Úvod k laserovým svařovacím strojům
Laserové svařování je univerzální a přesný proces používaný ke spojování kovových dílů v různých průmyslových odvětvích. Tato technika využívá soustředěné laserové paprsky k roztavení a sloučení materiálů, čímž vytváří pevné a vysoce kvalitní svary. Laserové svařovací stroje, vybavené pokročilou laserovou technologií, jsou zařízení určená k provedení tohoto procesu, která dosahují vysoké přesnosti i efektivity. Tento komplexní článek se zabývá všemi aspekty laserových svařovacích strojů, včetně jejich funkce, komponent, výhod, aplikací, typů, údržby a budoucích trendů.
Co je laserový spávkový stroj?
Laserové svařování je bezkontaktní proces, který využívá vysoce intenzivní laserový paprsek ke spojení dvou materiálů. Laserový paprsek se soustředí na malou plochu, čímž generuje dostatečné teplo k roztavení materiálů, které se následně ztuhnou do pevného spoje. Tato technika je známá svou přesností, rychlostí, schopností svařovat malé a složité komponenty a minimální deformací.
Princip práce laserového svařování
Laserové svařování je svařovací metoda, která jako tepelný zdroj využívá laserový paprsek s vysokou hustotou energie. Jeho princip zahrnuje především následující aspekty:
Optické soustředění: Laserový svařovací stroj generuje laserový paprsek pomocí lasera a ten následně soustředí optickými prvky, jako jsou čočky nebo zrcadla, takže se laserová energie koncentruje na místo svařování.
Přenos tepla: Když je laserový paprsek dopraven na povrch obrobku, je jeho energie pohlcena a přeměněna na tepelnou energii. Teplo se šíří podél kovové části svařovaného spoje a zvyšuje tak teplotu kovu.
Tavení a míchání: Když je povrch kovu zahřát na dostatečně vysokou teplotu, kov začne tát a vytvářet tavnou lázeň. Působením laserového paprsku se tavná lázeň rychle šíří a promíchává, čímž dochází ke spojení kovového spoje.
Chlazení a tuhnutí: Po zastavení laserového paprsku se tavná lázeň postupně ochlazuje a během tuhnutí vzniká svarový spoj. Během procesu tuhnutí se molekuly kovu znovu uspořádají a krystalizují, čímž vznikne pevné svařené spojení.
Laserové svařování má výhody jako vysoká hustota energie, malý tepelný příkon, vysoká rychlost svařování a malá tepelně ovlivněná oblast, což je zvláště vhodné pro svařování miniaturizovaných dílů a dílů s obtížným přístupem.
Složky laserového svařovacího stroje
Laserový zdroj
Typy laserů: Běžné typy zahrnují CO2 lasery, Nd (legované yttrium-hliník-garnety) lasery a vláknové lasery. Každý typ má své výhody v závislosti na aplikaci.
Funkce: Laserový zdroj generuje laserový paprsek pro svařování. Je to klíčová součást, která určuje výkon a účinnost stroje.
Optika
Laserový paprsek a zrcadlo: Používá se k zaostření a směrování laserového paprsku na obrobek. Vysoce kvalitní optické komponenty zajišťují přesnou kontrolu laserového paprsku.
Systém přenosu paprsku: zahrnuje komponenty jako optické vlákno a vedení paprsku, které přenášejí laserový paprsek ze zdroje do svařovací oblasti.
Systém manipulace s obrobkem
Polohovací stůl: Plošina pro umístění obrobku. Může být pevná nebo vybavena pohyblivou funkcí pro zarovnání obrobku s laserovým paprskem.
Upínací mechanismus: Upevní obrobek na místě, aby se zabránilo jeho pohybu během svařování.
Vaření
CNC řízení: Počítačové číselné řízení (CNC) se často používá v automatizovaných svařovacích procesech k přesné kontrole svařovacích parametrů a pohybu laserového paprsku.
Softwarové rozhraní: Poskytuje rozhraní pro zadávání svařovacích parametrů a sledování procesu operátorem.
