Laserová technologie

1. Princip laserového svařování

Laserové svařování lze provádět pomocí spojitého nebo pulzního laserového paprsku. Princip laserového svařování lze rozdělit na tepelně vodivé svařování a hluboké laserové průnikové svařování. Hustota výkonu nižší než 10 ⁴ ~10⁵ Š/CM ² je svařování vedením tepla, které se vyznačuje mělkým pronikáním a pomalou rychlostí svařování. Pokud je hustota výkonu vyšší než 10 ⁵ ~10⁷ Š/CM ² , je povrch kovu zahříván, čímž vznikají „dutiny“ a vytváří se svařování s hlubokým pronikáním, které se vyznačuje vysokou rychlostí svařování a velkým poměrem hloubky k šířce.

Princip svařování laserem vedením tepla je následující: laserové záření zahřívá povrch, který má být zpracován, a teplo se z povrchu šíří dovnitř prostřednictvím vedení tepla. Řízením laserových parametrů, jako jsou šířka, energie, špičkový výkon a opakovací frekvence laserového pulzu, se materiál obrobku roztaví a vytvoří se určitá tavící lázeň.

Laserové svařovací stroje používané pro svařování ozubených kol a tenkých kovových plechů v metalurgii využívají především svařování laserem s hlubokým pronikáním. Princip svařování laserem s hlubokým pronikáním bude podrobně popsán níže.

Laserové svařování s hlubokým pronikáním obvykle využívá spojitý laserový paprsek ke spojení materiálů. Jeho metalurgická fyzika je velmi podobná elektronovému sváření, přičemž mechanismus přeměny energie je zprostředkován strukturou tzv. klíčové díry. Při dostatečně vysoké hustotě výkonu laserového záření se materiál odpařuje a vytváří klíčovou díru. Tato párou naplněná klíčová díra působí jako černé těleso a absorbuje téměř veškerou energii dopadajícího paprsku. Rovnovážná teplota uvnitř klíčové díry dosahuje přibližně 2500 °C. Teplo je přenášeno z vnější stěny tohoto vysokoteplotního klíčového otvoru a taví kov kolem něj. Klíčový otvor je naplněn vysokoteplotní párou, která vzniká neustálou výparou materiálu stěny pod ozářením svazku. Stěny klíčového otvoru obklopují roztavený kov a kapalný kov obklopuje pevný materiál (většinou tradičních svařovacích procesů a laserového vodivostního svařování je energie nejprve dodána na povrch obrobku a poté přenášena do jeho nitra). Kapalný tok a povrchové napětí mimo stěny klíčového otvoru udržují dynamickou rovnováhu s neustále vznikajícím párovým tlakem uvnitř klíčového otvoru. Jakmile laserový svazek neustále proniká do klíčového otvoru, materiál mimo klíčový otvor nadále proudí. Pohybuje-li se laserový svazek, zůstává klíčový otvor ve stabilním proudovém stavu. Jinými slovy se klíčový otvor a roztavený kov kolem něj pohybují vpřed stejnou rychlostí jako řídící svazek. Rovtavený kov vyplňuje mezery zanechané po odchodu klíčového otvoru a následně ztuhne, čímž vznikne svar. Všechno to probíhá tak rychle, že rychlost svařování snadno dosahuje několika metrů za minutu.

