačí malé výkony) i
dostatečná nabídka strojů. Až na dílčí požadavky vývoje (např. popis nového typu materiálu,
korozní odolnost a stálost popisu apod.) zde není mnoho prostoru pro vědu. Jedinou výjimkou
je výroba solárních panelů, kde probíhá vývoj a zdokonalování výroby článků právě za
asistence laserů.
Ukázky laserového značení výrobků
Detail povrchu po laserovém gravírování
8/31
2.3 Řezání a obrábění
Pro řezání existuje velký počet možností. U obloukových a plamenových metod je hlavní
nevýhodou je tepelné ovlivnění okolí řezu a dále také nízká přesnost řezu. Elektrojiskrové nebo
elektroerozivní řezání je sice přesné, ale málo produktivní. Z hlediska tepelného ovlivnění je
vhodný vodní paprsek, který ale nelze použít pro materiály náchylné ke korozi nebo pro 3D
řezání. Laser poskytuje přesné řezy s malým teplotním ovlivněním. Zde je ale největší
nevýhodou maximální řezná tloušťka, která je oproti ostatním menší. Uvádí se, že pro tenké
plechy do cca 5mm je vhodný laser, pro větší tl. se používají ostatní způsoby. I zde postupně
dochází k nahrazování CO2 laserů vláknovými, jak dokládá spodní obrázek. Z porovnání
nákladů je zřejmý i budoucí trend. Technologie laserového řezání je zavedená a dobře
zvládnutá, vývoj v této oblasti není nutný.
Přesnost řezání v závislosti na použité technologii
Porovnání vhodnosti vláknového a CO2 laseru pro řezání
9/31
2.4 Úpravy povrchu
2.4.1 Vytvrzování povrchu
Rozdíl mezi kalením plamenem, indukcí a laserovým paprskem
Při kalení plamenem je hloubka ohřevu dána relativní rychlostí pohybu plamene po
povrchu. Přenos tepla do materiálu má však malou účinnost a navíc se ohřívá i okolní povrch.
Tím roste doba potřebná pro austenitizaci, hrubne zrno, může dojít ke spálení hranic zrn. Na
povrchu roste oxidická vrstva. O rovnoměrnosti nebo regulaci teploty nemůže být řeč. Při
indukčním kalení je generované teplo závislé na odporu a proudu. Hloubka ohřevu závisí na
frekvenci. Čím nižší frekvence, tím menší hloubka prokalení. Vysokofrekvenční ohřev i tak
trvá řádově několik vteřin, velikost a tvar induktoru závisí na kalené ploše. A vyrobit vhodný
induktor něco stojí. Dosud byla řeč o ohřevu. U obou popsaných případů musí následovat
dostatečně rychlé ochlazení, obvykle prováděné vodní sprchou (nebo polymerním roztokem).
Vždy existuje nebezpečí vzniku páry a parního polštáře, který neodvede teplo dostatečně a
povrch ované ých. Navíc je potřeba vodní hospodářství, odsávání par atd. Podobně jako u
svarů existuje pod kalenou vrstvou přechodová zóna, kde teplota nebyla dostatečná pro kalení
ale na druhou stranu ovlivnila matrici základního materiálu. Naneštěstí jsou tyto změny
většinou k horšímu. Hloubka kalení však může dosahovat až 10 mm.
Laser je zdroj vysoce energetického záření, které může sloužit k ohřevu nebo i natavení
povrchu. Fyzikálně vzato, je to dáno interakcí fotonů laserového paprsku s elektronovou
strukturou materiálu. Jedná se o rychlý děj, probíhající do vteřiny od „osvícení“. I zde je třeba
dosáhnou teploty austenitizace povrchové vrstvy, přechodová oblast prakticky neexistuje. Jak
poznáme dále, je to jeden z důvodů minimalizace deformací. Rozdíl je i v odvodu tepla –
nastává tzv. samokalením. Není třeba povrch chladit zvenku přiváděnou kapalinou (konvekcí),
protože matrice uvnitř zůstala studená a odvod tepla vedením je dostatečný. Dá se tedy
předpokládat, že transformace začíná probíhat „zevnitř“ materiálu a vnější povrch chladne
naposled. Podobný efekt nastává při cementaci díky koncentračnímu gradientu uhlíku. Na
cementovaném povrchu je vyšší obsah uhlíku a tedy lokálně nižší teplota Ms. Obsah uhlíku od
povrchu do matrice klesá a tím naopak teplota počátku martenzitické transformace stoupá.
Výsledkem jsou tlaková pnutí na povrchu, která brání rozevírání a šíření trhliny. A proto mají
cementované vrstvy lepší únavovou životnost než indukčně kalené vrstvy. Laserové kalení
bude v tomto případě ležet někde mezi, ale příslušné experimenty dosud nebyly zveřejněny.
Limitujícím faktorem se stává tloušťka stěny kalené součásti – pomůcka říká, že stěna by měla
být alespoň 10x silnější než kalená hloubka. Nic není ztraceno – drobné díly je možné
přichladit proudem vzduchu nebo ochlazením do nádrže s chladícím médiem. Druhým
limitujícím parametrem je maximální hloubka prokalení cca 2 mm v závislosti na vodivosti
materiálu. Tuto hranici nelze obejít ani ované ých laserem, ani pomalejším pohybem
paprsku. Velkou pomocí je ale hybridní kalení – kombinace laserového paprsku zároveň
s induktorem. Jedná se o poslední novinku v oblasti povrchového kalení a jen velmi málo firem
na světě ji zatím používá.
Při kalení laserem je jeho výkon regulován pyrometrem s přesností kolem 10°C. To je
nezbytné např. při kalení střižných hran, aby nedošlo k natavení nebo oduhličení povrchu
materiálu. Stejnou službu poskytuje pyrometr i při kalení ozubení, kdy se v patě zubu odvádí
teplo více a je třeba výkon zvednout oproti hlavě zubu, kde se výkon snižuje. Následkem
vysoké rychlosti procesu se dosahují jemnozrnné struktury, takže je významně potlačen vznik
10/31
kalících trhlin. A to i u materiálů, kde se po indukčním kalení trhliny objevují. Další rozdíl je
ve vlastním odvodu tepla. Díky vysoké intenzitě paprsku se prohřeje povrch rychlostí 1000°C
za vteřinu a teplo si odvede materiál sám. Při indukčním kalení (i plamenem) se povrch
ochlazuje chladící kapalinou. Praktickým důsledkem je kromě potřeby příslušného vodního
hospodářství a znečištění povrchu zejména velikost deformací. Ohřátí minimálního objemu
materiálu u laseru výrazně omezuje deformace, odpadá nutnost rovnání, přídavky na obrábění
tvrdého kaleného materiálu jsou minimální (nebo dokonce nulové) atd. Indukční kalení
vyžaduje zvolit (a zaplatit) induktor patřičného tvaru a velikosti, takže kalení menších sérií se
může prodražit. Laserový paprsek je modulární a lze s ním lokálně kalit jen ty oblasti, kde je to
technologicky nutné. Uvedené technologické výhody navádějí k využití laserového kalení při
výrobě forem, ozubených kol, turbinových lopatek, obráběcích strojů, nástrojů a nářadí.
