technologie svařování
Laserové svařování
Základní informace o technologii laserového svařování/řezání
Daniel Hadyna, Hadyna - International, Ostrava
Svařování laserovým paprskem s robotem Motoman typ MH50.
Průmyslový laser – technologie nejvíce
používaná především na řezání kovů. Svařování laserem není v ČR dosud tak rozšířenou
technologií, nejčastěji se používá v automobilovém průmyslu. Ovšem o tuto technologii
postupně roste zájem. Svařování laserem má
své výhody i úskalí.
Typický představitel svařence, který je vhodný pro laserové svařování.
16 /
Tímto článkem bychom rádi prezentovali výhody i úskalí a základní rozdělení zdrojů laserového
paprsku. Dále bychom rádi představili možnosti
dodání robotizovaných pracovišť pro laserové
svařování, která jsou vybavena zdroji laserového
paprsku od společnosti Trumpf. V závěru tohoto
článku Vás pozveme na den otevřených dveří
naší společnosti, na kterém budeme takové
pracoviště prakticky prezentovat.
PŘEDSTAVENÍ VÝROBCE ZDROJŮ LASERŮ –
SPOLEČNOSTI TRUMPF
Představovat společnost Trumpf jako výrobce
kvalitních a spolehlivých zdrojů laserů a výrob-
Laserem je vhodné svařovat vnější hrany tenkostěnných dílců, které se po svaření nemusí dále nijak upravovat.
SVĚT SVARU
technologie svařování
Princip svařování laserovým paprskem v prostoru pracovní optiky.
Princip řezání laserovým paprskem v prostoru pracovní optiky.
ce celých řezacích strojů je z našeho pohledu
„nošení dříví do lesa“.
Naše společnost se tradičně zabývá vývojem
a výrobou robotizovaných pracovišť, která jsou
především určena pro obloukové nebo odporové
svařování. Od počátku letošního roku jsme zahájili
těsnou spolupráci s firmou Trumpf, která nám
umožňuje rozšířit naši standardní nabídku robotizovaných pracovišť právě pro svařování laserem.
vého paprsku odpovídá 1,0 mm max. tloušťky
stěny svařovaného materiálu. Máme tím na mysli
svařování běžné uhlíkové oceli nebo nerezových
materiálů. Pro svařování např. hliníku nebo mědi
je pak zapotřebí přibližně dvoj- až trojnásobný
výkon laseru.
Dalším kritériem je pak způsob vytváření
laserového paprsku. Zde můžeme zdroje laseru
rozdělit na tzv. lasery CO2 a pevnolátkové lasery.
PROČ VYUŽÍVAT LASER?
LASER CO2
Využití laserového paprsku je jednou z technologických možností, jak lze kovy řezat i svařovat,
případně povrchově kalit. Tato technologie má
své výhody, ale také úskalí. Pro řezání kovů je
výhodou velmi čistý řez bez okují a vysoká výkonnost řezání. Pro svařování je tedy hlavní výhodou
velmi malý svar s hezkou kresbou povrchu svarů,
hluboký průvar a vysoká postupová rychlost
svařování.
Pro svařování i řezání laserovým paprskem
také platí značné snížení tepelného namáhání
základního materiálu, což vede ke snížení jeho
tepelných deformací.
Úskalím laserového svařování je v případě svařování vysoká náročnost přípravy dílců z hlediska
opakované rozměrové tolerance svařovaných dílců.
Pro řezání i svařování platí velmi přísné bezpečnostní podmínky z hlediska bezpečnosti práce obsluhy.
Laserový paprsek může obsluze způsobit trvalé
poškození zraku a popálení pokožky.
dalším z úskalí je pořizovací cena celé technologie, která se pro nejčastější robotické aplikace
pohybuje od 5 mil. výše, a to podle výkonu
laserového zdroje a další výbavy celého řezacího
nebo svařovacího pracoviště.
Ovšem pokud uživatel naplní práci pro svařovací nebo řezací zařízení vybavené laserem alespoň na dvě směny, pak se obecná návratnost
investice pohybuje kolem dvou let.
Při používání laserového svařování však
v mnoha případech nejde jen o náklady, ale
především o technologickou nutnost použití
tohoto způsobu svařování. Např. při svařování
tenkostěnných dílců, u kterých je pohledovost
svarů klíčová.
Principem laserů CO2 je zesílení světelného
paprsku při mnohonásobném průchodu aktivním prostředím tvořeném směsí plynů CO2, N2
a He. Plyn CO2, obohacený o N2 a He je poháněn vakuovou turbínou a vybuzen elektrodami
spojenými s vysokofrekvenčním generátorem.
