Témata
Zdroj: ÚPT

Temná zákoutí laserového svařování

Článek nahlíží na technologii laserového svařování střízlivýma očima technika. Vedle mnohých nesporných výhod této technologie je totiž nutné být si vědom také jejích nevýhod.

Doc. Libor Mrňa

Absolvoval MU v Brně. Přes dvacet let se v průmyslu zabýval technologiemi laserového dělení materiálu, laserového svařování a povrchového kalení laserem. V současnosti vede na ÚPT AV ČR výzkumnou skupinu Laserové technologie. Souběžně působí na Fakultě strojního inženýrství  VUT v Brně na Ústavu strojírenské technologie; vyučuje předmět Speciální metody svařování.

Rozhodně je pravdivé, že rychlost laserového svařování (tedy i výrobní produktivita) je daleko vyšší v porovnání s klasickými obloukovými technologiemi. Pokud budeme srovnávat s těmito technologiemi velikost laserového svaru, tato je citelně menší – štíhlejší. Z toho zákonitě vyplývají i menší deformace vzniklého svařence. To jsou nezanedbatelné výhody. Ale má tato metoda i své nevýhody? Samozřejmě v první řadě čtenáře napadne cena. To je sice pravda, ale díky výše uvedeným pozitivům se váhy dají přechýlit na plusovou stranu stupnice. Existují i další nevýhody?

Z technologického hlediska lze konstatovat, že ano. Souvisejí s malou velikostí svaru v porovnání s hmotou okolního materiálu a s rychlostí ohřevu. Dá se říci, že v porovnání s obloukovými metodami svar vznikne velice rychle, související teplo nutné pro vznik svarové lázně se nestačí šířit do okolí. Díky tomu vzniká horký svar a studené okolí. Následně dochází k velmi rychlému ochlazování svaru. Důsledky mohou vést ke vzniku horkých trhlin nebo ke vzniku nežádoucích struktur ve svarovém kovu a tepelně ovlivněné oblasti. Velmi záleží na druhu svařovaného materiálu. Pokud svařujeme konstrukční a hlubokotažné oceli s nízkým obsahem uhlíku, tak výše uvedené problémy nehrozí. Ani u austenitických ocelí se nemusíme obávat vzniku křehkých struktur (ale již mohou vznikat horké trhliny). U ostatních materiálů, tedy ocelí s vyšším obsahem uhlíku, u některých typů hliníkových slitin je však toto nebezpečí reálné.

Heterogenní laserový svar dvou typů hliníkových slitin s trhlinami zatepla. (Zdroj: ÚPT)

Pro odhad fází ve svarové mikrostruktuře je nutné změřit rychlost ochlazování svarového kovu. To však není jednoduchá věc ani při obloukovém svařování, u laserového svařování je měření ještě o úroveň komplikovanější. První, co technologa napadne, je využít měření teploty pomocí termočlánků. S tím však souvisí několik důležitých faktů:

  • velikost a hmota obvyklých termočlánkových drátů (průměr 0,5–0,7 mm) není zanedbatelná v porovnání s velikostí laserového svaru;
  • při svařování vznikají mezi svarovou lázní a okolním materiálem vysoké teplotní gradienty;
  • termočlánkem neměříme teplotu ve svaru, ale v jeho blízkém okolí.

Bohužel tyto skutečnosti v principu neumožňují přesně a rychle změřit žádanou rychlost ochlazování – i malé změny v poloze termočlánku vůči svaru (v řádu desetin mm) vedou k velkým změnám ve výsledcích, měření jsou nereprodukovatelná. Tepelná setrvačnost termočlánku vnáší navíc do měření časových změn teploty zkreslení.

Termografický snímek svařování uhlíkové oceli metodou TIG. (Zdroj: ÚPT)