2. Klíčové parametry procesu laserového svařování s hlubokým pronikáním

Výkon laseru

Laserové svařování vyžaduje určitou prahovou hodnotu hustoty laserové energie. Pod touto prahovou hodnotou je hloubka proniknutí mělká; jakmile je tato hodnota dosažena nebo překročena, hloubka proniknutí výrazně stoupá. Plazma vzniká pouze tehdy, přesahuje-li hustota výkonu laseru na obrobku tuto prahovou hodnotu (která závisí na materiálu), což znamená začátek stabilního hlubokopronikajícího svařování. Pokud je výkon laseru pod touto prahovou hodnotou, na obrobku dochází pouze k povrchovému tavení, tj. svařování probíhá v režimu stabilní tepelné vodivosti. Když je hustota výkonu laseru blízko kritické podmínky pro vznik klíčového otvoru (keyhole), střídají se hlubokopronikající svařování a svařování vedením tepla, čímž vzniká nestabilní svařovací proces s velkými kolísáními hloubky proniknutí. Při laserovém hlubokopronikajícím svařování současně ovládá výkon laseru jak hloubku svaru, tak rychlost svařování. Hloubka svaru je přímo úměrná hustotě výkonu světelného paprsku a závisí na výkonu dopadajícího paprsku a na velikosti ohniskové skvrny paprsku. Obecně platí, že u laserového paprsku daného průměru roste hloubka proniknutí se zvyšujícím se výkonem paprsku.

Ohnisková stopa svazku

Velikost stopy svazku je jednou z nejdůležitějších proměnných při laserovém svařování, protože určuje výkonovou hustotu. Měření této veličiny u výkonných laserů je však náročné, a to navzdory existenci mnoha nepřímých měřicích metod.

Difrakčně omezenou velikost stopy laserového svazku lze vypočítat na základě optické difrakční teorie. Kvůli aberacím ve fokuzující čočce je však skutečná velikost stopy větší než vypočtená hodnota. Nejjednodušší praktickou měřicí metodou je metoda izotermického profilometru, při které se spálí silný list papíru a prorazí se deska z polypropylenu, následně se změří ohnisková stopa a průměr průrazu. Tato metoda vyžaduje praktické měření za účelem zvládnutí výkonu laseru a doby expozice svazku.

Hodnota absorpce materiálu

Absorpce laserového světla materiálem závisí na několika důležitých vlastnostech, jako jsou absorbční schopnost, odrazivost, tepelná vodivost, teplota tání a teplota vypařování, přičemž nejdůležitější je absorbční schopnost.

Faktory ovlivňující absorbční schopnost materiálu vůči laserovému paprsku zahrnují dva aspekty: Za prvé elektrický odpor materiálu. Měření absorbční schopnosti leštěných povrchů ukazují, že absorbční schopnost je úměrná druhé odmocnině elektrického odporu, který se zase mění s teplotou. Za druhé stav povrchu (nebo hladkost) materiálu má významný vliv na absorbci paprsku a tím i významně ovlivňuje kvalitu svařování.

Výstupní vlnová délka CO2 laseru je obvykle 10,6 μ m. Nekovové materiály, jako jsou keramika, sklo, pryž a plasty, mají při pokojové teplotě vysokou míru absorpce, zatímco kovové materiály ji při pokojové teplotě absorbují špatně; jejich absorpce se výrazně zvyšuje až po roztavení nebo dokonce odpaření materiálu. Povrchové povlaky nebo oxidové vrstvy jsou účinnými metodami ke zlepšení absorpce laserového paprsku materiálem.

Rychlost sváření

Rychlost svařování výrazně ovlivňuje hloubku sváru. Zvýšením rychlosti se hloubka průniku snižuje, zatímco příliš nízká rychlost vede k nadměrnému tavení a propálení. Proto pro konkrétní materiál při daném výkonu laseru a dané tloušťce existuje vhodný rozsah rychlostí svařování, ve kterém lze dosáhnout maximální hloubky průniku. Obrázek 10-2 ukazuje vztah mezi rychlostí svařování a hloubkou průniku pro ocel 1018.

Ochranný plyn

Inertní plyny se běžně používají k ochraně taveniny při laserovém svařování. Ačkoli povrchová oxidace nemusí být u některých materiálů problémem, helium, argon a dusík se ve většině aplikací běžně používají k prevenci oxidace svařovaného dílu během svařování.

Helium je špatně ionizovatelné (avšak má vysokou energii ionizace), což umožňuje laserovému paprsku procházet hladce a nedotknutý dosáhnout povrchu svařovaného dílu. Jedná se o nejúčinnější ochranný plyn používaný při laserovém svařování, avšak je poměrně drahý.

