Laserová technologie

Vztah mezi rychlostí laserového svařování, výkonem a tloušťkou materiálu je rozhodující pro určení kvality a efektivity svařovacích procesů. Tyto tři faktory (rychlost svařování, výkon laseru a tloušťka materiálu) jsou na sobě vzájemně závislé a musí být optimalizovány, aby bylo dosaženo pevných, bezchybných svárů. Pochopení jejich vzájemné interakce je nezbytné pro průmyslové odvětví jako je automobilový průmysl, letecký a kosmický průmysl a výroba, kde jsou klíčové přesnost a integrita materiálu.

Základní úvod k laserovému svařovacímu zařízení

Laserový svařovací stroj využívá pulzní laserové záření o vysoké energii k lokálnímu ohřevu materiálu v malé oblasti, přičemž prostřednictvím tepelné vodivosti dochází k tavení materiálu a následnému svařování. Jeho pracovní princip zahrnuje především následující aspekty:

• Optické zaostření: Laserový svařovací stroj využívá laserový paprsek vyrobený laserem, který prostřednictvím čoček, zrcadel a dalších optických komponent soustředí laserovou energii na místo svařování.

• Tepelná vodivost: Když je laserový paprsek dopadající na povrch obrobku, jeho energie je pohlcena a přeměněna na tepelnou energii. Tato tepelná energie se postupně šíří vodivostí skrz kovovou část svařovaného spoje, čímž zvyšuje její teplotu.

• Tavení a míchání: Když je povrch kovu vystaven dostatečně vysoké teplotě, kov začne tát a vytvářet tavnou lázeň. Působením laserového paprsku se tavná lázeň rychle rozšiřuje a promíchává, čímž dochází ke spojení kovových částí.

• Chlazení a tuhnutí: Po zastavení laserového paprsku se roztavená lázeň postupně ochlazuje a během procesu tuhnutí vytváří svarové spojení. Během tuhnutí se kovové molekuly přeskupují a krystalizují, čímž vzniká pevné svarové spojení.

Výhody laserové soudelnicí stroje

• Vysoká přesnost: umožňuje dosáhnout svařovací přesnosti na úrovni mikronů, což je obzvláště vhodné pro svařování miniaturizovaných a složitých konstrukcí.

• Vysoká rychlost: zejména u hlubokého tavného svařování díky soustředění laserové energie je tavná lázeň malá a hluboká, což vede ke zvýšené svařovací rychlosti a vyšší výrobní efektivitě.

• Malá deformace: ve srovnání s tradičními svařovacími metodami má laserové svařování nižší tepelný příkon a menší vliv na okolní materiál, což napomáhá k redukci deformací po svaření.

• Malá tepelně ovlivněná zóna: umožňuje snížit tepelné poškození okolních materiálů a zlepšit kvalitu svarových spojů.

Laserový výkon, rychlost svařování a tloušťka materiálu

1. Zdroj laserového svařovacího proudu

Laserový výkon je rozhodujícím faktorem pro určení hloubky průniku svaru a celkového příkonu energie během svařování. Určuje teplo potřebné k roztavení základních materiálů a vytvoření svarové lázně. U tlustších plechů je obvykle potřeba vyšší laserový výkon, aby byla dosažena dostatečná hloubka průniku, zatímco tenčí materiály lze chránit před nadměrným tavením nebo protržením snížením výkonu.

• Vyšší výkon: umožňuje hlubší průnik, vhodný pro svařování tlustších materiálů. Pokud je však výkon u tenkého plechu příliš vysoký, může dojít k nestabilitě otvoru, rozstřikování a dokonce k vadám typu protržení.

• Snížená spotřeba energie: lépe vhodná pro tenčí plechy, poskytuje lepší kontrolu a zabrání přehřátí, které může způsobit deformaci materiálu nebo jeho tavení.

Laserový výkon musí být pečlivě vybrán podle tloušťky materiálu, aby bylo zajištěno správné slití a absence vad.