Vznikající laserové záření po mnohonásobném
průchodu mezi odraznými zrcadly vystupuje ve
formě koherentního laserového paprsku a po
úpravě výstupní zrcadlovou optikou dopadá
na obrobek. Lasery CO2 mají pevné ustavení
celého optického systému, poloha řezací optiky
je pevně svázána se zdrojem laserového záření.
Z tohoto důvodu se lasery CO2 používají téměř
výhradně pro stacionární řezací stroje a nejsou
optimální pro robotické aplikace.
U tohoto typu zdroje se dále nepoužívají
další technické plyny. Občas je však nutné do
systému laserového zdroje doplnit všechny tři
pracovní plyny.
Lasery CO2 mají účinnost cca 8 %.
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ ZDROJŮ LASEROVÉHO
PAPRSKU
Zdroje laserového paprsku lze rozdělit podle
několika kritérií. Zaměříme se jen na jejich
základní rozdělení. Prvním kritériem může být
členění podle výkonu laseru.
Laserové zdroje pro komerční svařování se
dodávají o výkonu od 2 kW až do výkonu 20 kW.
Obecně můžeme říci, že 1 kW výkonu laseroSVĚT SVARU
PEVNOLÁTKOVÝ LASER
Pevnolátkový laser pracuje na bázi ozařování
krystalu vzácných zemin budicími diodami,
pomocí kterého vzniká v soustavě zrcadlové
dráhy koherentní laserové záření, které je pak
světlovodným kabelem přiváděné k pracovní
optice.
Světlovodný kabel je ohebný, může mít délku
až 100 metrů. A právě z tohoto důvodu je pevnolátkový laser vhodný nejen pro řezání, ale také
pro robotické svařování.
Mezi pevnolátkové lasery patří mimo jiné
diskové a vláknové lasery. U diskových laserů se
ozařuje disk tvořený krystalem vzácných zemin
budicími diodami. U vláknového laseru jsou
budicími diodami ozařovány krystaly vzácných
zemin umístěných v počáteční části světlovodného kabelu. Po konzultaci s technikem ze
společnosti Trumpf jsou oba typy pevnolátkového laseru rozdílné pouze svou vnitřní konstrukcí.
Uživatelsky (pro účely využití v oblasti svařování,
řezání a tepelného zpracování) mezi nimi není
žádný zásadní rozdíl.
Pevnolátkové lasery pak mají účinnost přes 25 %.
Pevnolátkové lasery se nejčastěji používají pro
strojní řezání, ale také pro robotické aplikace svařování, navařování a řezání. Z tohoto důvodu se
budeme dále zabývat právě tímto typem zdroje
laseru.
ŘEZÁNÍ LASEREM
Princip řezání laserem u pevnolátkového
zdroje laserového paprsku je jeho přivedení
pomocí pracovní optiky do řezací trysky. V řezací
trysce je do laserového paprsku prudce vháněn
stlačený pracovní plyn, který vyfukuje materiál
roztavený působením laserového paprsku.
Jako pracovní plyn se používá kyslík, dusík
nebo stlačený vzduch. Dusík je inertní plyn, který
Společnost Trumpf je výrobce kvalitních a vysoce spolehlivých zdrojů
laserového paprsku vč. kompletních 2-D laserových řezacích center pro
zpracování plechů v širokém rozsahu tlouštěk.
Pevnolátkový zdroj laserového paprsku Trumpf TruDisk 4002 s max. výkonem 4 kW. Jeho výkon umožňuje svařování laserovým paprskem dílců do
tl. cca 3–4 mm (při optimálních parametrech).
/ 17
technologie svařování
je na rozdíl od kyslíku sice pomalejší v rychlosti
řezu u silnějších plechů (v oblasti tenkých plechů
je řez naopak rychlejší, a to vzhledem k jinému
charakteru působení dusíku), ovšem okraje řezaného materiálu nejsou zoxidované. Kyslík naopak
výrazně zvyšuje energii v řezu a zvyšuje výkon
řezacího stroje, a to jak v jeho rychlosti, tak také
větší hloubkou řezu.
Stlačený vzduch se obecně skládá z cca 80%
dusíku a 20 % kyslíku. Je tedy určitým kompromisem mezi používáním dusíku a kyslíku.
Pracovní vzdálenost mezi řezací tryskou a řezaným materiálem se pohybuje do 1,0 mm.
SVAŘOVÁNÍ LASEREM
Pro laserové svařování se používá odlišná
pracovní optika namontována v zápěstí robota.