Chladicí kanál
Vodní nebo vzduchové chlazení: Laserové svařování generuje velké množství tepla a vyžaduje chladicí systém, který zabrání přehřátí laserového zdroje a optických komponent.
Chranná obálka
Bezpečnostní opatření: Skříň chrání obsluhu před laserovým zářením a zachycuje případný škodlivý kouř nebo třísky vznikající při svařování.
Typy laserových svařovacích strojů
Stroj na svařování vláknitým laserem
Chirurgie: Používá vláknový laserový zdroj k přenosu laserového paprsku skrze vlákno.
Výhody: vysoká kvalita paprsku, vysoká energetická účinnost, vhodné pro svařování různých materiálů.
CO2 laserový svařovací stroj
Chirurgie: K vytvoření laserového paprsku se používá CO2 excimerový zdroj elektrickou stimulací směsi plynů.
Výhody: Vysoký výkon a schopnost svařovat tlusté materiály.
ND laserový svařovací stroj
Chirurgie: Použitím ND excitačního zdroje je laserový paprsek generován vložením neodymu do krystalu yttrium-aluminium-garnetu.
Výhody: Vysoký špičkový výkon, vhodný pro pulzní svařování.
Diode laser welding machine
Chirurgie: Zdroj diodového laseru slouží k vytvoření laserového paprsku prostřednictvím polovodičové diody.
Výhody: malá velikost, úspora energie, možnost svařování malých přesných dílů.
Výhody a nevýhody laserového svařovacího stroje
Výhody laserové soudelnicí stroje
Laserové svařovací stroje mají mnoho výhod a jsou vhodné pro různé průmyslové aplikace. Mezi tyto výhody patří přesnost, rychlost, univerzálnost a celková kvalita. Níže je podrobný rozbor výhod laserových svařovacích strojů:
Přesnost a přesnost
Přísné tolerance: Laserové svařovací stroje dosahují extrémně přísných tolerancí, což je klíčové pro aplikace vyžadující vysokou přesnost.
Malá tepelně ovlivněná zóna (HAZ): Laserový paprsek je velmi přesně zaměřený, čímž vzniká malá tepelně ovlivněná zóna. To minimalizuje tepelnou deformaci a snižuje riziko poškození sousedních materiálů.
Svařování je rychlé
Zvyšuje produktivitu: Laserové svařování lze provádět vysokou rychlostí, což výrazně zvyšuje produktivitu a zkracuje výrobní cyklus.
Funkce automatizace: Proces lze snadno automatizovat pomocí CNC systému a robota, čímž se dále zvyšuje rychlost a konzistence.
VŠESTRANNOST
Kompatibilita materiálů: Laserové svařování je kompatibilní s řadou materiálů, včetně různých kovů (ocel, hliník, titan atd.), slitin a dokonce i některých plastů.
Složitá geometrie: Tento proces umožňuje svařování složitých tvarů, které je obtížné dosáhnout u tradičních svařovacích metod.
Vynikající kvalita svařování
Pevné svary: Laserové svařování může vytvářet vysoce pevné svary s vynikajícími mechanickými vlastnostmi, čímž zajišťuje trvanlivost a spolehlivost.
Čisté a estetické svary: Svary jsou obvykle čisté a estetické a vyžadují pouze minimální dokončování. To je zvláště důležité pro aplikace, kde je rozhodující vzhled, jako jsou automobilový průmysl a šperkařství.
Minimální deformace
Snížení tepelného napětí: Díky koncentrovaným zdrojům tepla lze minimalizovat tepelné napětí a zkreslení, čímž se zachová integrita obrobku.
Přesná kontrola: Laser lze přesně ovládat tak, aby docházelo k minimální deformaci tenkých materiálů.
Flexibilita
Nekontaktní proces: Laserové svařování je nekontaktní proces, což znamená, že nedochází ke fyzickému kontaktu mezi nástrojem a obrobkem. To snižuje opotřebení zařízení a umožňuje svařování v těžko přístupných místech.
Nastavitelné parametry: Parametry procesu (výkon laseru, rychlost, ohniskování atd.) lze snadno upravit pro různé materiály a tloušťky.