Aplikace
LASEROVÉ KALENÍ FOREM A NÁSTROJŮ
Laserové kalení forem a nástrojů patří mezi nejčastější případy. Patří mezi ně nástroje
na ostřihování plechů a textilií do automobilů, formy na výlisky z plechů nebo vstřikování
plastů, kalení pinčovacích hran, dělících ploch forem aj. Výhodou je možnost přesného
lokálního kalení a velmi nízká oxidace povrchu. Díky tomu lze laserové kalení zařadit jako
finální operaci v technologickém postupu, bez nutnosti dodatečného broušení zakalených míst.
Je možno povrchově zakalit malé segmenty, vložky i několikatunové formy velkých rozměrů.
Zakalené střižné hrany nástrojů
Litinová forma na lisování plechů
11/31
Formy na vstřikování plastů
Kalení pinčovacích hran nástroje
LASEROVÉ KALENÍ OZUBENÝCH KOL
Ozubená kola, tyče nebo pastorky patří většinou mezi velmi namáhané strojní součásti.
Z tohoto důvodu se proto pro zvýšení jejich životnosti používá povrchové kalení. Při použití
laserového kalení odpadá nutnost výroby speciálního induktoru. Bez větších problémů lze
zakalit libovolný tvar a modul zubu, jak na vnějším, tak na vnitřním ozubení. Za pomoci
přídavného otočného stolu se dají laserově zakalit ozubená kola o velikosti několika centimetrů
až po kola o průměru několika metrů, sestavené z více segmentů. Zakalená vrstva není
náchylná na vznik povrchových trhlin a tepelné zatížení okolního materiálu je velmi nízké.
Zakalené ozubené kolo
Kalení vnitřního ozubení
12/31
Kalení velkých průměrů
Ozubená kola malých rozměrů
LASEROVÉ KALENÍ HŘÍDELÍ A ČEPŮ
Materiál hřídelí se volí podle velikosti a charakteru provozního zatížení (statické,
rázové, střídavé), opotřebitelnosti, možnosti tepelného zpracování atd. Ve společnosti MATEX
PM se běžně laserově kalí hřídele a čepy z materiálů 1.0503, 1.6582, 1.1221, 1.4021, 1.5122,
1.6511, 1.7131 nebo 1.7561. U těchto dílů lze zakalení provést podélně nebo po dle požadavků
zákazníka. Jako u ostatních výše uvedených příkladů se laserově kalí jak malé čepy, tak
několikametrové hřídele. Deformace po zakalení jsou minimální i u velmi dlouhých dílů a
proto není obvykle nutné dodatečné rovnání a broušení. Z tohoto důvodu je možné snížit
přídavky pro broušení, čímž se redukují další výrobní náklady.
Obvodově zakalené čepy
Kalení hřídelí velkých průměrů
LASEROVÉ KALENÍ STROJNÍCH DÍLŮ A DÍLŮ PRO ENERGETIKU
K dalším příkladům patří laserové kalení dílů pro obráběcí stroje (lože, čelisti,
smykadla) nebo kalení funkčních ploch nástrojů pro ohraňování. Časté je také zpracování
lanovic, objímek nebo vodících lišt. V energetice to jsou především lopatky parních turbín, kde
13/31
se díky zakalení náběžné hrany zvyšuje odolnost proti kavitačním účinkům kondenzované
páry.
Laserové kalení smykadla
Laserové kalení drážek lanovnice
2.4.2 Navařování vrstev
Povrch součásti má svoje specifické vlastnosti, dané nesymetrií vazeb. Zatímco atomy
uvnitř materiálu mají symetrické okolí a vazby se sousedními atomy, na povrchu jsou atomy
vázány jen směrem dovnitř. To ovlivňuje spoustu procesů, od koroze až k iniciaci únavových
lomů. Inženýři se tomu brání řadou technických triků, povrchovým kalením, cementací, nátěry,
kuličkováním, vytvářením různých vrstev atd. I vrstvy mají pestrou paletu možností, počínaje
tenkými atomárními vrstvami mazadla, přes PVD a CVD povlaky nástrojů až po silnostěnné
návary elektrodou nebo pod tavidlem. Někde mezi tím se nachází oblast vrstev s tloušťkou
desetin až jednotek milimetrů, nanášených HVOF (high velocity oxygen fuel), plasmou nebo
laserem. Je zde několik rozdílů s dopadem na konečné vlastnosti povrchu. Asi nejsilnějším
konkurentem laserového navařování jsou žárové nástřiky (HVOF). Zásadní rozdíly vyplývají
z principů obou technologií. Laserové návary jsou metalurgicky propojeny s podkladem, tzn.
Dosahujeme zde určité míry promíšení podkladového a přídavného materiálu. Tím je zajištěna
vysoká míra přilnavosti. Vrstvy nanesené metodou HVOF toto promíšení nevykazují, dochází
pouze k částečnému difuznímu propojení obou materiálů. Přilnavostí se tedy HVOF nástřiky
těm laserovým nemohou rovnat. Podobné je to s ované ýc a korozní odolností. Při
laserovém navařování působí energie laserového svazku i v okamžiku přilnutí roztaveného
prášku k podkladu. Vytvářejí se tak celistvé vrstvy s prakticky nulovou pórovitostí. Naproti
tomu HVOF nástřiky jsou vysoce porézní a ztrácí funkci korozní ochrany. Po dopadu
nataveného prášku na deponovaný povrch totiž není přiváděna energie, která by umožnila
dokonalé propojení jednotlivých natavených zrn s podkladem. Cenově si jsou obě technologie
blízké, používají totožné přídavné materiály.
Plasma vnáší do povrchu množství tepla, což může vést k deformacím součásti nebo
k degradaci vlastností povlakovaného materiálu. Má to ještě jiný nepříjemný dopad. Na
příkladu navařování karbidů wolframu je vidět, že regulací výkonu laserového paprsku
zůstávají karbidy ostrohranné, zatímco horší regulace vneseného tepla při plazmovém
navařování může vést k částečnému nebo úplnému rozpuštění karbidů. Tím se pochopitelně
výrazně mění vlastnosti vrstvy, dochází k praskání atd. To platí i o obloukovém a
14/31
podtavidlovém navařování. Ruční navařování elektrodou – tzv. MMA je v porovnání s laser
claddingem cenově, časově i kvalitativně nevýhodné. Jedná se o ruční práci, kdy přídavky na
následné obrobení jsou několikanásobně vyšší. Do materiálu je vneseno daleko více tepla,
dochází k deformacím součásti. Velmi často je pro MMA proces nutný předehřev, i tak se ale
objevují problémy s praskáním návarů a jejich pórovitostí. Cena přídavného materiálu je
výrazně vyšší než pro laser cladding.
Klasické a roky známé laserové navařování pulsním laserem, za ručního přivádění
přídavného drátku, je vynikající pro opravy drobných licích vad nebo vylomených hran forem
a nástrojů. Při opravách souvislejších ploch je ale časově náročné, drahé a tudíž neefektivní.