2. Rychlost svařování

Rychlost svařování označuje rychlost, jakou laser postupuje podél svařovaného spoje. Ovlivňuje tepelný příkon na jednotku délky a je klíčovým faktorem pro určení kvality svařování. Mezi rychlostí svařování a výkonem laseru existuje přímá souvislost, protože zvýšení jednoho parametru obvykle vyžaduje úpravu druhého, aby bylo dosaženo požadovaného svařovacího výkonu.

• Vyšší rychlost svařování: Sníží tepelný příkon na jednotku délky svařování, což je výhodné u tenkých materiálů a předchází přehřátí a deformaci. Pokud je však rychlost při daném výkonu příliš vysoká, může svar postrádat dostatečnou průnikovost, což vede ke slabým spojům nebo neúplnému splynutí.

• Snížení rychlosti svařování: Zvýší tepelný příkon, čímž dojde k většímu roztavení a hlubšímu průniku do základního materiálu. To je výhodné u tlustších plechů, ale může způsobit přehřátí tenkých materiálů nebo nadměrné tokování taveniny.

Použití optimální rychlosti svařování je rozhodující pro vyvážení tepelného příkonu a pro předcházení běžným svařovacím vadám (např. pórovitosti, trhlinám nebo deformacím).

3. Tloušťka materiálu

Tloušťka svařovacích materiálů hraje klíčovou roli při určování požadovaného výkonu a přípustných rychlostí svařování. Tlustší plechy vyžadují více tepla pro dosažení plného prorážení, což znamená, že laser musí pracovat na vyšších výkonech a může být nutné snížit rychlost svařování, aby byl k dispozici dostatečný čas na absorpci tepla. Naopak tenčí plechy vyžadují nižší výkon a vyšší rychlosti, aby se zabránilo nadměrnému přívodu tepla, které by mohlo vést k tavení nebo protržení.

• Tlustší plechy: Pro dosažení plného prorážení je zapotřebí více energie. Laser musí dodávat vyšší výkon a rychlost svařování musí být pomalejší, aby bylo možné přenést dostatečné množství energie do materiálu.

• Tenčí plechy: Vyžaduje se méně energie, takže lze snížit výkon laseru a zvýšit rychlost svařování. Tenké materiály jsou náchylnější na deformace způsobené teplem, proto je přesná kontrola těchto parametrů kritická.

Interakce mezi silou, rychlostí a tloušťkou

Vztah mezi rychlostí laserového svařování, výkonem a tloušťkou plechu je otázkou rovnováhy. Pro každou tloušťku materiálu existuje optimální kombinace výkonu laseru a rychlosti svařování, která zajišťuje vysokou kvalitu svaru, správnou hloubku průniku a minimální počet vad.

Například při svařování silných ocelových desek může zvýšení výkonu laseru bez úpravy rychlosti svařování vést k nadměrnému přívodu tepla, což může způsobit vady jako deformace nebo příliš široké svary. Naopak snížení rychlosti svařování bez zvýšení výkonu může způsobit příliš hluboké svary, potenciálně vedoucí k přehřátí materiálu. U tenkých materiálů může nadměrný výkon v kombinaci s nízkou rychlostí svařování vést k nadměrnému tavení nebo protržení materiálu.

Vztah mezi rychlostí laserového svařování a tloušťkou plechu

Silné desky vyžadují nižší rychlost svařování

Při laserovém svařování tlustších plechů vyžaduje materiál více tepla k dosažení úplného průniku a zajištění dostatečné pevnosti spoje. Je proto nezbytné snížit rychlost svařování, aby byl laserovému paprsku poskytnut dostatečný čas na přenos tepla skrz celou tloušťku materiálu. Pokud je rychlost svařování příliš vysoká, nebude laserová energie plně pronikat, což může vést k nedostatečné hloubce průniku, nespojitým švům nebo nedostačující pevnosti spoje.

• Tlusté plechy (>6 mm): Rychlost svařování by měla být pomalá, aby se zajistilo, že laserová energie plně pronikne celou tloušťkou plechu a vytvoří stabilní a vysoce pevný svar.

