A. Materiálové účinky

Ocel je dobrý absorbér vlnových délek světla, které produkují CO₂ a Nd:YAG lasery a spousta ocelí je tímto procesem svařovatelná. Chemická kompozice (především elementy C, P a S, stejně jako i uhlíkový ekvivalent) konstrukčních ocelí významně ovlivňuje laserovou svařovatelnost těchto materiálů. U moderních ocelí je uhlíkový ekvivalent značně redukován a pevnost je dosahována přidáním legujících prvků a/nebo tepelným zpracováním při válcování. Tyto jemnozrnné oceli jsou vhodné hlavně pro nízko-teplotní laserové spojování, aby se předešlo vytvoření hrubozrnným mikrostrukturám v tepelně ovlivněných oblastech. Nicméně, nízká teplota a vysoká rychlost ochlazení (vysoká rychlost svařování), která je typická pro tento proces, podporují formování tvrdých a křehkých mikrostruktur (např. martenzit, acikulární ferit, bainit, Widmanstattenova struktura) v úzkých oblastech svarového kovu a tepelně ovlivněného základního materiálu ocelí v tuhém stavu. V těchto oblastech jsou dosahovány hodnoty tvrdosti podstatně vyšší než u standardního obloukového svařování.

Tvar a kvalita laserového spoje jsou obvykle spojeny se třemi aspekty: pórovitost, vznik trhlin při tuhnutí a vysoká tvrdost v tepelně ovlivněné oblasti základního materiálu a svarovém kovu. Póry vznikají následkem rozpuštění plynů nebo výskytu znečištění povrchu materiálu, polapením procesních plynů nebo výparů legujících přísad. Pórovitost byla vždy obecně asociována s ocelemi nižších tříd s obsahem kyslíku nad 0,0001 a specielně u tenkých plechů. Poslední studie na různých třídách ocelí, tloušťkách materiálů a rychlostech ochlazování říkají, že stupeň pórovitosti roste při pomalejším svařování a naopak. Kvalitativní hodnocení svarů však ukazuje, že vyšší stupně pórovitosti nemají mimořádně škodlivý vliv na vlastnosti svaru v příčném tahu díky velké pevnosti svarového kovu, což efektivně překlene defektivní oblasti. U pórů nadměrných velikostí (o průměru větším než 0,2 mm) nastává riziko vzniku koroze, když pór zapříčiní přímý vliv vnějšího prostředí na nechráněný povrch nějakého vnitřního povrchově protikorozně neupraveného plechu.

K dispozici není žádná mechanika lomu založená na zkouškách lomové houževnatosti pro laserové svarové spoje navzdory jeho širokému a nezbytnému využití v moderním strojírenství. Tato nesrovnalost je hlavně díky nedostatku informací ohledně interakce mezi základním materiálem a svarovým kovem, kteréžto mají podstatně rozlišné vlastnosti v tahu. Důležité rozdíly v pevnosti (špatné propojení) základního materiálu a úzké zóny svarového kovu se vyskytují díky prudkému teplotnímu cyklu procesu spojování.

Při tavném svařováni je pro vytvoření svarového spoje velmi důležitý minimální energetický vstup. Čím nižší je energie vstupující do technologického procesu, tím menším deformacím svar podléhá. Laser je schopen dodávat vstupující energii ve velmi zfokusované formě, což umožňuje vytvořit hluboký a úzký svar s minimálním teplotně ovlivněným pásmem. Navíc, protože objem roztavené oceli je velmi malý, je možno pracovat i při větších tloušťkách bez přídavného materiálu.

Svařování v jedné vrstvě je možné u materiálů do tloušťky až 12 mm, a to mnohem rychleji než konvenčními metodami.

Vysoká kvalita a reprodukovatelnost svaru je zaručena programovým ovládáním manipulátoru i vlastního laseru. Většinu materiálů svařitelných běžnými metodami je možno svařovat i laserem, často mnohem rychleji a s lepšími vzhledovými výsledky. Díky velice malému tepelně ovlivněnému pásmu kolem svaru je v některých případech možné svařovat i materiály, které je velice problematické svařovat konvenčními metodami.

Vynikajícím materiálem pro svařování laserem jsou nerezavějící oceli, kde se dosahují homogenní svary bez pórů, dále nízkouhlíkaté oceli s obsahem uhlíku do 0,3% bez výrazných znečisťujících příměsí a s nízkým obsahem síry. Vhodnými materiály pro laserové svařování jsou i méně obvykle používané materiály, jako titanové, zirkonové a chromniklové slitiny a některé slitiny s relativně nízkou elektrickou vodivostí bez prchavých příměsí. Kovy jako hliník nebo měď nejsou příliš vhodné z důvodu vysoké reflexivity povrchu vůči CO₂ zářeni a vyžadují proto použít speciální postup a velkou opatrnost. Oceli s vysokým obsahem uhlíku nebo materiály obsahující vměstky (např. mnohé vysoko legované slitiny) jsou svařitelné speciálními svařovacími technologickými postupy a musí být podrobeny tepelnému zpracování před nebo po svařování. Materiály obsahující prchavé příměsi nejsou velmi vhodné pro svařování laserem. Typickým příkladem těchto materiálů jsou mosazi, galvanická ocel, magnetické slitiny a zinek.