Účinnost využití energie
Úsporné využití energie: Laserové svařovací stroje, zejména ty s vláknovými lasery, jsou velmi energeticky účinné. Přeměňují velkou část elektrické energie na laserový paprsek.
Snížení provozních nákladů: Dlouhodobě vzato energetická účinnost znamená nižší provozní náklady.
Automatizace a integrace
Bezproblémová integrace: Systém laserového svařování lze bezproblémově integrovat do automatické výrobní linky, čímž se zvyšuje celková výrobní efektivita.
Robotické svařování: Přesnost a kontrola laserového svařování činí tuto technologii ideální volbou pro robotické svařovací aplikace, umožňující nepřetržitý provoz a vysokou produkci.
Omezení spotřebního materiálu
Minimální množství spotřebního materiálu: Na rozdíl od tradičních svařovacích metod, které vyžadují přídavné materiály a elektrody, laserové svařování obvykle vyžaduje velmi málo nebo žádné spotřební materiály.
Úspora nákladů: Omezení používání spotřebního materiálu může šetřit náklady a snižuje potřebu doplňování zásob.
Zvýšení bezpečnosti a čistoty
Bezpečnostní funkce: Moderní laserové svařovací stroje jsou vybaveny bezpečnostními funkcemi, jako je ochranný kryt a zámek, které chrání obsluhu před škodlivým laserovým zářením.
Čisticí proces: Ve srovnání s tradičními svařovacími metodami tento proces vytváří méně kouře a jisker, což vede k čistšímu pracovnímu prostředí.
Ekologická výhoda
Šetrný k životnímu prostředí: Účinnost a přesnost laserového svařování snižuje odpad a spotřebu energie, což jej činí ekologicky šetrnou volbou.
Udržitelná výroba: Laserové svařování podporuje udržitelné výrobní postupy tím, že minimalizuje odpad materiálu a zvyšuje energetickou účinnost.
Nevýhody laserových svařovacích strojů
Ačkoli laserové svařovací stroje mají mnoho výhod, existují i některé nevýhody, které je třeba zvážit. Níže jsou uvedeny hlavní nevýhody laserových svařovacích strojů:
Vysoké počáteční náklady
Drahé zařízení: Laserové svařovací stroje jsou často dražší než tradiční svařovací zařízení kvůli své pokročilé technologii a součástkám.
Náklady na laserové zdroje: Laserové zdroje vysoce kvality, jako jsou vláknové lasery a ND lasery, zvýší celkové náklady.
Složitá instalace: Nastavení systému laserového svařování může být složité a vyžaduje odborné znalosti.
Požadavky na infrastrukturu: Instalace může vyžadovat dodatečnou infrastrukturu, jako jsou chladicí systémy, ochranné kryty a pokročilé systémy větrání.
Technická složitost
Odborné školení: Obsluha musí absolvovat specializované školení pro provoz a programování laserových svařovacích strojů.
Složité programování: Nastavení a programování řídicího systému CNC může být složité a vyžaduje odborné znalosti v oblasti softwaru CAD/CAM a svařovacích parametrů.
Odborné znalosti pro údržbu: Údržba laserového svařovacího stroje vyžaduje odborné znalosti a dovednosti.
Pravidelná kalibrace: Pro udržení přesnosti je vyžadována častá kalibrace a nastavení laserového systému.
Citlivost přípravy a montáže konektorů
Příprava spoje: Laserové svařování vyžaduje přesnou přípravu a zarovnání spoje. I malé odchylky mohou vést ke špatné kvalitě svařování.
Spolupráce s tolerancí: Proces má nízkou toleranci vůči mezerám a nesrovnání, proto vyžaduje přesné upevnění a polohu.
Omezení tloušťky materiálu
Omezení rozsahu tloušťky: Laserové svařování je vhodnější pro tenké až středně silné materiály. Svařování velmi silných materiálů může vyžadovat více svarů nebo předehřátí.
Odvedení tepla: U silnějších materiálů se řízení odvodu tepla stává obtížnějším, což může ovlivnit kvalitu svařování.
