Poslední trendy ve svařování laserem

V devadesátých letech minulého století a první polovině tohoto desetiletí prodělala technologie laserového svařování poměrně dynamický vývoj – zčásti díky vývoji výkonnějších a nových typů laserů, zčásti též díky širšímu používání nových moderních materiálů, které jsou jinými metodami těžko svařitelné. V nemalé míře se o tento rozvoj přičinily též rostoucí požadavky na zvyšování produktivity výroby a opakovatelnosti technologického procesu.

Hlavní předností laserového svařování oproti klasickým metodám je kvalita svaru, vyšší hloubka průvaru, podstatně menší tepelně ovlivněná zóna, vysoká produktivita, snadnější možnost automatizace a v neposlední řadě pak povrchový vzhled. Díky všem těmto výhodám se laserové svařování stalo běžné i konstruktérům, kteří je předepisují na výkresech sestav a kromě svařování kovů se stále více začíná uplatňovat i při svařování plastů a speciálních materiálů.

Principy laserového svařování

Na obr. 1 jsou naznačeny dva základní principy laserového svařování. Při svařování vedením tepla se materiál taví absorpcí a vedením tepla vyvolaného laserovým svazkem. Tento postup umožňuje svařování jen do malých hloubek. Zvyšováním plošné hustoty výkonu dosáhneme kritické hodnoty (empiricky 1 až 5 x 106 W/cm2), při které se materiál začíná odpařovat, generuje se plazma a začíná docházet k hlubokému provařování. Laserový paprsek vytvoří kapiláru, která má průměr 1,5- až 2násobek průměru ohniska. Uzavření této kapiláry je zabráněno tlakem plynů. Energie ze stěn  kapiláry potom vniká do taveniny a okolního tuhého materiálu. Svařováním do hloubky je umožněno zvýšení efektivity svařování. Vlastní proces a jeho stabilita je závislá na svařovaném materiálu, polarizaci, vlnové délce laseru, rychlosti posuvu a mnoha dalších faktorech.

Používané druhy laserů

V posledních cca pěti letech se výrazně mění rozložení jednotlivých typů laserů. Sice se pro svařování stále používají CO2  lasery a Nd:YAG lasery (pulzní i kontinuální), popř. tzv. diskové lasery, což je v podstatě jakási modifikace Nd:YAG laserů. Poměrně významné místo při svařování mají i diodové lasery, a to převážně při svařování plastů. Výkonnější diodové lasery (v řádu několika kilowattů) se používají hlavně pro povrchové kalení a navařování. Před cca 10 lety se v 75 % svařovacích průmyslových aplikací používaly Nd:YAG lasery. V posledních několika letech se však tato situace mění a v mnoha aplikacích se stále více využívají lasery vláknové.

Vláknové lasery

Velkou výhodou vláknových laserů je podstatně vyšší účinnost, tzn. podstatně menší spotřeba elektrické energie, nižší nároky na chladicí okruh a výrazně menší půdorysné rozměry. Všechny tyto skutečnosti samozřejmě vedou k dramatickému snížení provozních nákladů. Na obr. 2 je typické schéma výkonového vláknového laseru. Výkon z budicích laserových diod je přímo navázán do aktivního vlákna rezonátoru.

Jde o typ laseru, ve kterém je generováno záření s vlnovou délkou okolo 1,06 µm, které je tedy totožné s vlnovou délkou Nd:YAG laserů. Ke stimulované emisi ale dochází uvnitř optického vlákna dopovaného vzácnými zeminami. Tím pádem je takovýto rezonátor podstatně teplotně stabilnější a rozměrově menší. Podobné generátory mají celou řadu předností ve srovnání s klasickými systémy: výbornou kvalitu svazku, kompaktnost, nízký příkon a přirozeně nepotřebují žádnou dodatečnou optiku pro navázání výstupu do vlákna. Už dnes jsou běžně k dispozici ověřené a plně funkční systémy s výkony až 50 kW. Přitom velikost stroje je srovnatelná s automatem na chlazené nápoje.

Svařovací laser YLR 2000

Na obr. 3 je příklad výkonového laseru pro svařování s výkonem 20 kW, typ YLR 20000 od firmy IPG Photonics. Základní parametry toho laseru jsou: výstupní výkon 20 kW, průměr vlákna 200 µm, půdorys 1 480 x 806 mm, příkon 70 kW, účinnost 30 % a hmotnost 1 200 kg. Jak je z fotografie zřejmé, je výstupní paprsek přiveden do optického vlákna, přičemž lze použít „rozbočovacích“ jednotek, a pak lze použít více vláken vedených na různá pracoviště a výkon laseru přepínat nebo rozdělovat mezi nimi.


Na obr. 4 jsou pak řezy dvou svarů dosažených tímto laserem. Jde o svařování nerezové oceli 1.4301. Jak je vidět, svařováním ze dvou stran lze dosáhnout hloubky průvaru až 50 mm. Na těchto obrázcích jsou znázorněny aplikace spíše z horní úrovně dosahovaných výkonů. Vláknové lasery se však s úspěchem používají v celé škále tloušťek a použitých materiálů. Používají se též ve stále širším nasazení i v mikrosvařování a svařování „běžných“  tloušťek. To je dáno též poměrně širokou výkonovou řadou strojů, od jednotek wattů až po desítky kilowatů. Na obrázku 5 jsou pak řezy mikrosvarů pro různé materiály.



Je nesporné, že laserové svařování se ve vyspělých průmyslových zemích trvale zabydlelo, a je potěšující, že i v Čechách nachází svou vlastní cestu nejen k technologům, ale i k samotným konstruktérům. V mnoha případech je potřeba již při vlastní konstrukci výrobku navrhovat příslušný svar s ohledem na použití laseru.

Na kvalitu svaru má vliv ještě mnoho dalších aspektů. Základní jsou sice výkon laseru a rychlost svařování, nemalou roli ale hraje i použitá optika ve svařovací hlavě (ohnisková vzdálenost), množství a druh asistenčního (inertního) plynu, kvalita laserového paprsku atd. Přesto je laser velmi účinným a nezastupitelným nástrojem v mnoha průmyslových aplikacích.

Celý článek zde.