Proces laserového navařování prošel vývojem a řadou změn. Během posledních 4 let
klesla cena laserového navařování na polovinu! I proto se dnes stejný proces skrývá pod řadou
názvů. Aktuálně nejpoužívanější jsou laser clading, ované metal deposition (DMD) nebo
laser metal depositum (LMD) a jejich kombinace. V prvních pokusech byl prášek nanášen na
povrch pomocí gelové suspenze a po zaschnutí přetaven laserem. Díky celkové složitosti
následovala varianta, kdy byl prášek přiváděn ze strany pomocí trysky do osy paprsku. Hlavní
nevýhodou byla nerovnoměrnost tloušťky vrstev. V současnosti se používá tzv. koaxiální
uspořádání. Dochází ke kovovému spojení se stupněm promícháním kolem 5%. Promíchání je
tedy výrazně menší než u obloukového navařování (projeví se menším pnutím), ale zase větší
než u HVOF (tam není povrch nataven a promíchání je 0%, což snižuje přilnavost vrstvy).
Celý proces probíhá velmi rychle, podkladový materiál se prohřívá jen málo, což vede
k rychlému odvodu tepla z vytvořené vrstvy. Výsledkem jsou příznivé jemnozrnné struktury
s vyšší tvrdostí než je běžné u ostatních metod. Tloušťka vrstvy bývá do 2 mm, ale je možné
nanášet vrstvy postupně i ve větších tloušťkách, roste ale i nebezpečí odloupnutí vrstvy. Pod
vrstvou bývá zakalená teplem ovlivněná oblast základního materiálu se zhruba stejnou šířkou
Na rozdíl od známého ručního navařování pulsním laserem, kterým se opravují drobné
licí vady a defekty, se laser cladding používá spíše pro souvislejší plochy. Celý proces je plně
automatizovaný. Přídavný materiál ve formě prášku je souběžně s laserovým paprskem
směrován na povrch deponované součásti. Prášek se interakcí s laserovým paprskem taví ještě
před dopadem na povrch, kde díky stále působícímu laserovému záření dojde k jeho
metalurgickému propojení s částečně nataveným podkladem. Nanášené vrstvy se tak vyznačují
vysokou přilnavostí a nulovou pórovitostí.
Obvyklá tloušťka nanesené vrstvy se pohybuje v rozmezí 0,2 – 2 mm, přičemž vrstvy
lze klást na sebe až do několikacentimetrové výšky. Šířka jedné stopy je závislá na laserové
optice a výkonu laseru. Typicky se pohybuje kolem 5 mm, přičemž vrstvy se skládají vedle
sebe se zhruba milimetrovým překryvem. Právě díky metalurgické vazbě na rozhraní vrstva /
substrát je možné návary obrábět frézkou či soustruhem. Broušení se volí u tvrdých a tudíž
hůře obrobitelných vrstev nebo jako finální úprava povrchu. Díky vysoké přesnosti procesu ve
většině případů postačuje přídavek 0,5 mm.
15/31
Porovnání výkonnosti laserů při navařování
Opravy povrchů
Stává se, že po obrábění zůstane malý přídavek na plochu nebo se změní výkresová
ované ých . Stejně tak se provádějí repase strojních součástí, kde došlo k poškození
povrchu. Zvláštní pozor by v tomto případě měli dávat ované ý firem obráběcích strojů a
hyd ované ých zařízení, což jsou obory s největší perspektivou využití zmi ované
technologie. Přidávaný prášek má většinou obdobné chemické složení jako základní materiál
nebo může být vhodně dolegován. Ušetří se značné náklady na výrobu nových dílů, o zkrácení
výrobního času nemluvě.
Lepší vlastnosti povrchů
Zlepšit povrchové vlastnosti jinak „neušlechtilého“ materiálu lze nanesením vrstvy
optimalizované pro dané použití. V praxi to znamená nerezové prášky pro korozní odolnost,
kobaltové (Stelitové) vrstvy pro zlepšení otěruvzdornosti, niklové vrstvy pro vysokoteplotní
aplikace případně karbidické a keramické prášky pro vysoké tvrdosti. Výhodou prášků je
zejména široké a volitelné spektrum chemického
Rapid prototyping
V případě, že je potřeba vyrobit kusový díl se složitou vnitřní architekturou, kterou mohou být
třeba chladící kanálky uvnitř formy na vstřikování plastů, je možné vystavět takový kus vrstvu
po vrstvě. Jiným příkladem mohou být lopatky turbin leteckých motorů z niklových nebo
titanových slitin. Pokud se jedná o kovový díl, je laser cladding hojně používán.
2.4.3 Přetavování povrchu
Právě přetavování je jednou z možných aplikací, většinou používanou pro přípravu
kovových skel nebo amorfních vrstev. Pokud při claddingu nepřidáváme prášek, dochází
k natavení povrchu se zajímavými vlastnostmi.
16/31
Přetavením povrchu litiny dostáváme dvě zóny s rozdílnou strukturou i tvrdostmi. Pod
povrchem kde došlo k přetavení není původní grafit, ale vzniká bílá litina s velkým podílem
velmi jemného ledeburitu, vyplněného v meziprostorech martenzitem a zbytkovým
austenistem. Tvrdosti se pohybují kolem 1000HV. Následuje překalená oblast, kde sice
nedošlo k natavení, ale k zakalení. I zde jsou velmi vysoké hodnoty tvrdosti, stále přesahující
500HV. Kolem grafitu dochází k difuzi a přesycení uhlíkem, takže částice jsou lemovány
ledeburitem. Ve struktuře ale převládá martenzit a zbytkový austenit, jehož podíl směrem
dovnitř materiálu klesá. Dalším příkladem mohou být dvě sousedící přetavené stopy na
uhlíkové oceli C45. Průběh tvrdosti ukazuje jednak hloubku kolem 1mm a pozvolný přechod
do základního materiálu, zajímavá je ale i vlastní tvrdost kolem 900HV. Tedy víc než po
povrchovém kalení, kde bývá kolem 630HV v souvislosti s obsahem uhlíku 0,45%. Na
povrchu je tvrdost trochu nižší, což je možné přičíst nepatrnému oduhličení nebo přesnosti
měření.
2.5 Svařování
V posledních letech byla na trh uvedena řada nových typů ocelí. Uvádí se, že až 70%
v současnosti používaných ocelí v automobilovém průmyslu bylo vyvinuto v posledním
desetiletí. Mají splňovat vysoké a často protichůdné nároky, např. na pevnost při zachování
dobré tažnosti, korozní odolnost při co nejnižším stupni legování, dobrou tvařitelnost při velké
pevnosti a tuhosti konstrukce atd. Společným rysem uvedených ocelí je jemnozrnnost, přesně
určená struktura i podíl fází a jasně dané mechanizmy zpevnění. V návaznosti na to musíme
uvažovat o nových technologiích, kterými budeme takové moderní materiály zpracovávat –
tvářet, řezat, obrábět nebo svařovat. To snad nejlépe dokumentuje nárůst množství svarů na
vozidlech ze Škoda Auto. Počet metrů laserových spojů na jednotlivých vozech jde
chronologicky: Octavia – 0 m, Fabia – 1,1 m, Superb – 3,1 m, „nová“ Octavia – 6,7m. U
vozidel Volvo XC60 je 10 metrů svařeno laserem a obdobné příklady poskytnou i všechny
ostatní producenti. Zmiňované spoje jsou k vidění především v oblasti sloupků a střechy, tedy
míst, kde jsou aplikovány nejmodernější ultrapevné oceli pro vyšší bezpečnost.
