OTEVŘENÁ SÍŤ PARTNERSTVÍ NA BÁZI APLIKOVANÉ FYZIKY CZ.1.07/2.4.00/17.0014 Hybridní laserové technologie Hana Chmelíčková Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AVČR, 17. listopadu 50a, 772 07 OLOMOUC, ČR Konference Využití laserů v průmyslu, 18.-20.3.2013, hotel Primavera, Plzeň
Projekt AFNET otevřená síť partnerství na bázi aplikované fyziky http://afnet.upol.cz/afnet/ Klíčová aktivita KA 1: odborné praxe Klíčová aktivita KA 2: semináře a workshopy pro studenty Přírodovědecké fakulty UP a projektového partnera VOŠ Elektrotechnické v Olomouci
Přehled vybraných hybridních laserových technologií Laserem podporované svařování třením Laserem podporované nanášení termoplastů 1) Laserové svařování podporované elektrickým obloukem a) LAGMAW = vysoko-výkonový laser + MIG/MAG aparatura b) LATIG = vysoko-výkonový laser + TIG aparatura c) PALW = vysoko-výkonový laser + PAW aparatura 2) Laserové svařování podporované jiným typem laseru a) Kombinace laserových svazků s nízkou a vysokou kvalitou b) Kombinace laserů s různou vlnovou délkou a výkonem 3) Laserem podporované (vedené) konvenční svařování a) MIG/MAG aparatura + nízko-výkonový diodový laser b) TIG aparatura + nízko-výkonový diodový laser 4) Indukcí podporované laserové technologie a) Svařování b) Plátování a kalení 5) Laserové technologie podporované kapalinami a) Kapalina jako parní čistící médium (laser cleaning) b) Kapalina jako nezávislá pěchovací vrstva (laser peening) c) Kapalina jako ochranné médium (laser cutting, drilling) d) Kapalina jako optický prvek (čočka, vlákno)
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk Výhody a nevýhody laserového svařování: 12 mm ocel FASER 10 kw Vysoká rychlost opracování Hluboký úzký svar Malá tepelně ovlivněná zóna a malé deformace Vysoká počáteční odrazivost povrchu kovových materiálů Přísné tolerance na sestavení svaru Tendence ke vzniku trhlin a mikropórů vlivem vysoké rychlosti ochlazování Hybridní svařování (automobilový průmysl, výroba lodí, výroba kolejových vozidel, stavebnictví): laser Stabilizační vliv laserového záření na elektrický oblouk snížení rozbíhavosti způsobí zvýšení hustoty výkonu Vyšší tolerance k sestavení svaru, využití přídavného materiálu Zvýšení absorpce laserového záření v tavenině, generované el. obloukem Vyšší rychlost opracování, kvalitní a bezpečný svar, snížení nákladů h s laser
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk a) LAGMAW Čelní nebo následná pozice laseru Hybridní hlava ESAB Hybrio, Precitec CO 2 laser TruFLOW 12 kw (TRUMPF) + MIG Svařování paluby výletní lodi Rozměry dílů: délka 20 m, tloušťka 15 mm MIG: přídavný drát vyplní mezeru, příliš velkou pro laser Laser: hluboký svar, vyšší rychlost, nižší tepelné ovlivnění a deformace než MIG samotné
Projekt HYBRILASE 1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk a) LAGMAW (Laser Zentrum Hannover a 7 partnerů) pro jednostranné svařování rozměrných silnostěnných konstrukcí h > 20 mm při stavbě lodí, potrubí a stožárů (ocel 22 mm, hliník 15 mm) (pro CO 2 nutný složitý optický systém vedení svazku) Laser: diskový Yb:YAG 16 kw, GMAW 2 x 11 kw, rychlost 1,5 m/min, optické vlákno, robotická pracovní hlava Inovace: skenování švu v horizontální rovině ( entlování") Reference: www.lzh.de, http://technik.ihned.cz (6.9.2012, Jiří Šmíd) http://www.konstruktionspraxis.vogel.de/themen/verbindungstechnik/ schweissen/articles/276426/