Argon je levnější a má vyšší hustotu, čímž zajišťuje dobrou ochranu. Je však snadno ionizovatelný vysokoteplotním kovovým plazmatem, což částečně stíní paprsek před dosažením svařovaného dílu, snižuje tak účinný výkon laseru a zhoršuje rychlost svařování a proniknutí. Svarové švy chráněné argonem mají hladší povrch než ty chráněné heliem.

Dusík je nejlevnější ochranný plyn, avšak není vhodný pro svařování určitých druhů nerezové oceli, především z důvodu metalurgických problémů, jako je například absorpce, která někdy může způsobit pórovitost v oblasti svaru.

Druhou funkcí ochranných plynů je ochrana fokusační čočky před kontaminací kovovou párou a rozstřikem tavených kapek. Toto je zejména důležité při svařování vysokovýkonovým laserem, kde vyvrhovaný materiál dosahuje velmi vysoké intenzity.

Třetí funkce ochranných plynů spočívá v jejich účinnosti při rozptylování plazmatu vznikajícího při svařování výkonným laserem. Kovová pára absorbuje laserový paprsek a ionizuje se na oblak plazmatu. Ochranný plyn obklopující kovovou páru se také ionizuje v důsledku zahřátí. Pokud je přítomno příliš mnoho plazmatu, je laserový paprsek částečně plazmatem pohlcován. Plazma funguje jako sekundární zdroj energie na pracovní povrchu, což má za následek mělčí proniknutí svaru a širší svarovou lázeň. Rychlost rekombinace elektronů se zvyšuje zvýšením počtu srážek mezi elektrony, ionty a neutrálními atomy, čímž se snižuje elektronová hustota v plazmatu. Čím jsou neutrální atomy lehčí, tím je vyšší frekvence srážek a rychlost rekombinace; na druhé straně pouze ochranný plyn s vysokou ionizační energií dokáže zabránit nárůstu elektronové hustoty způsobenému ionizací samotného plynu.

Velikost plazmového oblaku se liší v závislosti na použitém ochranném plynu: heliom má nejmenší velikost, následuje dusík a argon má největší. Větší plazmový oblak má za následek mělčí proniknutí svaru. Tento rozdíl je především způsoben různým stupněm ionizace molekul plynu, ale také rozdíly v difuzi kovových par způsobenými různou hustotou ochranných plynů.

Helium má nejnižší stupeň ionizace a nejnižší hustotu, díky čemuž dokáže rychle vytláčet stoupající kovové páry z tavící se kovové lázně. Použití helia jako ochranného plynu proto maximalizuje potlačení plazmy, čímž zvyšuje proniknutí svaru i rychlost svařování; jeho nízká hmotnost navíc umožňuje jeho snadné uniknutí, což snižuje pravděpodobnost vzniku pórovitosti. Na základě našich skutečných svařovacích výsledků se však ukázalo, že ochrana argonem je velmi účinná.

Vliv plazmového mraku na pronikání svaru je nejvýraznější při nízkých rychlostech svařování. Jeho účinek se snižuje s rostoucí rychlostí svařování.

Ochranný plyn je vystřikován přes trysku pod určitým tlakem a dosahuje povrchu obrobku. Hydrodynamický tvar trysky a průměr výstupního otvoru jsou rozhodující. Ochranný plyn musí být dostatečně intenzivní, aby pokryl svařovaný povrch, avšak velikost trysky musí být omezena, aby bylo možné účinně chránit čočku a zabránit kontaminaci kovovou párou nebo poškození kovovými rozstřiky. Průtok také musí být řízen; jinak se laminární proud ochranného plynu změní na turbulentní, do taveniny se vtáhne atmosférický vzduch a nakonec vzniknou póry.