Svařování ovlivňuje materiál v okolí spoje a většinou degraduje původní vlastnosti. U
vysokopevných jemnozrnných nebo vícefázových ocelí lze očekávat problémy ještě výraznější.
Dosavadní výsledky ukazují, že řada obtíží vznikajících při konvenčním svařování
nejběžnějšími obloukovými metodami může být potlačena užitím laserového paprsku.
Hlavními výhodami laserového svařování je menší vnesené teplo a odlišná geometrie spoje.
Méně tepla ve svaru (díky vysoké energii a rychlosti svazku) znamená menší ovlivnění okolí
svaru, jemnější strukturu, menší deformace a zbytková pnutí. Odlišná geometrie spoje, tedy
poměr mezi šířkou a hloubkou svaru, přináší další profit s ohledem na deformace.
U konstrukčních nízkouhlíkových ocelí jsou mechanické vlastnosti spoje blízké pevnostem
původního materiálu se strukturou nízkouhlíkového martenzitu. S rostoucím obsahem uhlíku
stále vzniká martenzit a tvrdost spoje roste. To lze omezit předehřevem nebo např.
bezprostředním ohřevem induktorem za svarem. Při vysokých rychlostech svařování nad
2m/min klesá náchylnost k tvorbě trhlin za horka. Jak bude demonstrováno dále, pevnosti spoje
17/31
se i zde blíží původnímu materiálu. I vrubová houževnatost je vysoká ve srovnání
s obloukovými metodami. Příčinou je pravděpodobně jemnozrnnost svaru i ovlivněného okolí.
Velikost vláknových a diodových laserů s výkonem do 6kW se pohybuje kolem 400kg a
nejsou o mnoho větší než výkonná svářečka (nepočítáme-li s chlazením). Současné hranice
laserového svařování se pohybují u jednostranného svaru do hloubky provaření 34mm při šířce
svaru 2 mm (poměr hloubky k šířce je asi 5 pro diodové a asi 20 pro vláknové lasery) . K tomu
je potřeba výkon zhruba 30kW a BPP do 10 mm/mrad. I tak se svařovací rychlosti pohybují v
řádech 1-15 m/min. Aktuálně nejvýkonnější průmyslově použitý vláknový laser má výkon až
100kW
Vysoká výkonová hustota laserového paprsku spolu s krátkou dobou působení je základní
předností laserového svařování ústící v nízké tepelné ovlivnění
18/31
3
Vývoj a blízká budoucnost
V následujících kapitolách jsou stručně popsány technologie laserového zpracování, jejichž
vývoji je v dnešní době věnována velká pozornost ve většině průmyslově vyspělých zemí.
3.1 Materiálové problémy
I po poměrně dlouhé době nejsou dosud některé materiálové jevy dostatečně prostudovány a
pochopeny. Týká se to např. chování taveniny v keyhole a související vznik trhlin a pórů.
Stejně tak není zcela popsán vliv ochranných plynů na geometrii svaru a jeho vlastnosti.
Rychlost procesu způsobuje vznik nových (většinou nestabilních) struktur mnohdy s poněkud
odlišným fázovým složením oproti běžným tavným metodám. Z toho pramení poněkud odlišné
vlastnosti spojů. A právě zde je velké pole možností. Např. nejsou známy například creepové
vlastnosti takových svarů pracujícíh v energetice za zvýšených teplot. Podobný příklad pro
kalení – není známo únavové chování laserem kalených povrchů, v některých experimentech
vychází lépe, v jiných hůře oproti konvenčnímu indukčnímu nebo objemovému kalení.
Podobně při navařování prášků – vrstvy se chovají jinak ve srovnání se stejným materiálem
naneseným plazmou nebo obloukem. Právě tyto materiálové záležitosti je třeba prozkoumat,
protože bez nich je zavedení této technologie do průmyslové praxe nemožné. Alespoň pro
náročnější aplikace jako energetika, transportation, petrochemický průmysl atd.
3.2 Hybridní způsoby kombinace s laserovým paprskem
Nejčastější způsob laserového svařování je bez přídavného materiálu. Svar má tak stejné
chemické složení jako okolní materiál. Příkladem využití může být svařování ataborových
šestihranů pro jaderné strojírenství. Jedná se o nerezový materiál legovaný borem, kam nesmí
přijít jiný typ materiálu vzhledem k absorpci nebezpečného záření. Proto je možné tyto články
pro ukládání vyhořelého paliva svařovat pouze laserovým nebo elektronovým paprskem.
Oproti tomu laserový svar díky rychlému ochlazení dosahuje větších tvrdostí, které lze
v obloukových metodách redukovat použitím nízkouhlíkových nelegovaných feritických
přídavných materiálů.
Pro aplikace, kde není možné dokonale sesadit díly k sobě a je potřeba přídavný
materiál jsou dvě alternativy řešení. Jednou je přidat materiál drátem (tzv. cold wire) nebo
práškem. To se blíží klasickému svařování nebo navařování. Druhou alternativou je
tzv. hybridní svařování. Jedná se o kombinaci laseru a obloukového svařování (nejčastěji
MIG). Hybridní svařování je zavedeno ve specializovaných firmách, jedná se o poměrně
technicky náročné zařízení, které není běžně dostupné.
Jednou z hlavních nevýhod absence přídavného drátu je nedoplnění svarového kovu při
horším sesazení svařovaných ploch. Spolu se snahou o zefektivnění svařovacího procesu to
vede ke snaze modifikovat laser některým z dále jmenovaných způsobů. Základem je stále
paprsek laseru s jeho přednostmi, doplněný o klasickou svářečku nebo alespoň přídavný
materiál. Takovým způsobem lze modifikovat chemické složení svaru a tím i jeho mechanické,
korozní a další vlastnosti. Je to poměrně nový způsob, dosud zavedený především pro pájení
pozinkovaných plechů v automobilovém průmyslu. Lze ale očekávat rostoucí počet aplikací.
19/31
Stejně tak je možné drátem navařovat povrch. Je to méně efektivní způsob oproti prášku, lze
ale navařovat i v jiných polohách než PA. Také výběr přídavných materiálů je v provedení pro
drát větší, vyšší bývá ale i cena.
3.2.1 Hybridní svařování
Hybridní svařování spočívá v kombinaci laserového paprsku s některou obloukovou
metodou. Paprsek provádí hluboké a kvalitní svařování kořene bez přídavného matriálu,
zatímco souběžně přivedená elektroda dodává obloukem chybějící přídavný materiál hlavě
svaru.