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk a) LAGMAW Přeplátované svary tenkých plechů z pozinkované oceli tloušťka 0,8 mm 1,6 mm, karosérie aut Laser: kontinuální Nd:YAG 3 kw (Lumonics), rychlost (1 5) m/min MAG: proud 100 A, plyn 80 % Ar + 20 % CO 2, elektroda z měkké oceli 0,8 mm [4] Ono, M., Shinbo, Y., Yoshitake A., Ohmura M.: NKK Technical Rewiev, 2002, No.86, p. 8 12. Snížení oscilací napětí elektrického oblouku o 50 % Zvýšení frekvence dopadu kapek kovu z elektrody snížení časového intervalu z 50 ms na 10 ms Až 5x vyšší rychlost svařování než MAG samotný Koncentrace stopy el. oblouku na cca 1 mm Tolerance mezery mezi plechy prostor pro únik par zinku (T vap (Zn) = 1180 K < T melt (Fe) = 1700 K
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk a) LAGMAW Svařování potrubí pro plynovody a ropovody Plechy o tloušťce 6 10 mm, dříve CO 2 a Nd:YAG, nyní výzkum s Yb:fiber vláknovými lasery 12 kw http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-26/issue-3/features/laser-hybrid-pipeline.html Fig.1: Svar 8 mm CO 2 laser Fig.2: Svar 10 mm FASER 1 mm posun hran
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk b) LATIG Podélné svařování trubek z austenitické oceli AISI 304 (3 mm) (jaderný, potravinářský, chemický, automobilový průmysl, ) nároky na bezpečnost Problém TIG: tvorba hrubých zrn a mezi krystalových karbidů chrómu podél hranic zrn v HAZ (70 µm) horší mechanické vlastnosti (Rm = 560 MPa), malá rychlost vtig = 0,4 m/min Problém laser: vysoká rychlost ochlazování neúplná fázová transformace, metastabilní fáze Fe, nutné žíhání LATIG: laser 5 kw fast axial CO 2 laser ROFIN TR 050 + TIG 165 A, vysoká rychlost vlatig = 3m/min > vlaser = 1m/min, zjevné rozhraní fúzní zóny a základního materiálu, Rm = 683 MPa [5]Yan, J., Gao, M., Zeng, X.: Optic and Lasers in Engineering, 2010, No. 48, p. 512-517 Speed 0,4 m/min Speed 1 m/min Speed 3 m/min Width 6,6 mm Area 13,9 mm 2 Width 3,5 mm Area 6,7 mm 2 Width 4,2 mm Area 7,2 mm 2 VATRANS Zlín
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk b) LATIG Svařování dílů z hořčíkových slitin a měkké oceli resp. hořčíkových slitin samotných Hořčíkové slitiny (Mg +Al, Mn, Zn) ekologický konstrukční materiál 21. století" (lehké, vyšší měrná pevnost a tuhost) - snížení hmotnosti automobilů náhradou vybraných ocelových součástí Problém konvenčního svařování: rozdílná teplota tavení Mg a Fe (649 C resp. 1500 C), T vapmg = 1091 C svařování třením - pouze mechanická vazba (zjištěna i u LATIG bez mezivrstvy) LATIG s aktivní Ni (Cu) mezivrstvou 0.1 mm: pulsní laser Nd:YAG 390 W, energie 14 J, v = 0,9 m/min, intermetalická vazba Mg, Ni, pevný roztok Ni a Fe [6] Liu, L.M., Shan, Ch.: Mat.-wiss. Und Werkstofftech 2009, Volume 40, No.10, pp.780 783 Problém laserového svařování hořčíkových slitin: porosita ve svaru, způsobená uvolňujícím se vodíkem LATIG s bočním Ar chráněním a mechanickým odstraněním kysličníků z povrchu: Pulsní Nd:YAG 400 W [7] Liu L.,Song.G, Liang, G., Wang, J.: Materials Science and Engineering A 390 (2005), pp. 76-80 a) LATIG: v = 1,5 m/min b) LW: v = 0,6 m/min c) TIG : I = 60 A, v = 0,48 m/min