Tenké plechy lze svařovat rychleji

Ve srovnání s tlustými deskami vyžadují tenké plechové materiály (méně než 2 mm) méně tepla, což umožňuje laseru snadněji proniknout celou tloušťkou. To umožňuje vyšší rychlosti svařování, které účinně zabraňují přehřátí nebo nadměrnému tavení a tak předcházejí deformacím svaru nebo průpalu. Navíc vyšší rychlosti svařování mohou výrazně zlepšit celkovou efektivitu.

• Tenký plech (<2 mm): rychlost svařování by měla být vysoká, aby se snížily deformace, průpaly a další svařovací vady způsobené přehřátím materiálu.

Vliv výkonu laseru na rychlost svařování a tloušťku plechu

Výkon laseru určuje dodanou energii během svařování. Lasery s vysokým výkonem poskytují silnější tepelný výkon, což je ideální pro svařování tlustších materiálů, zatímco lasery s nízkým výkonem jsou vhodnější pro tenké plechy. Při výběru rychlosti svařování je klíčové sladit výkon laseru s tloušťkou plechu, aby bylo zajištěno dostatečné prorazení bez přehřátí materiálu.

Svařování tlustých plechů laserem s vysokým výkonem

Při svařování silnějších plechů je vyšší výkon laseru potřebný k zajištění dostatečného přenosu tepla do materiálu pro vytvoření stabilní taveniny. V kombinaci s nižší rychlostí svařování může laserová energie rovnoměrně ohřívat materiál po delší dobu, čímž zajistí hloubku tavení.

• svařování silných plechů (10 mm) při výkonu 6 kW: rychlost svařování je obvykle mezi 0,5–1,2 m/min.

Svařování tenkých plechů nízkým výkonem laseru

Při svařování tenkých plechů pomáhá nižší výkon a vyšší rychlost zabránit přehřátí a deformaci svaru. Obvykle lze při výkonu laseru v rozmezí 2–3 kW zpracovávat plechy o tloušťce pod 2 mm.

• svařování tenkého plechu (1 mm) při výkonu 2 kW: rychlost svařování je obvykle mezi 5–10 m/min.

Porovnávací tabulka výkonu a rychlosti laserového svařovacího stroje

Níže je uvedeno porovnání výkonu laserového svařovacího stroje a rychlosti svařování za různých podmínek tloušťky plechu:

• Tenká deska (1-2 mm): Kombinace nízkého výkonu (2-3 kW) a vysoké rychlosti svařování (5-10 m/min) je pro tento typ svařování vhodná, zajišťuje rychlý provoz bez nadměrného generování tepla.

• Středně silné a silné desky (4-6 mm): střední výkon (4-6 kW) kombinovaný se střední rychlostí svařování (1-3 m/min) zajistí dostatečnou hloubku tavení a zabrání nadměrné tepelně ovlivněné zóně.

• Tlusté desky (>6 mm): U tlustých desek použijte vysoký výkon (8-10 kW) kombinovaný s pomalým svařováním (0,5-1 m/min), aby bylo zajištěno dostatečné proniknutí tepla do materiálu a vytvoření spoje s vysokou pevností.

Tabulka výkonu laserového svařování, tloušťky a rychlosti

Laserové svařování je přesná technologie spojování, která umožňuje rychlé a kvalitní svařování různých tlouštěk kovů. Vztah mezi výkonem laseru, tloušťkou materiálu a rychlostí svařování je klíčový pro dosažení optimálních výsledků. Tato komplexní tabulka uvádí tyto parametry pro běžné materiály.

Měkká ocel

Nerezovou ocel

Hliník

Měď

Žlutý kov

Pozinkovaný plech

Závěr

Shrnutím lze říci, že silnější plechy obecně vyžadují vyšší výkon a pomalejší svařovací rychlosti, zatímco tenčí materiály potřebují nižší výkon a vyšší svařovací rychlosti. Tato jemná rovnováha zajišťuje efektivní využití energie a vyšší kvalitu svařování. Pochopení těchto vzájemných vztahů umožňuje výrobcům optimalizovat své procesy pro konkrétní aplikace, materiály a tloušťky, čímž vznikají pevnější a spolehlivější svarové spoje s menším množstvím vad.