V porovnání s klasickým svařováním poskytuje hybridní způsob úsporu výrobního času i
přídavného materiálu. Jednovrstvý svar je možné provádět bez přípravy svařovaných ploch do
tl. více než 10mm, bez broušení, frézování. Dalším bonusem je vyšší rychlost svařování,
podobně jako u prostého laserového svařování. Oproti němu ale přídavný materiál z elektrody
doplní svarový kov a zvětší tavnou lázeň, takže klesají požadavky na přesnost sesazení spoje.
MIG/MAG LASER HYBRID WELDING se stává stále populárnější nejen v automobilovém
průmyslu, ale i v menších firmách vyrábějících díly pro dopravní techniku a strojírenství.
Obvykle se svařují materiály se stěnou 2-10mm. V automobilovém sektoru jsou využívány
např. u Volkswagenu nebo Audi, laserové zdroje mají výkon 2-4kW, svařovací rychlost
4m/min. Stejné platí pro nákladní a kolejovou techniku. Firma Meyer je výkladní skříní
laserového svařování v lodním průmyslu, známá i v ČR. Používají lasery Nd:YAG do 6kW a
CO2 lasery s výkony 25kW. Výkon současných laserů již umožňuje jejich aplikaci v energetice
pro větší sílu stěny (přes 15mm) a rychlosti nad 1m/min. Letecký průmysl je dalším sektorem
s potenciálem využití i pro svařování Ti a Al slitin.
Jako první kombinoval TIG s laserem William Steen (autor asi nejlepší knihy o
laserových aplikacích) na univerzitě v Londýně již v druhé polovině sedmdesátých let. Nová
technologie musela na praktické využití dlouho počkat, prakticky až do konce století. Teprve
s vyšším výkonem laseru, jeho nižší ceně a vylepšené účinnosti začal být uplatňován nejprve
pro tenké plechy a později i pro silnější materiály.
Výhody:





Zvýšení produktivity až o 40% proti obloukovým metodám (zkrácení času svařování o
57 % u nízkolegované oceli tl. 10 mm)
Méně přídavného materiálu (až o 70 % u nízkolegované oceli tl. 10 mm)
Redukce přípravy spoje u silnějších materiálů, hlubší provaření v jedné vrstvě, lepší
překlenutí mezery
Menší deformace, zmenšení následných operací a rovnání
Stabilní proces s vysokou kvalitou
20/31
Firma Fromius je lídrem v oboru hybridního laserového svařování
Na obrázku je vidět, nebo spíš tušit, uspořádání hlavy pro hybridní svařování. Je to ale jen
konec celého zařízení, chybí zdroje laseru i oblouku a celá řada dalších maličkostí. V principu
se zdá vše jednoduché, realita nastavení je složitější. Vpravo jsou řezy svarem s typickou
geometrií. Úzký svar v kořeni tupého svaru minimalizuje tepelné ovlivnění materiálu, oblouk
MIG/MAG nebo i TIG doplní hlavu a vzniká typický Y svar. U koutových svarů profilů mají
někdy stavební projektanti požadavky na ostrý roh s minimálním rádiusem z vizuálních
důvodů. Zde je laserové svařování bez přídavného materiálu ideálním nástrojem. Oproti tomu
strojní konstruktéři zejména u dynamicky namáhaných konstrukcí volí rádiusy co největší
s ohledem na snížení koncentrace napětí. Tady pak dominuje hybridní způsob.
Hybridní svařování podporované plasmou se používá v aplikacích, kde je požadován menší
vstup tepla než u LATIG, např. svařování polotovarů na míru (TWB – tailor welded blanks),
přeplátované svařování galvanizovaných ocelí, svařování hliníku a tenkých ocelových plechů.
Dochází zde k synergické interakci laserového záření a plasmového oblouku, který předehřívá
povrch obrobku bezprostředně před dopadem svazku, zvyšuje absorptivitu povrchu a zároveň
je laserovým svazkem usměrňován. Galvanizované oceli jsou používány pro výrobu skeletů
automobilů (BWI - body-in-white) z důvodu zajištění odolnosti proti korozi. Při laserovém
svařování je povrchová vrstva zinku odpařena ještě před natavením základního materiálu (Tvar
Zn = 907 °C, Tmelt Fe = 1500 °C) a unikající páry zinku způsobují vznik okují a pórovitost
svaru. Při laserovém hybridním svařování je zinková vrstva předem odstraněna čelním
plasmovým obloukem a nedochází tak ke vzniku defektů, což dokazují výsledky experimentu s
ocelí JIS G 3302 1 mm silné.
Technologie LALP (liquid assisted laser processing) jsou rozvíjeny v posledních 25
letech, řada z nich je patentována a již průmyslově využívána. Ucelený přehled dosavadních
výsledků zpracoval velmi podrobně A. Kruusing v publikaci. Kromě vody jsou využívány další
kapaliny jako např. organická rozpouštědla, tekuté kovy (rtuť, galium), roztavené soli (NaNO3,
KNO3) nebo v některých případech kapaliny ve zmrazeném stavu (led, pevný dusík a čpavek).
Cílem ponoření obrobku do vhodné transparentní kapaliny během laserového řezání a
vrtání je zamezit ulpívání spalin a okují na kontuře řezu nebo otvoru, eliminace kuželovitosti
otvoru, omezení rozsahu tepelně ovlivněné zóny chlazením, záchyt pracovních plynů a zplodin
21/31
nebo zamezení praskání křehkých materiálů. Laserovou ablací pevných látek, ponořených do
kapaliny, jsou vytvářeny koloidní mikro a nanočástice stříbra, mědi, platiny a dalších kovů,
využívaných v nanotechnologiích. Unikátní technologie Laser MicroJet® byla vyvinuta ve
Federálním technickém institutu, Lausanne, Švýcarsko a je exklusivně vyráběna ve firmě
SYNOVA. Laserový svazek pulsního Nd:YAG laseru o průměrném výkonu 10 W – 200 W je
veden vodním paprskem o nízkém tlaku a průřezu 25 m – 100 m, který chladí hrany řezu a
efektivně odstraňuje okuje z řezné spáry. Eliminují se tak tepelná poškození obrobku,
kontaminace okujemi, oxidace hran a vznik mikrotrhlin. Voda plní funkci optického vlákna,
kdy k totálnímu odrazu záření dochází na rozhraní s okolním vzduchem a laserová stopa si
udržuje konstantní průměr. Technologie je zvláště vhodná pro křehké a tvrdé materiály jako
např. polovodiče (křemík, karbid křemíku, arsenid galia), keramiku, polykrystalický diamant,
kubický nitrid bóru a nitrid křemíku, z kovů pak pro nerez, mosaz a materiály s tvarovou
pamětí (Nitinol).
Princip technologie Laser MicroJet®
3.2.2 Svařování horkým drátem
Při hybridním svařování ovlivňuje výsledek řada parametrů a celý proces je poměrně
složitě nastavitelný. Celky pro hybridní svařování jsou drahá zařízení. Lze to zjednodušit tzv.
horkým drátem. Pod laserový paprsek je přiváděn drát jako při hybridním způsobu, nižší
proudy však neumožňují vznik oblouku a drát je pouze ohříván. K jeho tavení dochází až
interakcí s laserovým paprskem. Odpadá tak řada parametrů, stačí pouze slabý zdroj i slabší
laser.