1) Hybridní svařování LASER + elektrický oblouk c) PALW Svařování polotovarů na míru (TWB), přeplátované svary z galvanizovaných ocelí, hliníků a tenkých ocelových plechů, vyžadující nižší vstup tepla než u LATIG Nízkouhlíková ocel 6 mm:, plasma předehřívá povrch plechu a snižuje jeho odrazivost, zvýšení limitní rychlosti svařování 5 kw CO 2 laseru z 1 m/min na 2 m/min [8] Swanson P., Page, C., Read, E.: The Industrial Laser User, 2006, No.43, p. 22 25. Galvanizovaná ocel JIS G 3302, 1 mm: svařování skeletů automobilů (BWI body-in-white): problém (T vap Zn = 907 C, T melt Fe = 1500 C), páry zinku způsobí vznik pórů a okují PALW: čelní plasmový oblouk odstraní vrstvu zinku na povrchu, vyšší tolerance mezery únik par Zn [9] Kim, C.H., Ahn, Y.N., Kim, J.H.: Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2011, No.21, p. 47 53
2) Laserové svařování podporované jiným typem laseru a) různá kvalita svazku LASER 1: kontinuální Nd:YAG 3 kw, kruhový profil svazku D foc = 0,45 mm, hustota výkonu Q = 19 kw.mm -2, BPP = 25 mm.mrad (hloubkové svařování DPW) LASER 2: diodový laser 3 kw, obdélníkový profil svazku D foc = 0,9 x 3,7 mm, hustota výkonu Q = 0,9 kw.mm -2 BPP = (85 x 200) mm.mrad (kondukční svařování HCW) Metoda vyvinuta pro svařování hliníku a galvanizovaných ocelí: kondukční svařování zvyšuje absorptivitu povrchu, eliminuje vruby na povrchu svaru, snižuje čas potřebný na vytvoření keyhole [10] Traumann, A.: Bifocal Hybrid Laser Welding. Herbert Utz Verlag, München 2009
2) Laserové svařování podporované jiným typem laseru b) různá λ Problém při svařování mědi a bronzu CW laserem: nestabilita, poréznost a eroze taveniny, nízká rychlost LASER 1: Diskový laser 1,7 kw, D foc = 100 µm, λ = 1030 nm, modulace výkonu 500 Hz, +/- 750 W (redukce děr a okují až o 90 %) LASER 2: Diskový laser 200 W, D foc = 25 µm, SHG 515 nm (předehřev, zvýšení absorpce a hloubky penetrace) [11] www.lia.org (10th May 2012)
3) Laserem podporované konvenční svařování a) GMAW Primární zdroj: MIG/MAG svařovací aparatura, v provedení single nebo double head Sekundární zdroj: diodový nebo vláknový laser 100 W 500 W Výrazný synergický efekt (zvýšení objemu natavené oblasti a rychlosti), stabilizace anodové stopy (hliník) Méně nákladné než hybridní technologie intenzivní výzkum (LZH Hannover, [12] www.lzh.de) Projekt Fülas : T svar HOGAL P (laser) = 320 W, P (GMAW) = 5500 W, v = 3 m/min Přeplátovaný svar galvanizované oceli 0.8 mm P (laser) = 320 W, P (GMAW) = 2200 W, v = 1,6 m/min ProGenial : laserem podporované plátování a vytváření struktur