K zlepšení stínícího účinku lze použít dodatečnou boční metodu výfuku, při níž je ochranný plyn přiváděn přímo do otvoru (pinhole) hlubokého svaru menší tryskou pod určitým úhlem. Ochranný plyn nejen potlačuje plazmový oblak na povrchu obrobku, ale také ovlivňuje plazma uvnitř otvoru (pinhole) a tvorbu tohoto otvoru, čímž dále zvyšuje hloubku průniku a umožňuje vytvořit svar s ideálním poměrem hloubky ku šířce. Tato metoda však vyžaduje přesnou regulaci průtoku a směru plynu; v opačném případě může dojít snadno k turbulentnímu proudění, které poškodí taveninovou lázeň a způsobí nestabilitu svařovacího procesu.

Ohnisková vzdálenost objektivu

Během svařování je laser obvykle zaostřen, nejčastěji pomocí čoček s ohniskovou vzdáleností 63 až 254 mm (2,5 ”~10”velikost zaměřeného bodu je přímo úměrná ohniskové vzdálenosti; čím je ohnisková vzdálenost kratší, tím je bod menší. Ohnisková vzdálenost však také ovlivňuje hloubku ostrosti, což znamená, že hloubka ostrosti roste úměrně s ohniskovou vzdáleností. Kratší ohnisková vzdálenost tedy může zvýšit hustotu výkonu, avšak kvůli malé hloubce ostrosti musí být vzdálenost mezi čočkou a obrobkem udržována s velkou přesností a zároveň je omezena i hloubka průniku. Vlivem rozstřiku a režimu laseru vznikajících během svařování je nejkratší skutečně používaná ohnisková vzdálenost při svařování často 126 mm (5 ”když je spoj velký nebo je nutné zvětšit velikost sváru zvětšením velikosti bodu, lze vybrat čočku s ohniskovou vzdáleností 254 mm (10 ”) . V tomto případě je pro dosažení efektu klíčového otvoru s hlubokým průnikem vyžadován vyšší výstupní výkon laseru (hustota výkonu).

Když výkon laseru překročí 2 kW, zejména u 10,6 μ laserové svazky CO₂ o vlnové délce m, díky použití speciálních optických materiálů v optickém systému, často využívají odrazového zaměření, aby se zabránilo poškození fokusovací čočky. Jako odrazová zrcadla se obvykle používají leštěná měděná zrcadla. Díky jejich účinným chladicím vlastnostem jsou často doporučována pro zaměřování výkonných laserových svazků.

Postavení fokusu

Během svařování je poloha ohniska rozhodující pro udržení dostatečné hustoty výkonu. Změny relativní polohy ohniska vzhledem ke povrchu obrobku přímo ovlivňují šířku a hloubku svaru. Obrázek 2-6 ukazuje vliv polohy ohniska na průnikovou hloubku a šířku svaru oceli třídy 1018.

Většinou se při laserovém svařování ohnisko umísťuje přibližně o jednu čtvrtinu tloušťky pod povrchem obrobku, aby byla dosažena požadovaná průniková hloubka.

Poloha laserového svazku

Při laserovém svařování různých materiálů ovládá poloha laserového paprsku konečnou kvalitu svaru, zejména u stykových spojů, kde je citlivější než u překryvných spojů. Například při svařování kalené ocelové ozubené kola s bubnem z nízkouhlíkové oceli vede správné ovládání polohy laserového paprsku k vytvoření svaru tvořeného převážně složkami z nízkouhlíkové oceli, který vykazuje lepší odolnost proti trhlinám. V některých aplikacích vyžaduje geometrie svařovaného dílu odchýlení laserového paprsku pod určitým úhlem. Pokud je úhel odchýlení mezi osou paprsku a rovinou spoje v rozmezí do 100 stupňů, nebude absorpce laserové energie dílem ovlivněna.

Řízení zvyšování a snižování výkonu laseru na začátku a konci svařování

Při laserovém svařování s hlubokým pronikáním dochází k jevu pinhole vždy, bez ohledu na hloubku svaru. Když je proces svařování ukončen a vypne se napájení, vznikne na konci svaru prohlubeň. Navíc, pokud vrstva laserového svaru pokrývá původní svar, může dojít k nadměrnému absorbování laserového paprsku, což vede k přehřátí nebo pórovitosti svarového spoje.

