ZPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ LASEREM - KALENÍ A SVAŘOVÁNÍ LASER MATERIAL PROCESSING HARDENING AND WELDING Stanislav Němeček Tomáš Mužík MATEX PM, s.r.o., Morseova 5, 301 00 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 (10 4-10 7 W/cm 2 ) často pomocí vlákna, extrémně rychlý ohřev (10 6-10 8 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
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
METAL 2009 2. 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
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
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 2003. [2] Ion J.C., Laser processing of engineering materials, First Edition: Principles, Procedure and Industrial Application. Elsevier, 2005. ISBN-0-7506-6079-1. [3] Venkat S., Haake, High power diodes in material processing. Industrial laser solutions, July (2007), p.24-27. [4] www.matexpm.com 5