Bezkontaktní měření nebo pyrometr

Také bezkontaktní měření teploty přináší problémy související s fyzikálními principy. Jednak běžně dostupné a stále levnější termokamery měří do teploty pouze cca 350 °C. Takže potřebujeme speciálnější termokameru, ale i s ní se osa svaru jeví tmavá, zdánlivě nejchladnější. Fyzikálně je to pochopitelně nesmysl. Termokamera primárně snímá radiační tok, teplota se následně vypočte z tohoto toku a z emisivity povrchu. Při ochlazování svaru a vlivem vzdušného kyslíku povrch oxiduje a dochází k významným změnám emisivity, což způsobuje odchylky ve výpočtu skutečné teploty v daném místě. Poslední možností je měření pyrometrem, nejlépe dvoupásmovým. Zde je nutné uvážit, zda měřicí ploška pyrometru má stejný nebo menší průměr než vznikající svar. Pokud není splněna tato podmínka, měříme průměrnou teplotu celé plošky, tedy nepřesné měření. Naštěstí existují i pyrometry s průměrem měřicí plošky cca 1 mm. Konečně dostáváme křivku, ze které lze vypočítat kýženou rychlost ochlazování mezi teplotami 800 °C a 500 °C. V daném intervalu je tedy rychlost ochlazování cca 60 °C za sekundu. Perfekcionista může konstatovat, že je to rychlost ochlazování povrchu, ale co uvnitř svaru? Zde je nutné se spolehnout na možnosti simulačních programů a verifikovat výpočty právě podle těžce naměřených povrchových teplot. Svařovací technolog nejspíše pro daný materiál vyhledá jeho ARA diagram, aby se poučil, jaké že struktury ho čekají. Jenže zjistí, že ochlazovací křivky jsou vyneseny pouze cca do 5 °C za sekundu. Jeden vtipálek poznamenal, že v každém ARA diagramu je i křivka rychlosti ochlazování pro laser – svislá osa Y! Potřebné údaje v dnešní době nejsou a struktury je možné studovat pouze z reálných vzorků. Z popsaného plyne, že temných zákoutí při laserovém svařování může být i víc a v technické praxi nezbývá nic jiného než mnohé věci ověřit experimentálně, pokud má výsledek splňovat požadavky. Navíc je nutné mít také na paměti, že údaje uvedené v produktových listech o svařitelnosti platí pouze pro obloukové svařovací metody. Při laserovém svařování může být výsledek jiný. To na základě výše uvedeného platí i pro případné předehřevy počítané dle EN ČSN 1011. V této oblasti je proto nutný další výzkum, aby praktičtí svařovací technologové mohli pracovat.

Záznam teploty v ose svaru z pyrometru při laserovém svařování martenzitické korozivzdorné oceli. (Zdroj: ÚPT)

Pracoviště laserových technologií na ÚPT se zabývá nejenom osvětlováním výše popsaných temných zákoutí laserového svařování, ale i dalším studiem laserového svařovacího procesu a rozvojem pokročilých laserových technologií, jako jsou skenerové svařování či svařování s dynamickým tvarováním laserového svazku (wobbling), a konečně také hybridními metodami laser-TIG a v blízké budoucnosti i laser-MIG. V poslední době se také testuje 3D tisk metodou WAAM – tedy navařování drátu obloukovými metodami.

Související články
MM Podcast: Glosa - Poselství Garcíovi

Jsou věci, které ovlivnit nemůžeme, avšak máme možnost se k nim svobodně postavit. Pokud tak ale činíme ve stresu a se strachem, negativní dopad to jen znásobí. Naopak, uvedeme-li se do klidu s vědomím své vnitřní síly, víry a odhodlání, vše se může nakonec vyvíjet úplně jinak. 

Firma a příroda mají k sobě blízko.
Více, než si myslíme.

Společnosti Fosfa je největším zpracovatelem žlutého fosforu v Evropě. Z něho pak vyrábí esenciální směsi zejména pro potravinářské i speciální průmyslové aplikace, které vyváží do více než 80 zemí světa. Vedle toho vyrábí také přírodní ekologické produkty, jako jsou přírodní prostředky péče o tělo i domácnost Feel Eco. Její záběr je ale širší, provozuje první českou vertikální farmu Feel Greens, ve které s pomocí hydroponie pěstuje microgreens, bylinky a saláty zcela bez jakýchkoliv pesticidů, GMO či růstových regulátorů.

Export s přidanou hodnotou

Tuzemský průmysl má proexportní zaměření, téměř tři čtvrtiny jeho produkce se vyvážejí. Doba postupného ochlazování celosvětové ekonomiky v kombinaci s nástupem pandemie koronaviru a následnými restriktivními opatřeními vlád zásadně ovlivnila aktivity domácích firem a v mnohých případech způsobila problémy existenčního rázu

Související články
Technická podpora vždy po ruce

Prostřednictvím nové aplikace LiveTechPro nabízí společnost Ceratizit kompetentní okamžitou technickou podporu i v období místního a národního lockdownu vyvolaného pandemií covid-19.