Zfokusovaný laserový paprsek je schopen roztavit a částečně i odpařit zpracovávaný materiál. Při tomto procesu se na povrchu materiálu vytvoří dutina vyplněná parami kovů o vysokém tlaku a roztaveným materiálem, který je s parami kovu v rovnovážném stavu. Tato dutina funguje jako výborný absorbér laserové energie. Protože tvar této dutiny je hluboký a úzký, zanechává laser hluboký a úzký svar.

Správné sestavení svarového spoje je při laserovém svařování velmi důležitým faktorem. Laser je velice přesný nástroj vyžadující poměrně vysokou úroveň přípravy. Typická šířka stopy při svařování vysokovýkonovým laserem je asi 1 mm a mezera pro svařování by neměla překročit 25% šířky této stopy. Jen tak je zajištěna správná fúze svarových ploch. U většiny laserových svarů se nepoužívá přídavný materiál, proto musí být mezery mezi plochami svaru velice úzké (max. 0,2 mm), jinak mohou vznikat vruby.

Laser může být použit i pro svařování s přeplátováním s částečným nebo úplným průvarem. Požadavky pro nastavení šířky mezery mezi plochami budoucího svaru jsou v tomto případě méně přísné.

Další možností používanou při laserovém svařováni je oboustranný tupý spoj. V tomto případě vytvoří laserový paprsek jednoduchou stopu po obou stranách natupo spojovaných součástí.

Laserové svařování má oproti jiným metodám celou řadu předností. Mezi nejdůležitější patří:

• lehce dosažitelný úzký a hluboký svar u širokého spektra materiálů,
• efektivní hluboké svary mohou být provedené u materiálů o tloušťce až 12 mm,
• laserové svařování probíhá s velmi malým vstupem energie na jednotku délky, výsledkem čehož jsou malé deformace, malé zbytkové vnitřní pnutí vzniklé svařováním a malé tepelně ovlivněné pásmo,
• vysoká produktivita práce technologického procesu,
• setrvačnost laserového paprsku je velmi malá, laserové svařování je proto vhodné pro automatizaci,
• laserové svařování probíhá na vzduchu bez použití vakua pouze se speciální inertní přídavnou atmosférou,
• nedochází k žádnému znečišťováni svaru materiálem elektrod,
• laserový paprsek může lokálně svařovat i na místech těžko dostupných, kde by to bylo jinými způsoby svařování obtížné.

d. Typické aplikace technologie svařování materiálů laserem

Obecně se dá říci, že technologie svařování materiálů laserem je vhodná tam, kde je nutné zrealizovat velmi náročné svary z hlediska kvalitativního a z hlediska sériové a hromadné výroby při požadavku automatizace tohoto procesu.

Hlavním odbytištěm uvedené technologie budou tedy:

• strojírenská výroba, zvláště pak výroba automobilů,
• zbrojní výroba,
• elektrotechnická výroba,
• výroba zdravotnické techniky.

C. Laserové pájení

Po čas pájení, světlo laseru taví přídavný materiál se značně nižší teplotou tání než je teplota tání materiálu spojovaných komponent. Jako pájku lze použít např. měď-zinek (mosaz) nebo slitiny cínu.

Pájka je většinou přidávána formou drátu, nicméně může být aplikována také jako pasta. Proces spojování může být redukován až na 50 ms při vnějším výkonu několika málo wattů. V tomto rozsahu výkonu se pro pájení dají použít především kontinuální Nd:YAG pevnolátkové lasery a stále více také diodové lasery. Radiace z těchto laserů je efektivně absorbována materiálem pájky.

U svařování systémem LaserHybrid se jedná o spojení konvenční technologie laserového paprsku se svařováním MIG. Přitom je využito předností obou technologií pro dosažení nových špičkových výsledků. V systému působí laserový paprsek a elektrický oblouk společně v jedné svařovací zóně a vzájemně se ovlivňují, resp. podporují.

Postup pak spočívá v následujícím principu: laserový paprsek zajišťuje dodatečný přísun tepla ke svařovanému materiálu, a to přímo do tavné lázně. Takto vzniklé vzájemné působení může mít různou intenzitu i různý charakter. Podle použití může převažovat charakter laserový či charakter elektrického oblouku. V porovnání s odděleným svařovacím postupem se v této kombinaci zvýší závar, případně rychlost. Za pomoci laserhybridového postupu lze svařovat hliník, ocel, pozinkovanou ocel a ušlechtilé oceli až do síly materiálu 4 mm.

Spojením obou procesů dojde k následujícím synergickým efektům:

• stabilizaci procesu střídavým působením elektrického oblouku a laserového paprsku, čímž je umožněno téměř bezrozstřikové svařování,
• dokonalejší překlenutelnosti mezer,
• zmenšení tavné lázně, která vyžaduje nižší přísun tepla, čímž dojde ke zmenšení tepelně ovlivněné zóny. Pro obrobek to znamená snížení tepelné deformace a snížení času potřebného k dodatečnému opracování,
• zkrácení výrobních časů.