3.2.3 Svařování studeným drátem
Ještě jednodušší alternativou je svařování a navařování pomocí studeného drátu. Většina
energie laseru provede zavaření, část je ale absorbována drátem, který se taví a dodává
chybějící materiál do svaru. Celá sestava je velmi jednoduchá – k laserové svařovací hlavě je
připojen podavač drátu, obr. 2. Ten musí být nezbytně synchronizován se zapínáním laseru a
vzhledem k průměru paprsku (desetiny milimetru) přiváděn s velkou přesností do tavné lázně.
22/31
Variantou je i provést nejprve svar laserem a v druhém kroku přídavným drátem doplnit hlavu
svaru nebo rádius svaru koutového. Což významně řeší nejzásadnější problém laserů – přesnost
sesazení spoje při zachování vysokých svařovacích rychlostí. Vhodná volba drátu opět může
zmírňovat tvrdost svaru atd. Metodou cold wire welding a navařováním pomocí drátu se
v současnosti firma MATEX PM zabývá velmi intenzivně. Metoda by měla být zavedena v létě
do rutinní nabídky firmy, která tak bude, dle dostupných informací, jedinou společností v ČR
nabízející tento proces.
Běžně zavedenou modifikací je pájení pomocí laseru. Uspořádání je stejné, jen drát není
ocelový, ale jako měděná pájka. Tento způsob jako první zavedli opět automobilky, kde
nahradil svařování nejprve na kufrech aut, v místech s častým výskytem koroze. Plechy jsou
pozinkované, při svařování docházelo k odpařování zinku a odtud ta následná koroze. Jiným
případem uplatnění laserového pájení jsou obtížně svařitelné materiály.
Laserová hlava s přídavným drátem
3.2.4 Svařování s indukčním předehřevem a dohřevem
Jako ostatní metody má i svařování laserem svá omezení u vysokouhlíkových a
legovaných materiálů. Přestože se svařují většinou tenčí plechy. Klasický předehřev je
vzhledem k robotizaci a rychlosti svařování těžko proveditelný. Objevují se studie a
experimenty, kdy je přidán induktor, který předehřev nebo dohřev zvládne a problémy
s praskáním a tvrdostí svaru jsou odstraněny. Laser se používá také ke kalení a navařování
vrstev, jak je zřejmé z ostatních příspěvků. I tam má induktor příznivý účinek na potlačení
trhlin. Nemusí to být ani za cenu většího vneseného tepla, protože výsledky ukazují až
zdvojnásobení rychlosti laserového procesu! Za jednotku času se hybridním způsobem (laser +
induktor) nanese více navařovaného prášku, provede se delší svar nebo je hloubka prokalení
větší. Jinými slovy: buď se vyrobí víc, nebo lze ušetřit náklady pořízením slabšího (a tím
levnějšího) laserového zdroje.
23/31
Indukční předehřev při svařování vysokouhlíkových ocelí a litin, svar bez předehřevu a s
předehřevem.
3.3 Nové technologie
3.3.1 Příklad náhrady konvenční TIG nebo odporové technologie laserovou
Typická linka pro výrobu svařovaných trubek se skládá ze série tvářecích válců „rolen“,
pro vytvarování rovného pásu plechu, který vstupuje do linky z cívky. Uprostřed linky se
umisťuje svářecí uzel, kde je profil přesně pozicován, svarová spára se udržuje ve správné
pozici, někdy se pod svar přivádí ochranný plyn, provádí se on-line kontrola svaru apod.
Někdy následuje vyžíhání svaru pomocí indukce nebo hořáku. Na konci linky se nachází
řezačka, která dělí profily na předepsanou délku a manipulátor pro jejich skládání.
Obvykle se v těchto výrobních linkách používá svařování TIGem nebo indukcí. Díky
spolupráci uvedených firem jsou nyní nabízeny linky s laserovým sváření, případně upgrade
konvenčních linek na laserové.
24/31
Rychlost svařování
Za nejdůležitější parametr těchto výrobních linek bývá uváděna rychlost výroby, ta je
omezena zejména rychlostí svařování, případně dělení na konci linky. Pro ilustraci budeme
dále uvažovat nejběžnější konfiguraci, tedy spoj natupo a tloušťku materiálu 1mm. V případě
laserového sváření je dnešními lasery snadno dosažitelná rychlost 10 m/min, což je podstatně
více, než u konvenčního TIGu, ale méně, než u sváření indukcí. Avšak laser dosahuje těchto
rychlostí i u větších tlouštěk materiálu, i u austenitických ocelí, je to jen otázka výše investice
do výkonu laseru. V současné době se uvádí do provozu laserová linka s rychlostí přes
20 m/min.
Vnesené teplo a spotřeba energie
Největší technologický rozdíl mezi laserovým a konvenčním svařováním je v mnohem
nižším vneseném teplu v případě laseru. To je způsobeno velmi vysokou hustotou dodávaného
výkonu a projevuje se mj. úzkým a hlubokým svarem s rychlým přenosem tepla ze spoje do
okolního materiálu. Výpočtem a realistickým odhadem absorpce energie laseru jsme
porovnávali množství dodané energie do materiálu pro svar vysokopevné oceli tl. 1 mm.
V případě laseru činí přibližně 15 J/cm , oproti tomu v případě TIGu 60 J/cm a pro MAG
85 J/cm.
Tento výpočet je klíčový pro stanovení provozních nákladů (viz dále) a má významnou
souvislost s mechanickými vlastnostmi svarového spoje. Ty jsou obvykle výrazně lepší v
případě laseru, ovšem rychlé ochlazování a příliš velká svařovací rychlost může přinášet
nečekané problémy.
Mechanické vlastnosti svarového spoje
Každý svarový spoj, ať je vytvořen jakkoli, má tři základní oblasti – přetavenou oblast,
tepelně ovlivněnou oblast a přechodovou zónu do základního materiálu. Laserové svařování
obvykle vytváří úzké a hluboké svary díky vysokým rychlostem ochlazování. To je velmi
výhodné, neboť důsledkem jsou nízké deformace svařenců a nízká degradace základního
materiálu. Ovšem rychlé ochlazování může být problematické, pokud se svařují oeli s vyšším
obsahem uhlíku, zejména pokud je svařenec vystaven cyklickému namáhání. V tom případě
může být tepelně ovlivněná oblast příliš tvrdá a náchylná ke tvorbě trhlin.
Tento problém je řešitelný pečlivým vývojem technologie, tedy vhodným laserovým zdrojem,
správným nastavením procesních parametrů jako je průměr ohniska, rychlost atd. V některých
případech je třeba použít i předehře nebo dohřev. Po odladění technologie je možné laserem
svařovati i „problematické“ oceli rychleji a kvalitněji než s jakoukoliv jinou technologií.