Bezpečnostní problém
Riziko expozice: Při laserovém svařování hrozí riziko vystavení škodlivému laserovému záření, které může způsobit vážné poškození očí a kůže.
Ochranná opatření: Komplexní bezpečnostní opatření, jako jsou ochranné kryty, brýle a protokoly pro bezpečnost práce s lasery, jsou zásadní.
Škodlivý kouř: Tento proces produkuje škodlivý kouř a částice, což vyžaduje účinné větrání a systémy odvodu kouře.
Úlomky: Vysoce intenzivní laserové paprsky mohou vytvářet úlomky a rozstřik, které mohou způsobit další bezpečnostní rizika.
Omezená kompatibilita materiálu
Problém s odrazivostí: Materiály s vysokou odrazivostí, jako je hliník a měď, mohou odrážet laserové paprsky, což ztěžuje a snižuje efektivitu svařování.
Speciální povlak: Pro zlepšení svařovatelnosti odrazivých materiálů může být nutný speciální povlak nebo povrchová úprava.
Citlivost slitin: Některé slitiny mohou při laserovém svařování čelit specifickým problémům souvisejícím s praskáním, pórovitostí nebo metalurgickými změnami.
I když nabízejí laserové svařovací stroje významné výhody v přesnosti, rychlosti a univerzálnosti, přinášejí také několik nevýhod. Mezi hlavní nevýhody patří vysoké počáteční náklady, technická složitost, citlivost na přípravu spojů a bezpečnostní rizika. Dále je třeba při implementaci laserové svařovací technologie pečlivě zvážit faktory, jako jsou omezení tloušťky materiálu, problémy s kompatibilitou a požadavky na prostředí.
Aplikace laserové soudelnice
Automobilový průmysl
Svařování komponent: používá se pro svařování součástí motoru, převodovky, výfukového systému a dalších automobilových dílů.
Konstrukce karoserie: Karoserie vozidla je svařena pomocí laseru, čímž vzniká pevné a lehké spojení.
Letectví a kosmonautika
Letmobilní komponenty: Používá se pro svařování kritických letmobilních komponent, včetně lopatek turbín, palivových nádrží a konstrukčních prvků.
Přesnost: Vysoká přesnost laserového svařování zajišťuje integritu a výkon leteckých komponent.
Elektronický průmysl
Mikrosvařování: Laserové svařování je ideální pro mikrosvařovací aplikace v oblasti elektroniky, jako je spojování tenkých drátů a montáž přesných komponent.
Výroba baterií: Používá se při výrobě baterií, aby bylo zajištěno pevné a spolehlivé spojení.
Průmysl medicínských přístrojů
Implantáty a nástroje: Laserové svařování se používá při výrobě lékařských implantátů a chirurgických nástrojů, poskytuje přesné a čisté svary.
Biokompatibilita: Proces zajišťuje biokompatibilitu svaru a splňuje přísné lékařské normy.
Šperky a hodinářství
Jemné svařování: Laserové svařování se používá pro jemné svařovací aplikace v odvětví šperků a hodinářství, umožňuje složité návrhy a opravy.
Estetická kvalita: Vytváří svařování vysoce kvalitní a zvyšuje krásu šperků a hodinek.
Energetický průmysl
Solární panely: Používají se při výrobě solárních panelů, aby byla zajištěna trvanlivá a účinná spojení.
Větrné turbíny: Laserové svařování se používá při výrobě komponent větrných turbin, poskytuje pevné a spolehlivé spojení.
Provoz laserového svařovacího stroje
Nastavena
Příprava: vyčistěte obrobek a proveďte přípravu svarového spoje, aby byla zajištěna kvalitní svařovací vazba.
Polohování: Umístěte obrobek na polohovací desku a zajistěte jej upínacím zařízením.
Programování
Vstup parametrů: Operátor zadá konkrétní svařovací parametry, jako je výkon laseru, rychlost, délka pulzu a poloha ohniska, do řídicího systému.
