Laserové svařování na ČVUT v Praze, Fakultě strojní, VCSVTT

Součástí Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) je oddělení laserových technologií. Zde probíhá výzkum využití laseru pro celou řadu aplikací nejen laserového svařování, ale i dalších technologií: řezání, vrtání, navařování, tepelného zpracování, gravírování, texturování a popisu laserem. Získané výsledky výzkumu slouží ke zkvalitnění výuky studentů, k rozšíření možností laserových aplikací ve VCSVVTT a především k průmyslové spolupráci s řadou podniků v ČR. V dnešních požadavcích na vysokou kvalitu a produktivitu při svařování dílů a celých konstrukcí je stále častěji uplatňována technologie laserového svařování. Využití laserového paprsku má řadu výhod, kterých nelze dosáhnout žádnou jinou technologií. To dává laseru výjimečné postavení a záruku budoucího rozvoje této technologie. Svařování laserovým paprskem patří mezi metody tavného svařování. Pro tavné svařování platí obecně princip, že pro vytvoření svarového spoje je velmi důležitý minimální energetický vstup do materiálu. Čím nižší je energie vstupující do technologického procesu, tím menším deformacím svařenec podléhá. Laserový paprsek poskytuje vysokou energii ve velmi zkoncentrované formě. Výsledkem jsou malé deformace a minimální zbytkové pnutí. Laserové svařování probíhá převážně bez přídavného materiálu a pod speciální inertní atmosférou. Cílem prováděných experimentů na laseru JK 701H, který je k dispozici na pracovišti VCSVTT, je pokusit se vytvořit svar laserem i na materiálech, které jsou jinými metodami svařování jen obtížně svařitelné nebo vůbec nesvařitelné. Použitý pevnolátkový, pulzní Nd:YAG laser od společnosti GSI LUMONICS dovoluje maximální výstupní výkon 550 W. Toto určité výkonové omezení umožňuju svařovat tenké plechy do tloušťek 2 až 3 mm. Nicméně tento typ laseru je vhodný pro řadu aplikací zejména bodových svarů a svařování malých dílců s přesnou pozicí svarů. Oddělení laserových technologií ve VCSVTT se zabývá laserovým svařováním konstrukčních, korozivzdorných a nástrojových ocelí, litin, slitin hliníku a mědi, titanu a dalších materiálů a jejich kombinací. Proces svařování je optimalizován především s ohledem na dosažené mechanické vlastnosti spoje hodnocené ze zkoušky pevnosti v tahu a ohybu. Pro posouzení vnitřní struktury svarů je prováděna metalografická analýza a sledován vliv laserového paprsku na proces svařování. Pro technologii svařování je nutné optimalizovat zejména parametry nastavení vlastního laserového zařízení (výkon, délka pulsu, šířka pulsu, frekvence), optických prvků laseru, rychlosti svařování, užití vhodných plynů pro vytvoření dostatečné ochranné atmosféry a volba geometrie svařovaných dílů s vhodnou úpravou svařovaných ploch. Při optimalizaci relativně velkého počtu vstupních faktorů ovlivňujících svařovací proces je pro stanovení nejoptimálnějších parametrů svařování využívána metoda DoE – Design of Experiment. Tento velice efektivní postup optimalizace parametrů urychluje vlastní vývoj procesu tím, že napomáhá snížit množství prováděných experimentů, což ve výsledku vede k celkovému snižování nákladů. Vzhledem k nižšímu výkonu našeho laseru je vhodné volit jeho horní hranici a upravovat svařovací rychlost. Pro laserové svařování je podstatný vliv parametrů velikosti stopy a defokusace paprsku, tedy polohy ohniska paprsku vzhledem k materiálu. S větší stopou a rozostřením svazku klesá plošná hustota energie a často nedochází k hlubšímu provaření. Důležitým parametrem procesu svařování se ukázala i správná volba předehřevu, popř. následného žíhání svarů. Pro zjištění teplot nejen předehřevu a žíhání, ale i teplot vlastního procesu svařování je používána termovizní kamera snímající pracovní prostor. Takto je možné sledovat rozdílnou odezvu (teplotu) na rozdílné nastavení vstupních parametrů. Mezi obtížněji svařitelné materiály můžeme řadit litinu s lupínkovým grafitem. Při zkouškách svařování litiny GJL-250 (ČSN 42 2425) se podařilo nalézt optimální parametry svařování zaručující dodržení požadované pevnosti v tahu. Významným úspěchem zde použitého laserového svařování je, že ke svaření došlo bez přídavného materiálu. Důležitým parametrem procesu byla vhodná volba teplot předehřevu a následného žíhání materiálu, kterých bylo dosaženo rozostřeným paprskem laseru. Při tahové zkoušce svaru tloušťky 3 mm došlo k porušení vzorku mimo oblast svaru a svar tak vykázal lepší mechanické vlastnosti než vlastní základní materiál. Výsledná naměřená pevnost v tahu zkoušeného vzorku Rm 217,4 MPa plně odpovídá tabulkovým hodnotám litiny GJL-250 (Rm 200 - 250 MPa). Metalografická analýza neobjevila žádné skryté vady, naopak na pozorovaných vzorcích svarový kov vykazoval vyšší homogenitu než základní materiál. Svařovací proces při zkouškách opakovatelnosti vykazoval dostatečnou stabilitu. Zkoušky svařitelnosti hliníkového bronzu CuAl10FeNi5 prokázaly, že tento materiál je laserem JK701H svařitelný do tloušťky 2 mm. Nalezené optimální svařovací parametry umožňují vytvořit svar s odpovídající pevností v tahu. Tento bronz byl svařován i v kombinaci s ocelí 11 523, kde bylo dobrých výsledků dosaženo vychýlením trajektorie paprsku blíže k bronzu a tím předání většího množství energie tomuto materiálu. Důležitým předpokladem pro vytvoření svaru odpovídající pevnosti je volba optimální teploty předehřevu materiálu. Poté dochází k lepší absorpci paprsku na povrchu bronzu. Bez předehřevu byla pevnost svaru znatelně nižší. Výsledná naměřená pevnost v tahu Rm 584,5MPa se blíží tabulkovým hodnotám pro daný materiál. Konkrétním požadavkem z průmyslu na laserové svařování bylo vytvoření bodového svaru elektrických kontaktů z materiálu 17 240 (X5CrNi18-10), který je odolný pro vysoce korozivní prostředí. Svar ve výsledku splňoval požadovanou pevnost, minimální rozstřik a dostatečnou elektrickou vodivost. Metalografická analýza vnitřní struktury svarů neodhalila žádné vnitřní vady. Z výsledků je patrné, že došlo k dobrému protavení spojovaných dílů. Výsledná struktura neobsahuje žádné trhliny, dutiny, vměstky nebo póry. Současný výzkum svařitelnosti laserem ve VCSVTT se zabývá řadou dalších materiálů, jako jsou slitiny hliníku, čistý titan a vysokolegované oceli s cílem vytvoření databáze jejich svařitelnosti laserem. Zároveň jsou řešeny konkrétní požadavky zákazníků, např. svařování lopatek turbodmychadla z žáruvzdorné oceli. Už méně rozšířenou technologií je laserové navařování. Jedná se především o navařování pro renovaci forem a dále vytváření vysoce otěruvzdorných povlaků odolných proti opotřebení. Pro zkoušku navařování prášků byla využita koaxiální navařovací hlava konstruovaná ve VCSVTT. Prášek je od rotačního podavače unášen plynem do navařovací hlavy, kde po kontaktu s laserovým paprskem dochází k jeho natavení. Poté je natavený prášek ústím navařovací trysky vyfukován plynem, vytvářejícím zároveň ochrannou atmosféru, na povrch základního materiálu. Takto se podařilo u řady kombinací návarových a základních materiálů nalézt optimální parametry pro vytvoření kvalitního metalurgického spojení. Odolnost návaru proti opotřebení zkoušíme na tribologických zařízeních EDA – vlečné tření a Amsler – valivé tření. Zvládnutá metodika vyhodnocování těchto zkoušek umožňují efektivně porovnávat kvalitu jednotlivých funkčních vrstev nejen u návarů laserem, ale i dalších povrchů vytvořených jinou technologií. Rozsáhlé experimenty svařování výše uvedených materiálů laserem napomohly stanovit vhodné svařovací parametry pro vytvoření kvalitních svarů. Důraz byl kladen především na výslednou pevnost spoje v tahu, kde bylo cílem dosáhnout vyšší pevnosti svaru a jeho okolí oproti základnímu materiálu. Při využití laserového paprsku pro technologii navařování bylo dosaženo pevného spojení návaru se základním materiálem a vysokých užitných vlastností funkční povrchové vrstvy. Podařilo se vytvořit svar i na materiálech jinou technologií obtížně svařitelných, a to s vyšší kvalitou svaru a lepší produktivitou procesu. Nespornou výhodou laserového svařování je možnost zhotovit svarový spoj při kombinaci odlišných materiálů a získat tak nové postupy při spojování dílů. Veškeré zde prezentované výsledky jsou centrem VCSVTT nabízeny pro průmyslovou spolupráci, stejně jako řada informací ohledně laserových technologií, poskytování školení a komplexní podpory při zavádění těchto technologií. Ing. Petr Ambrož Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507. ČVUT v Praze, Fakulta strojní Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) Horská 3, CZ -128 00 Praha 2 tel.: 224 235 224, fax: 221 990 999 P.Ambroz@rcmt.cvut.cz www.rcmt.cvut.cz