Velmi perspektivní je např. svařování vysokopevnostních ocelí pro použití v moderních
konstrukcích „lehkých“ dopravních automobilů i jiných dopravních prostředků. Laserové svary
zachovávají zároveň pevnost i plasticitu těchto ocelí. Oproti tomu konvenční svary ničí ve
velkém rozsahu mikrostrukturu těchto ocelí a degradují jejich mechanické vlastnosti na úroveň
obyčejné konstrukční oceli.
25/31
Kvalita svarového spoje
Další otázkou je kvalita svaru a její stabilita během dlouhodobě provozované produkce.
Obecně, laserové svary mají vyšší kvalitu, menší deformace, nižší oxidaci povrchu atd.
Rozstřik na vnitřní straně je obvykle minimální a to i bez použití plynu pro formování kořene.
Vysoká kvalita spoje bývá jedním z hlavních argumentů hovořícím pro výběr laserové
technologie.
Avšak nároky na správné nastavení technologie a zejména na spolehlivost jsou mnohem vyšší,
neboť proces pracuje mnohem rychleji a ve velmi malém bodě. Není tedy možné manuálně
korigovat proces a reagovat na případné nedokonalosti. Dodavatel musí dodat systém co
nejrobustnější, tak aby byl schopen udržet si správné nastavení po dlouhou dobu i v
podmínkách těžkého průmyslového provozu.
Velkou výhodou může být instalace automatického systému pro on-line kontrolu svaru, který
je schopen sledovat geometrii svaru a stabilitu procesu. Tyto systémy se obvykle nejprve učí,
jak probíhá správný, vzorový proces svařování, což zabere určitý čas a vyžaduje zkušenosti.
Provozní náklady
Porovnejme si nyní celkové provozní náklady na jednotku délky svařeného profilu
tloušťky 1,5 mm natupo. Pokud sečteme náklady na energie a ochranný plyn a ponecháme
stranou amortizaci a náklady na personál, dostáváme typicky:
Technologie svařování
Náklady na 100 m svaru [Kč]
Indukční svařování
15
TIG
40
Plazmové svařování
60
Svařování CO2 laserem
30
Vláknový nebo diodový laser
6
Tab.1. Porovnání provozních nákladů různých metod svařování
Svařování VF indukcí je standardní technologie při výrobě běžných konstrukčních
profilů. Má nízké provozní náklady zejména díky velmi vysoké rychlosti svařování, která
dosahuje kolem 80 m/min. Na druhou stranu, kvalita svaru je omezená zejména vysokým
vneseným teplem. Problém může být i vysoká energetická náročnost – je třeba počítat s
přívodem energie v řádu stovek kW a k tomu odpovídající chlazení zdroje.
26/31
Sváření TIGem nebo plazmou se používá v aplikacích, kde je kladen důraz na kvalitu svaru,
obvykle u nerezových materiálů. TIG je omezen zejména rychlostí svařování, zejména u
silnějších materiálů. Velký vliv na celkové náklady má spotřeba plynů, zejména pokud je nutná
i ochrana kořene.
Z tabulky je patrný rozdíl mezi CO2 lasery a vláknovými nebo diodovými lasery. Ten je
způsoben zejména tím, že tyto lasery nepotřebují „laserový plyn“ a mají zhruba dvojnásobnou
elektrickou účinnost. Další výhodou je zhruba dvojnásobná absorpce laserového záření díky
jeho 10x kratší vlnové délce. Z toho vyplývá, že k dosažení stejné produktivity postačuje
mnohem nižší výkon laseru. Existují však stále aplikace, kde jsou CO2 lasery nepřekonatelné a
to zejména díky jejich vynikající kvalitě svazku, neboli možnosti zaostření do velmi úzkého
paprsku.
Problémy laserových svářecích linek
Existuje několik omezení pro výrobce linek i pro jejich provozovatele – zejména
laserová bezpečnost. Obsluha i majitel zařízení musí porozumět této problematice. Nikdy
nebudou moci sledovat proces za chodu přímo bez ochranných brýlí jako u konvenčního
systému. Laserový systém je také citlivý na přesné geometrické nastavení optiky. Nesprávné
nebo nestabilní mechanické části mohou způsobovat kolísání kvality svaru, které se navíc
obtížně zjišťuje.
Stavba nových výrobních linek je vždy velká investice, proto bývá někdy výhodné přestavět
konvenční systém na laserový. Cena laserového zdroje, změny technologie a výměna svářecího
uzlu je v každém případě mnohem nižší než cena za novou konvenční linku. Například systém
se svářením TIGem a rychlostí 0,5 m/min lze přestavět na laserové sváření s produktivitou 3
m/min, mnohem vyšší kvalitou svaru a řádově nižšími provozními náklady.
3.3.2 Zabudování laseru do CNC strojů
Současné zdroje laserů jsou malé a mobilní, takže je možné v budoucnu předpokládat přímé
zapojení laserů v automatických obráběcích a tvářecích strojích. Jsou známé příklady kalení
náběžných hran turbinových lopatek po obrobení, lokální kalení po obrobení dílů pro
automobilový průmysl. Začínají se objevovat také spojení laseru s tvářecími stroji, kde při
tváření vysokopevných ocelí s velkým přetvárným odporem a náchylností k praskání mohou
být kritická místa předehřáta nebo vyžíhána. Používá se laser i v nábytkářství, kde s jeho
pomocí dochází k olepování hran dřevěných desek s kapacitou mnoha kilometrů ročně. Možné
bude zjevně i obrábění a vrtání třeba těžko přístupných otvorů v obrobku.
3.2.3 Rapid prototyping
Výroba 3D dílů je v současnosti velmi moderní. 3D tiskárny však často pracují s nekovovými
materiály (a tedy nízkými mechanickými vlastnostmi). S toho pramení omezené použití pro
prototypy, které mají vydržet jen limitovanou životnost. Sintrováním kovových prášků je
možné připravit kovové díly. Lze očekávat výrazně lepší vlastnosti díky jemnozrnnosti
struktury, zejména vytvrzujících karbidů a jejich rovnoměrnému rozložení. Tento obor se
momentálně rychle rozvíjí, hlavním tématem je navařování monokrystalických turbinových
27/31
lopatek z niklových slitin, různých lisovacích forem pro prototypy a také protetika a
zdravotnictví, např. zubní implantáty.
3.3 Remote welding
Svařování na dálku. Tak by se dal přeložit název metody, která je v současnosti středem
zájmu řady výzkumných institucí. Zatím nezmíněnou výhodou laseru je i to, že pracuje v u
určité vzdálenosti od povrchu, obvykle v řádu několika desítek centimetrů v závislosti na
použité optice. Je možné svařovat i těžce přístupných místech. Ke svaru je přiváděn tryskou
ochranný plyn a pohyb paprsku zajišťuje robot. Stávající lasery mají velmi dobrou kvalitu
svazku – svazek se nerozbíhá a intenzita je stejná jak po příčném průřezu, tak po délce svazku.
Důsledkem je omezení citlivosti na přesném nastavení polohy ohniska a svar je stále kvalitní.