Aby se těmto jevům zabránilo, lze programovat počáteční a koncové body výkonu tak, aby byly nastavitelné doba nárůstu a poklesu výkonu. To znamená, že počáteční výkon se elektronicky zvyšuje z nuly na nastavenou hodnotu výkonu v krátkém čase a upravuje se doba svařování. Nakonec se na konci svařování výkon postupně snižuje z nastavené hodnoty na nulu.

3. Vlastnosti, výhody a nevýhody laserového svařování s hlubokým pronikáním

Vlastnosti laserového svařování s hlubokým pronikáním

1) Vysoký poměr výšky k šířce. 1) **Hluboký a úzký svar:** Protože roztavený kov vzniká kolem válcové dutiny vyplněné vysokoteplotní párou a rozšiřuje se směrem k obrobku, je svar hluboký a úzký.

2) **Minimální tepelný příkon:** Díky extrémně vysoké teplotě uvnitř otvoru probíhá tavení velmi rychle, což má za následek velmi nízký tepelný příkon do obrobku a minimalizuje tepelnou deformaci i tepelně ovlivněnou oblast.

3) **Vysoká hustota:** Otvor naplněný vysokoteplotní párou usnadňuje míchání svarové lázně a únik plynů, čímž vzniká svar bez pórovitosti a s plným průvařem. Vysoká rychlost chlazení po svařování dále jemní mikrostrukturu svaru.

4) **Silné svařování:** Intenzivní zdroj tepla a úplné absorbování nekovových složek snižují obsah nečistot a mění velikost a rozložení nečistot v tavenině. Svařovací proces nepotřebuje elektrody ani přídavný drát, čímž se snižuje kontaminace v tavenině, takže pevnost a houževnatost svaru jsou alespoň rovnocenné nebo dokonce převyšují pevnost a houževnatost základního materiálu.

5) **Přesná regulace:** Protože zaměřený světelný bod je velmi malý, lze svar přesně umístit. Výstup laseru nemá „setrvačnost“, což umožňuje rychlé zastavení a opětovné spuštění při vysokých rychlostech. Technologie CNC pohybu svazku umožňuje svařování složitých součástí. 6) Bezkontaktní atmosférický svařovací proces. Protože energie pochází ze světelného (fotonového) svazku, nedochází k fyzickému kontaktu se svařovanou součástí, a proto na ni není působena žádná vnější síla. Navíc magnetismus i vzduch nemají na laser žádný vliv.

Výhody hlubokého laserového svařování

1) Díky mnohem vyšší hustotě výkonu zaměřených laserů ve srovnání se zvyklostmi je rychlost svařování vysoká, tepelně ovlivněná zóna a deformace jsou malé a lze svařovat obtížně svařitelné materiály, jako je titan.

2) Protože se svazek snadno přenáší a řídí, není nutné často měnit svařovací hořáky a trysky a pro elektronové svazkové svařování není vyžadováno vytváření vakua, což výrazně snižuje prostoj a vede ke vysokému koeficientu zatížení a výrobní efektivitě.

3) Díky čistícímu účinku a vysoké rychlosti chlazení má svar vysokou pevnost, houževnatost a celkový výkon.

4) Díky nízkému průměrnému tepelnému příkonu je zpracovatelská přesnost vysoká, čímž se snižují náklady na opakované zpracování; navíc jsou provozní náklady na laserové svařování také nižší, čímž se snižují náklady na zpracování součástí.

5) Intenzitu svazku a přesné umístění lze efektivně řídit, čímž se usnadňuje automatický provoz.

Nevýhody hlubokého laserového svařování

1) Omezená hloubka svařování.

2) Vysoké požadavky na montáž obrobků.

3) Vysoká počáteční investice do laserových systémů.