3) Laserem podporované konvenční svařování b) TIG Projekt CLAIM (LZH + 6 partnerů), [13] www.lzh.de (Customised Laser-assisted Plasma Arc Welding of Light Alloys and Steels) TIG svařovací aparatura v provedení double head + diodový laser 400 W Cíl projektu: zvýšení maximální rychlosti svařování o 50 %, nižší vstup tepla, zvýšení kvality svaru a 30 % nárůst hloubky penetrace u svarů z nerez oceli a hliníkových slitin, konstrukce svařovací hlavy
3) Laserem podporované konvenční svařování c) PAW Primární zdroj: PAW svařovací aparatura ( I = 100 A) Sekundární zdroj: vláknový laser YLR - 1000 SM (IPG Photonics), BPP < 0.34 mm.mrad, P = 600 W Experiment: a) ocel ASTM A284 10 mm, b) ocel AISI 304 1,5 mm, c) hliník 6082 2,5 mm
4) Indukcí podporované laserové opracování materiálu a) svařování Primární zdroj: CO 2 laser ROFIN 6 KW RS 860 HF nebo 20 kw SR 200 (IWS Fraunhofer) Sekundární zdroj: indukční generátor 80 kw RF pro dodatečný ohřev materiálu s cílem snížit teplotní gradient v kritické oblasti teplot 150 C až 650 C, předejít zakalení svaru a následnému vzniku trhlin Materiály: legované a uhlíkové oceli (obsah uhlíku nad 0,2 % resp 0,25 %), kalené oceli, nástrojové oceli nebo vybrané litiny Výhody: prevence trhlin a tvoření nežádoucích mikrostruktur, redukce přechodného napětí, zvýšení rychlosti [14] Vasilash, G. S.: Automotive Manufacturing & Production, 1997, Vol. 109, No.7, p. 54. Svary oceli AISI 1043 vytvořené laserem, resp. laserem za podpory indukce [15] www.designforlasermanufacture.com
4) Indukcí podporované laserové opracování materiálu b) přetavování povrchu Materiál: těžce namáhané výrobky z šedé litiny (vačkové hřídele, vahadla) vytvoření tvrdé ledeburitické struktury, odolné proti brusivům a mazivům Problém konvenčního TIG přetavování: hrubá mikrostruktura a poměrně drsný povrch Problém laserového přetavování: eliminace vzniku trhlin předehřevem v peci (složitá manipulace) Indukce + laser: v přetavené vrstvě o hloubce 0,1 mm 1 mm je dosaženo tvrdosti nad 100 HV, v bainitické tepelně ovlivněné zóně nad 250 HV. Rychlost opotřebení klesne až na třetinu hodnoty naměřené pro základní materiál. Laserové plátování podporované Indukcí [15] www.designforlaser manufacture.com
5) Laserové technologie podporované kapalinami a) Kapalina jako parní" čistící médium (laser cleaning) b) Kapalina jako nezávislá pěchovací vrstva při zpevňování rázem (laser peening) c) Kapalina jako ochranné médium (laser cutting, drilling) [16] Kruusing, A.: Handbook of Liquids-assisted Laser Processing. Elsevier Science, 2008, ISBN 978-0-08-044498-7, [17] www.metalimprovement.com
5) Laserové technologie podporované kapalinami d) kapalná optika Unikátní technologie spojení laserového svazku a vodního paprsku: vývoj FTI Lausanne, Švýcarsko, Výroba: SYNOVA Laser: pulsní Nd:YAG 10 W 200 W Vodní paprsek: (25 100) µm, p = (20 500) bar Inovace: eliminace tepelného poškození výrobku, kontaminace okujemi a vzniku mikrotrhlin Materiály: polovodiče (křemíkové destičky pro fotovoltaiku), keramika, PCD, CBN, nerez, mosaz, nitinol [18] www.synova.ch
Děkuji za pozornost Zdroj: www.closs.de PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory projektu AFNET - Otevřená síť partnerství na bázi aplikované fyziky CZ.1.07/2.4.00/17.0014