To umožňuje svařovat i na vzdálenost mnoha decimetrů. Laser je umístěn ve stropu svařovací
cely a je rozmítán náklonným zrcátkem. To umožňuje obrovské svařovací rychlosti
s minimem prodlev při změně pozice, zejména u tvarově složitých dílů. Hlavním zájemcem
jsou automobilky, kde se jedná o svařování větších celků, jako jsou komplety dveří, střechy a
blatníky, rámy sedadel apod.
3.4 Řízení procesu
Existuje celá řada systémů pro on-line sledování kvality procesu, resp. jeho regulaci.
Přesto jsou tyto systémy velmi drahé a poměrně nedokonalé. Proto je zde ještě velký prostor
pro vývoj.
Při svařování laserem bývá největším problémem dodržení velmi těsného kontaktu
svařovaných ploch a velmi přesné pozice paprsku vůči mezeře. Průměr ohniska laseru může
být pouze 0,2mm, pak je nutné udržet toleranci maximálně do 0,1mm, to už je mimo možnosti
robotů. Obvykle se proto pracuje s většími průměry paprsku, kolem 0,4-1mm. Nepřesnosti
pozice paprsku jsou způsobeny jednak výrobními tolerancemi polotovarů a jednak
deformacemi vzniklými v průběhu svařování.
Adaptace pohybu robota se provádí buď korekcí naprogramovaných bodů, tedy přímo v
řídícím systému robota, nebo pomocí přídavných lineárních os, které jsou ovládány nezávisle
na řízení robota. Vstupem pro tyto korekce bývá nejčastěji signál z laserového snímače
vzdálenosti. Ten je schopen korigovat výšku optiky nad povrchem. Ke snímání pozice
svařované spáry v příčném směru (seam tracking) se používají speciální laserové snímače
spojené se softwarem pro analýzu obrazu, který vyhodnocuje nejen pozici, ale i např. výškové
přesazení při spojích na tupo. Tyto systémy fungují spolehlivě u koutových svarů, ale u svarů
na tupo mají stále vážné potíže. Je třeba si uvědomit, že povrch oceli může být leštěný,
pozinkovaný nebo různě znečištěný, svařovací rychlosti dosahují až 20m/min, při svařování
vzniká oblak plazmatu, který přesvětluje paprsek měřicího laseru, dochází k jeho znečištění
atd.
Rozšířením uvedeného systému je možné zkontrolovat svar po procesu, v podstatě se
po celé délce svaru přejede robotem ještě jednou s vypnutým laserem, snímací systém proměří
geometrii svaru a vyhodnotí, zda nedochází k propadnutí povrchu, zápalům nebo přílišnému
rozstřiku.
28/31
Existují také systémy pro sledování vlastního svařovacího procesu založené na různých
principech, například – pomocí optického emisního spektrometru je snadné sledovat intenzitu a
poměr intenzit vybraných spektrálních čar Fe. Z toho lze zjistit teplotu plazmatu ve
svařovaném místě a stabilitu procesu. Odhalí se tak neprůvary, porozita, nepřesnosti sesazení i
problémy s ochranným plynem. Podobné informace dává i sledování elektrického náboje nad
svařovaným místem, v podstatě se tak sledují některé parametry plazmatu. Akustickými
snímači lze zjistit změny v procesu, subjektivně to pozná i zkušený operátor, zvuk při
svařování se změní např. vlivem nepřesné pozice laseru nebo při nečistotách ve spáře.
Automatické systémy lze „naučit“ správný stav a tak sledovat zda v automatickém provozu
nedochází k odchylkám. Lze také snadno zachytit i např. praskání po svařování.
4 Doporučená témata pro projekty
Na základě výše uvedeného přehledu vývojových trendů doporučujeme při poskytování
podpory z veřejných zdrojů na výzkumné a vývojové aktivity upřednostnit projekty zaměřené
na následující tematické okruhy:
Pro výkonové lasery s kontinuálním výkonem
Pro svařování
 Vývoj diagnostických metod a senzorů pro kontrolu svařovacího procesu a kvality
svarů
 Předehřev a dohřev v rychlých svařovacích procesech
 Vnitřní pnutí a deformace laserem svařených konstrukcí pro svařování silnostěnných
dílů
 Studium vlastností laserových svarů a korelace s ostatními tavnými svařovacími
procesy s ohledem na únavové, korozní a creepové chování
 Remote welding s využitím vláknových a diskových laserů s vysokou kvalitou paprsku
 Kombinace laserového paprsku a dalších svařovacích technologií do hybridních
zařízení
 Vývoj svařovacích postupů pro heterogenní spoje kov-plast-sklo-keramika-neželezné
sitiny
 Náhrady obloukových svařovacích (TIG, MIG, PAW…) způsobů laserovými ve
svařovacích linkách
Pro kalení
 Zabudování laseru jako pracovního nástroje do CNC obráběcích strojů
 Laserové sintrování práškových materiálů
Pro navařování
 Simulace pnutí v navařovaných vrstvách pro možnost predikce chování navařených
vrstev s ohledem na vznik trhlin a dalších defektů
 Vývoj vrstev s gradientní strukturou a chemickým složením
 Aplikace v nových oblastech a aplikacích
 Vývoj nových materiálů prášků pro speciální aplikace s ohledem na laserový proces
29/31
 Vývoj vrstev s definovanou porositou pro kloubní náhrady
 Hybridní technologie kombinující laser s dalším zdrojem tepla pro zvětšení efektivity
procesu
 Přímé vytváření 3D kovových dílů – rapid prototyping
Pro pulzní lasery
 Strukturování povrchu a vytváření textur
 Mikroobrábění a mikrořezání
 Mikro rapid prototyping v protetice, kloubních a zubních náhradách
 Femtosekundové lasery
30/31
5 Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[11]
[12]
[15]
[16]
Steen M. W., Mazumder J.
062-8
Duley W.: Laser welding
Laser Material Processing. Springer, 2003 978-1-84996John Wiley & Sons, Inc., 1999
Ion C. J.,: Laser processing of engineering materials. Elsevier, 2005
Majumdar, J. D., Manna, I., Laser processing of materials. Sadhana, 2003
de Oliveira U.O.B. Laser treatment of alloys:processing, microstructure and
structural properties. PhD Rijksuniversity Groningen, Netherlands, 2007 978-9077172-23-0
Heston T.: Two processes sometimes are better than one, 2010. www.thefabricator.com
Kuncipál, Pilous, Dunovský Nové technologie ve svařování. SNTL 1984
Ready J.F.
LIA handbook of laser material processing Magnolia publishing, 2001.
0-941463-02-8
Hwang J.-H. a kol. Laser surface hardening of gray cast iron used for piston ring.
Journal of Materials Engineering and Performance, 2002, Vol. 11 (3), s. 294-300
ZENGYI T., JIAMING L. Influence of surface hardening on contact fatique life of
nodular cast iron. Acta Metallurgica Sinica, 1990, Vol. 3, No.3, p. 188-193.
Monteiro W.A., Silva E.M., de Rossi W. Evaluation of the laser superficial
hardening in gray cast iron used in automobile industry. 3.Int. Conf on Integrity,
Reliability and Failure, 20.-24.7.2009, Porto, Portugal
http://www.ccl.fraunhofer.org/
31/31