Pracovní optika je vzdálená od povrchu svařovaného materiálu v rozmezí 100 až 1 000 mm.
Druhým hlavním rozdílem je nutnost chránit
svarový kov ochranným plynem podobně jako
u obloukového svařování.
Pro svařování laserem se používají v podstatě
stejné ochranné atmosféry jako pro metodu TIG.
Tedy argon, helium nebo jejich směs.
Detail svaru provedený metodou MIG na hliníkovém rozváděči pro
telekomunikační průmysl. Venkovní svar je poměrně malý, ovšem je potřeba očistit začernalé okraje svarových housenek. Pokud nejsou svařené
rozváděče uzavřeny v dalším krytu, uživatel bude požadovat zabroušení
a zaleštění těchto svarů.
Detail svaru provedených na stejných hliníkových rozváděčích laserovým
paprskem. Svary jsou velmi malé s hezkou kresbou. Svary se v tomto
případě již nemusely nijak dál zalešťovat nebo brousit.
Svaření dvou 4mm nerezových desek k sobě natupo pomocí laserového
paprsku.
Oblast kořene svaru po otočení desky z druhé strany.
Další typická součástka vhodná pro svařování laserem. Svary jsou velmi
malé, není nutné je dále brousit.
Svařený 1mm nerezový plech k sobě natupo.
PŘÍKLADY POUŽITÍ PRO SVAŘOVÁNÍ
Na několika fotografiích uvádíme příklady
použití laserového svařování. Zajímavostí je např.
svařování hliníkových rozváděčů, které se svařují
na vnější hraně. V tomto případě jsme testovali
svařování také metodou MIG i TIG těchto rozváděčů. Ovšem výsledky laserového svařování jsou
skutečně skvělé. Svar je velmi malý, pohledový. Okraje svarů nejsou začernalé. Rychlost
svařování je oproti metodě TIG až 8x rychlejší.
U metody MIG je kresba svaru hrubější, svar je
velmi převýšený a musí se na rozdíl po svařování laserem brousit. Na našich internetových
stránkách můžete také shlédnout videozáznam
svařování těchto hliníkových rozváděčů robotem
vybaveným laserem.
Dalším zajímavým příkladem, který uvádíme na fotografiích, je svařování dvou 4mm
nerezových desek k sobě tzv. natupo. Průvar je
proveden skrz při jednom průjezdu laserového
paprsku, základní materiál byl minimálně tepelně
namáhán, svar je velmi malý a pohledový. Postupová rychlost svařování byla kolem 17 mm/s!
ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ PRO LASEROVÉ
SVAŘOVÁNÍ
Naše společnost vyvíjí a vyrábí kompletní
robotizovaná pracoviště, která jsou osazena
roboty Motoman. Optimálním volbou pro nesení
laserové hlavy je robot s nosností 50 kg, tedy
robot Motoman typ MH50.
Svařovací hlava Trumpf pro uchycení na průmyslový robot.
18 /
U laserového svařování je vždy nutné zajistit
svařovací pozici shora, tedy svařovací polohu PA.
Z tohoto důvodu doporučujeme vybavovat robotizovaná pracoviště nejlépe dvouosými polohovadly,
která zajistí optimální ustavení dílce pod svařovacím
robotem ve většině případů. Např. polohovadlo
Motoman typu DK-250 nebo WL-500 (více technických informací o tomto typu polohovadel naleznete
na našich internetových stránkách).
Robotizovaná pracoviště musí být kompletně
zakrytovaná, tj. včetně stropu pracoviště. Světlotěsnost celého zařízení je důležitým bezpečnostním prvkem. Již 0,2 W výkonu laserového paprsku
může obsluze způsobit nevratné poškození zraku.
Pracoviště je pak vybaveno průhledovými
okny, která jsou osazeny speciálním sklem, přes
které může obsluha bezpečně svařování laserem
sledovat.
Den otevřených dveří – přijďte se podívat na
zařízení pro laserové svařování.
V těsné spolupráci s firmou Trumpf jsme připravili praktickou prezentaci zařízení pro laserové
svařování pomocí průmyslového robota, a to
v rámci dne otevřených dveří naší firmy.
Pokud Vás laserové svařování, navařování
nebo také tvarové řezání zajímá, můžete se
k nám přijet podívat. Pozvánku naleznete na
stránkách tohoto vydání časopisu a na našich
internetových stránkách na adrese:
http://www.hadyna.cz.
Pokud budete potřebovat více technických
informací, neváhejte nás kontaktovat.
SVĚT SVARU
Download

Laserové svařování