Programování dráhy: Svařovací dráhy jsou obvykle programovány pomocí softwaru CAD/CAM, který řídí laserový paprsek po požadované svarové spáře.
Svářecí postup
Generování paprsku: Buzení zdroje generuje laserový paprsek, který je prostřednictvím optických prvků nasměrován na svařovací oblast.
Tavení a slití: Zaměřený laserový paprsek roztaví materiál na spoji a vytvoří taveninu, která po ztuhnutí vytvoří svar.
Řízení pohybu: CNC systém řídí pohyb laserového paprsku a/nebo obrobku podle naprogramované svařovací dráhy.
Po svařování
Chlazení: Po svařování nechte spoj úplně vychladnout a ztuhnout.
Kontrola: Zkontrolujte kvalitu svaru, zda neobsahuje pór, trhliny nebo neúplnou fúzi a další vady.
Údržba laserového svařovacího zařízení
Pravidelné čištění
Optika: Vyčistěte čočky, zrcadla a další optické komponenty, aby byla zajištěna optimální kvalita laserového paprsku.
Pracovní prostor: Udržujte pracovní prostor čistý a bez nečistot, aby nedošlo k znečištění laserového paprsku a obrobku.
Údržba chladicího systému
Kontrola hladiny chladiva: Pravidelně kontrolujte a doplňujte chladivo, abyste předešli přehřátí laserového zdroje a optických komponent.
Kontrola chladicího systému: Zkontrolujte, zda chladicí systém neteče, a ujistěte se, že správně funguje.
Kalibrace a vyrovnání
Kalibrace laseru: Laserový zdroj je pravidelně kalibrován, aby bylo zajištěno poskytování správného výkonu a kvality paprsku.
Zarovnání optiky: Zkontrolujte a upravte zarovnání optických prvků pro zachování přesného přenosu paprsku.
Aktualizace softwaru
Aktualizace řídicího softwaru: Udržujte CNC řídicí software aktualizovaný, abyste měli přístup k nejnovějším funkcím a vylepšením.
Zálohovací program: Svařovací program je pravidelně zálohován, aby se předešlo ztrátě dat a zajistilo rychlé obnovení v případě softwarových problémů.
Budoucí trendy laserového svařování
Postupy v Laserové Technologii
Lazery vyššího výkonu: Vývoj zdrojů laserů vyššího výkonu pro svařování silnějších a náročnějších materiálů.
Zlepšování kvality svazku: Pokroky v laserové technologii vedly ke zlepšení kvality a přesnosti svazku.
Integrace Industry 4.0
Připojení Internetu věcí: Integrace Internetu věcí (IoT) pro sledování a řízení procesu laserového svařování v reálném čase.
Analýza dat: Využití analýzy dat k optimalizaci svařovacích parametrů a ke zlepšení kvality a efektivity.
Automatizace a robotika
Integrace robotů: Robotické systémy jsou stále častěji používány pro automatizované laserové svařování, aby se snížila manuální práce a zvýšila produktivita.
Kolaborativní roboti: Vývoj kolaborativních robotů (kobotů), kteří mohou spolupracovat s lidskými operátory v aplikacích laserového svařování.
Udržitelný rozvoj
Energetická účinnost: Pokračování práce na zvyšování energetické účinnosti laserových svařovacích zařízení za účelem snížení jejich dopadu na životní prostředí.
Zelená výroba: Používání udržitelných výrobních postupů, včetně používání materiálů a procesů šetrných k životnímu prostředí.
Závěr
Laserové svařovací stroje jsou základním kamenem moderní výroby, proslulé svou přesností, rychlostí a univerzálností při spojování kovových dílů. Jejich pokročilé technologie a možnosti automatizace je učinily nepostradatelnými napříč odvětvími, jako jsou automobilový průmysl, letecký a kosmický průmysl, elektronika a lékařské přístroje. Díky vhodné údržbě a přizpůsobení se novým trendům mohou tyto stroje nadále splňovat stále se měnící požadavky výroby. S dalším technologickým pokrokem bude laserové svařování hrát stále důležitější roli při formování budoucnosti průmyslové výroby.