Související články
Názorové fórum odborníků

Výzkum a vývoj v oblasti řezných nástrojů podle doc. Jany Petrů z Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě (www.mmspektrum.com/200519) mj. dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování a konstrukce nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL.
Zabývá se těmito trendy také vaše společnost? Naleznou uživatelé výše popsané inovace ve vašich produktových portfoliích? Uveďte příklad.

Další krok k bezobslužné výrobě

Studie čínské univerzity Beihang, publikovaná v časopise International Journal of Production Research, přímo spojuje prediktivní údržbu s kvalitou výrobků. Jak je však pro výrobce tato dosahovaná prediktivita a vynikající kvalita u operací využívaných při soustružení oceli slučitelná se snižováním počtu pracovníků na dílenských pracovištích nebo s bezobslužnou výrobou? Článek objasňuje důvody, proč jsou pro kvalitu obráběných součástí nezbytné vhodné nástroje ve spojení s procesy zabezpečenými proti selhání.

Abeceda komunikace (nejenom) pro strojaře, Část 1. Komunikace je jako mariáš

Člověk je tvor společenský a komunikace je jeho stěžejní dovednost. Komunikujeme proto, aby se něco stalo. Aby se naplnil náš záměr. Ať už chceme někoho pobavit, poučit, informovat, nebo přimět ke spolupráci, potřebujeme, aby nám rozuměl. Cílem úspěšné komunikace je dosáhnout určitého efektu. Aby se tak stalo, musíme použít správný obsah, formu, ale i správné načasování. Hranice mezi úspěchem a neúspěchem je velmi často daná právě (ne)schopností komunikovat. Ve spolupráci s odbornicí na strategickou komunikaci Mirkou Čejkovou pro vás připravujeme seriál, který, jak věříme, bude inspirací pro zlepšení vašich komunikačních dovedností.

Fórum výrobních průmyslníků

Jak se současná doba odráží nachodu vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a kompletace, tak ikaždodenního přístupu k zamezení šíření koronaviru mezi vašimi zaměstnanci. Dokážete vyčíslit náklady, které jste již do těchto opatření investovali?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak se současný způsob výuky odráží na studentech – na jejich osobnosti, přístupu ke studiu, k dosahování dílčích výsledků, na přípravě k finální části studia, k následujícímu profesnímu působení, ale i v sociální/osobní rovině vazby pedagog – student?

Pět principů pro zvýšení efektivity

Tork, spadající pod společnost Essity, uvádí na trh novou příručku představující princip „kaizen“. Díky němu mohou podniky zavést filozofii kontinuálních vylepšení.

Abychom na změny zareagovali včas

Covid-19 je humanitární krize, která má bezprecedentní dopady na všechna průmyslová odvětví. Podniky stojí před novou výzvou, na kterou musí reagovat. Některé podniky tuto výzvu využijí ke svému rozvoji a expanzi, některé ji jen přežijí, a budou i takové, které zaniknou. První reakcí bývá zastavení všech investic, včetně investic do informačních technologií. A právě informační technologie ukážou, kdo bude vítězem, a kdo poraženým.

Technologie pro mistry horkého tváření

Zavítáte-li do části města Olomouc s názvem Bystrovany, bezpochyby vás zaujme architektonicky velmi čistá budova, součástí jejíž fasády je velké plastické červené logo Weba. Když pak vejdete dovnitř, ohromí vás výrobní hala monumentálních rozměrů s množstvím sofistikovaných strojů různých značek – zejména pak značky Mazak. Od loňského roku mezi nimi můžete spatřit i automatickou obráběcí linku se dvěma stroji Mazak Variaxis 1050.

Hodinky, nebo číselníkové úchylkoměry?

Dnes nejspíše neexistuje strojírenská výroba, kde by se „hodinky“, jak je mnohdy toto měřidlo nazýváno, nepoužívaly. Stejně tak jako „šupléra“ –označující posuvné měřítko– se slangový název „hodinky“ dostal strojařům pod kůži tak, že při použití odborně správného výrazu – číselníkový úchylkoměr – často zaváhají, oč vlastně jde. Pojďme se tedy podívat na hodinky, které jsou nepostradatelným pomocníkem každého strojaře, ale čas měřit neumí.

Inovace podnikatelského modelu, Část 3. Inovační projekty

V našem seriálu vznikajícím ve spolupráci s partnerskou sítí Inovato vás krok po kroku provázíme klíčovými fázemi inovačního procesu v kontextu ekosystému doby a místa. Své zkušenosti vám předávají praktici, kteří mají za sebou mnoho inovačních projektů s tržně úspěšnými výsledky. Přijměte naše pozvání do edukačních eventů.

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit