LASER MATERIAL PROCESSING HARDENING AND WELDING. Stanislav Němeček Tomáš Mužík

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "LASER MATERIAL PROCESSING HARDENING AND WELDING. Stanislav Němeček Tomáš Mužík"

Aleš Kopecký
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 ZPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ LASEREM - KALENÍ A SVAŘOVÁNÍ LASER MATERIAL PROCESSING HARDENING AND WELDING Stanislav Němeček Tomáš Mužík MATEX PM, s.r.o., Morseova 5, Plzeň, ČR, nemecek@matexpm.com Abstrakt Příspěvek se zabývá aplikací vláknových laserů pro svařování a povrchové kalení. Předností tohoto postupu je především možnost selektivního výběru kaleného místa, vysoká produktivita a opakovatelnost. Okolí svaru je velmi málo tepelně ovlivňováno, což se projevuje v lepších vlastnostech spoje. Vlastnosti po kalení laserovým svazkem jsou srovnatelné s tvrdostí a mikrostrukturou po konvenčním tepelném zpracování. Popisované výsledky jsou v příspěvku doloženy experimenty reálných výrobcích: vytvrzovaných pracovních hranách forem, svařovaných T- profilech pro stavebnictví a výměnících tepla. 1. ÚVOD Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství. V poslední době se začínají komerčně prosazovat nové způsoby zpracování pomocí energetických svazků iontů, elektronů nebo laserového záření. Elektronový svazek umožňuje ohřev a tavení povrchu většiny kovů. Gaussovský profil předurčuje tuto techniku pro hluboké penetrační svařování a nanášení vrstev. Nevýhodou je vznik rtg záření a s ním spojené bezpečnostní rizika, stejně jako potřeba vakua v pracovním prostoru. Alternativou je iontový svazek, kde je však opět potřeba vakua a iontové pracovní komory limitované velikosti. Rostoucí poptávka po zpracování materiálu laserem je způsobena jeho výbornými užitnými vlastnostmi vysokou produktivitou, automatizací, minimalizací následných operací, redukcí výrobní ceny, lepším využitím materiálu a minimální teplem ovlivněnou oblastí. Mezi výhody laseru patří dobře kontrolovaný přísun energie (1-30J/cm 2 ) nebo výkonu ( W/cm 2 ) často pomocí vlákna, extrémně rychlý ohřev ( K/m) a rychlé ztuhnutí (1-30m/s) materiálu [1-3]. Procesy působení svazku na povrch materiálu lze rozdělit do 3 tříd: ohřev, tavení a odpařování povrchu. Do první skupiny patří technologie tvarování plechů, vytvrzování, do druhé pak svařování legování, nanášení vrstev apod. Třetí skupina zahrnuje čištění, značení, řezání, obrábění atd. Znázornění uvedených aplikací v závislosti na výkonu a interakční době je uveden na obr. 1. Praktičtější je ovšem rozdělení podle toho, zda při zpracování dochází pouze k mikrostrukturním změnám nebo i ke změnám struktury i složení, obr. 2. 1

Předností tohoto postupu je především možnost selektivního výběru kaleného místa, vysoká produktivita a opakovatelnost.

2 Obr. 1 Závislost hustoty výkonu laseru na době interakce svazku s materiálem. Fig. 1 Power density vs. beam-material iinteraction time Povrch materiálu lze vytvrdit díky fázovým transformacím. Při přetavení dochází vlivem rychlého odvodu tepla okolním kovem ke vzniku nové struktury, odlišné od původní především větší jemnozrnností a uspořádáním nebo precipitací karbidů. Podobně se projevují změny struktury v ostatních dvou případech. Zvolený výkon řídí především dodanou energii, tedy teplotu procesu, rychlostí pohybu po povrchu se ovlivňuje hloubka prokalení. Samozřejmě dalším parametrem je vlastní chemické složení materiálu a některé další faktory jako třeba výkonový profil a velikost svazku. Teplota kalení je kontrolována pyrometrem, který ve zpětné vazbě řídí výkon laseru. Kromě strukturních změn je možné modifikovat také chemické složení procesy jako jsou difúzní legování, nanášení vrstev z prášku nebo drátu s vhodným složením, přetavením povrchu na němž je nanesena emulze nebo gel obsahující příslušný legující prvek. Obr. 2 Možnosti využití laseru Fig. 2 Laser using possibilities Příspěvek je zaměřen na oblasti využití laseru pro vytvrzování povrchu a svařování bez přídavného materiálu (při uspořádání tzv. keyhold welding). Jsou uvedeny příklady aplikace laseru v průmyslovém využití i s charakteristikou dosažené struktury a mechanických vlastností tak jak byly získány ve firmě MATEX PM [4]. 2

Podobně se projevují změny struktury v ostatních dvou případech. Zvolený výkon řídí především dodanou energii, tedy teplotu procesu, rychlostí pohybu po povrchu se ovlivňuje hloubka prokalení.

3 METAL VÝSLEDKY A DISKUSE 2.1 Vytvrzování K povrchovému kalení se tradičně používá indukční kalení nebo kalení plamenem se všemi výhodami a nevýhodami, které poskytují. Kalení plamenem je těžko definovatelný proces s obtížně řiditelnou teplotou, velkým ovlivněním základního materiálu atd. Indukční kalení zase vyžaduje konstrukci induktoru v závislosti na tvaru a velikosti součásti. Většinou dochází k následnému chlazení kapalinou a oxidaci povrchu, což vyžaduje alespoň drobné konečné opracování atd. Především kalení plamenem probíhá ručně a pomalu. Pro vytvrzení oceli o objemu 1 mm3 laserem je potřeba kolem 50J energie. K tomu obvykle stačí 10W/mm2 a doba interakce svazku s materiálem 1 s. Převedeno do výkonu svazku tedy 1kW (spot 10x10 mm) s rychlostí pohybu 10mm/s [2]. Při výrobě forem se používají více legované materiály, formy mají hmotnost až 5 tun. To vše má za následek obtížnou manipulaci a cenovou náročnost. Tepelné zpracování celé formy je časově i energeticky náročné, dochází k deformacím a tím i k potřebě následného opracování či přebroušení. Laserový svazek u řady forem poskytuje alternativu, která umožňuje povrchově zakalit patřičná funkční místa a tím zlepšit životnost. Forma zůstává nehybná, pohyb svazku zajišťuje robot. Velikost bodu lze měnit volbou optických prvků na kalicí hlavě, typicky od několika milimetrů až do 4 cm. Ukázky jsou na obr. 3, jedná se o formy na ostřihávání textilií a plastů. Obr. 3 Vytvrzování pracovních hran forem Fig. 3 Hardening of mould working edges Další výhody kalení laserem představuje obr. 4. Při kalení dlouhých předmětů dochází díky postupně probíhající fázové transformaci k deformacím. Na uvedeném příkladu je situace zhoršena ještě přítomností šikmých zubů a děr. Tyč se při kalení prohýbá, šikmé zuby však způsobují další přídavnou deformaci torzním zkroucením. I po kalení laserem vzniká deformace, je však menší než hloubka prokalení, takže následným přebroušením je možné dosáhnout akceptovatelného výsledku. Vedení svazku robotem navíc umožňuje libovolně prostřídat kalené pozice, což také snižuje 3

Indukční kalení zase vyžaduje konstrukci induktoru v závislosti na tvaru a velikosti součásti.

4 tepelné ovlivnění dané lokality a velikost deformací. Aby došlo k samokalení (tj. bez použití kalicího media), musí být tloušťka materiálu min. 10x větší než prokalená hloubka. Při max. hloubkách kalení laserem 2 mm je to tedy tl. stěny 20mm. Při menší tloušťce materiálu je potřeba externího odvodu tepla. Obr. 4 Kalení ozubení a dlouhých výrobků Fig. 4 Quenching of gears and long products 2.1 Svařování Dostatečná kvalita svazku diodových laserů umožňuje jejich použití pro svařování náhradou za dříve používané Nd:YAG a CO2 lasery. Výhoda je větší kompaktnost a účinnost těchto zařízení, stejně jako nižší provozní náklady. Tak se zpracování laserovým svazkem stává konkurenceschopné dříve používaným metodám. Hustota výkonu používaná při svařování laserovým svazkem bývá řádově 10 4 W/mm 2. Při výkonu laseru 3kW je hloubka provaření oceli až 8 mm. Rychlost svařování s rostoucí tloušťkou klesá. Pro tl. plechu 2 mm je svařovací rychlost kolem 4 m/min, pro tl. nad 6mm klesá svařovací rychlost pod 1m/min. Závisí však kromě typu oceli také na průměru svazku a jeho kvalitě. Hybridní svařování je kombinací svařování laserem a konvenčním způsobem (MIG, MAG apod). Výhodou je velká hloubka provaření, malé tepelné ovlivnění a velká rychlost (3-10x vyšší oproti konvenčním metodám). Zároveň se snižují nároky na přesnost sesazení svařovaných ploch laserem. Příklady laserových spojů jsou uvedeny na obr. 5 (a,b), hybridní svary na obr. 5 (c,d). Kvalita spoje se v průběhu nemění, jak dokládá obr. 6a. Pracovní optika je ve vzdálenosti 200 mm od spoje, což umožňuje svařování i v poměrně nepřístupných místech, obr. 6b. 4

4 Quenching of gears and long products 2.1 Svařování Dostatečná kvalita svazku diodových laserů umožňuje jejich použití pro svařování náhradou za dříve používané Nd:YAG a CO2 lasery.

5 METAL 2009 (a) (b) (c) Obr. 5 Svařování laserem (a,b) a hybridním svařováním (b,c) (d) Fig. 5 Laser welding (a,b) and hybrid welding (b,c) (a) (b) Obr. 6 Praktické případy využití laserového svařování T-profily a tepelné výměníky Fig. 6 Practical cases of laser welding T-profiles and heat exchangers 3. ZÁVĚR Příspěvek představil praktické využití laserového svazku pro zpracování materiálů. Bylo ukázáno, že současné diodové lasery s vedením svazku v optickém vláknu mají dostatečný výkon a kvalitu, aby se staly konkurencí tradičních plynových a pevnolátkových laserů. V kombinaci s pohybem svazku pomocí robotu se stává tato technologie důležitou pro řadu aplikací, dokonce v reálném 3D prostoru. Přináší zvýšení životnosti řady svařovaných a kalených komponent (např. forem), menší deformace (a tím snížení nákladů např. na rovnání) nebo dokonce konstrukční změny zjednodušující a zlevňující výrobu. LITERATURA [1] Steen W.M., Watkins K., Laser Material Processing, Springer, New York [2] Ion J.C., Laser processing of engineering materials, First Edition: Principles, Procedure and Industrial Application. Elsevier, ISBN [3] Venkat S., Haake, High power diodes in material processing. Industrial laser solutions, July (2007), p [4] 5

ZÁVĚR Příspěvek představil praktické využití laserového svazku pro zpracování materiálů.

Podobné dokumenty

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství.

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství. Laserové kalení Úvod Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství. poslední době se začínají komerčně prosazovat