Stále rostoucí požadavky na produktivitu, hospodárnost
a kvalitu vyžadují v oblastech svařování
a řezání nová řešení a technologie. Výsledkem
těchto stále se zvyšujících požadavků je
laserová technika.
OBLASTI POUŽITÍ REZONÁTOROVÝCH
A ASISTENČNÍCH PLYNŮ
Ve strojírenské praxi jsou lasery nejčastěji používány
pro dělení materiálu. Lasery se však s výhodou
používají i pro další operace, jako je svařování, pájení,
kalení a navařování. Každý z těchto procesů vyžaduje
použití příslušných technických plynů.
Plyny se z hlediska laserového zpracování řadí k pomocným
látkám a jsou potřebné v závislosti na postupu
a zdrojích laserového paprsku v různých etapách
procesu. I přes jejich neviditelnost je výběr plynů
rozhodující pro optimální úspěch laserové techniky.
Rozlišujeme mezi rezonátorovými a asistenčními plyny.
Rezonátorové plyny jsou nezbytné pro generování
laserového paprsku CO2 laseru. Asistenční plyny slouží
jako řezné nebo ochranné plyny pro svařování a pájení.
U laserů s vyšším výkonem se navíc setkáváme
s plynem pro proplach optické cesty. Zpravidla se používá
dusík. Jeho úkolem je ochrana optické cesty před
znečištěním prachem, vlhkostí a jinými nečistotami.
ČISTOTA PLYNŮ
Čistota rezonátorových plynů pro CO2 lasery podléhá
nejvyšším nárokům. Ale i pro asistenční a proplachové
plyny je čistota pro dosažení požadovaných
výsledků a jakosti zásadní.
Třída čistoty plynů se udává v procentech – číslo
s několika místy za desetinnou čárkou. Ke zjednodušení
značení existuje mezinárodně platný systém ukazatelů.
Ukazatele se skládají z čísla, tečky a druhého
čísla. První číslo udává počet devítek, číslo za tečkou
udává poslední číslo celkové hodnoty. Ukazatel 3.5
tedy udává čistotu plynu minimálně 99,95 %. Další
příklady jsou uvedeny v doplňující tabulce.
REZONÁTOROVÉ PLYNY
Rezonátorové plyny jsou směsi hélia, oxidu uhličitého
a dusíku (v některých případech obsahují i další
složky, např. oxid uhelnatý, xenon). Používají se
hotové směsi plynů nebo jsou směsi připravovány
ve směšovacím zařízení laserového stroje z jednotlivých
komponent. U těchto plynů hraje stálost kvality
velkou roli. Již drobné stopy vlhkosti nebo uhlovodíků
mohou mít za následek provozní poruchy. Uhlovodíky
mohou způsobit poškození citlivých a drahých
optických součástí. Vlhkost ruší výboj a tím i plnou
účinnost laseru. Další poruchy mohou být způsobeny
částečkami prachu, které rozptylují laserové světlo
a mohou tak negativně ovlivnit technologický proces.
Pro bezvadnou funkci laseru je tedy naprosto nezbytné,
aby byly použity plyny vysoké čistoty zbavené rušivých
kontaminací.
ŘEZÁNÍ LASEREM ?? VOLBA
VHODNÉHO ASISTENČNÍHO PLYNU
Řezání laserem se vyznačuje v porovnání s jinými
termickými metodami dělení materiálu vysokou
přesností a rychlostí řezání, nízkým přívodem tepla
do řezaného materiálu a malou deformací zpracovávaných
dílců. Možnosti aplikace jsou v mnoha oborech.
Široké uplatnění nachází zejména v automobilovém
a leteckém průmyslu, lodním stavitelství a zpracování
plechů.
Při řezání laserem se uplatňují tři fyzikální jevy –
spalování, tavení a sublimování. Který z těchto jevů
bude dominantní, závisí především na základním materiálu
a na použitém řezném plynu.
Řezání spalováním kyslíkem se podobá autogennímu
řezání. Materiál je laserovým paprskem zahříván
na zápalnou teplotu a poté spálen v proudu čistého
kyslíku. To vyžaduje, aby zápalná teplota řezaného
materiálu byla nižší než teplota tavení. Tuto vlastnost
mají nelegované a nízkolegované oceli. Čistota
kyslíku má významný vliv na rychlost řezu. Pomocí
vysoké čistoty kyslíku lze rychlost řezu (v závislosti
na tloušťce materiálu) zvýšit až o 20 %. Díky tomu se
ještě zmenší termické ovlivnění materiálu. Proto se pro
laserové řezání prosadil kyslík 3.5 (Oxycut).
Fyzikální princip tavení se uplatní při řezání vysokolegovaných
ocelí a neželezných kovů. Řezaný materiál
je nutné zahřát na tavnou teplotu a vyfouknout
pomocí řezného plynu o tlaku až 30 bar z řezné spáry.
Jako řezný plyn se používá většinou dusík čistoty 5.0
(Nitrocut). Výsledkem jeho inertizačního účinku jsou
řezné plochy bez oxidů. I lehká znečištění kyslíkem
nebo vlhkostí způsobí oxidaci (zabarvení) řezných
ploch. Z jakostních důvodů je možné řezat tavením
s použitím dusíku i nelegované a nízkolegované oceli.
Přitom vznikají řezné plochy bez oxidů. Rychlost řezání
je ale podstatně nižší.
Materiály jako titan, tantal, zirkon nebo magnezium
jsou náchylné k tvorbě oxidů a nitridů. Aby bylo možné
tyto materiály zpracovávat bez dodatečných kroků
jako jsou frézování, broušení nebo moření, doporučuje
se pro řezání použít argon. I v tomto případě platí, že
čím vyšší je čistota argonu, tím čistější budou řezné
plochy. Při pozdějším svářečském zpracování mohou
být nitridy a oxidy přeneseny do svaru.
Materiály bez tavné teploty, jako je dřevo, plasty,
kompozity, plexisklo, keramika nebo papír, se řežou
pomocí sublimace. Materiál přitom přechází z pevného
přímo do plynného skupenství.
SVAŘOVÁNÍ LASEREM
Svařování laserem vyniká vysokou rychlostí svařování,
úzkou teplem ovlivněnou zónou, nízkým
vneseným teplem a malou deformací součástí. Tyto
výhody jsou dány silně koncentrovaným přívodem
tepla do místa svařování. Další výhodou je možnost
svařování materiálů a slitin různých druhů jako např.
hliníku a oceli nebo nízkolegované a vysokolegované
oceli.
Laserové svařování dělíme na svařování metodou
klíčové dírky, povrchové svařování, hybridní svařování
a řadí se sem i pájení laserem.
Povrchové svařování vyžaduje pouze nízké výkony.
Energie laseru je převedena na povrch konstrukční
části tak, aby se vytvořila tavná lázeň, která předává
tepelnou energii konvekcí. Tato konvekce může být
stejně jako při svařování elektrickým obloukem ovlivněna
ochrannými plyny a profil závaru může být přizpůsoben
požadavkům kladeným na svar.
Svařování metodou klíčové dírky vyžaduje vyšší
výkony. Materiál není pouze taven, ale i odpařován.
Laser přitom vniká hluboko do obrobku a vzniká takzvaná
„keyhole“ – klíčová dírka. V této klíčové dírce
se vytváří sloupec plazmatu, který absorbuje energii
laseru a předává ji dále na svařované dílce. Výsledkem
je kontinuální proces svařování. Plazmu vystupující
z kanálu je přitom nutné odfoukávat ochranným plynem.
Jinak by vystupující plazma absorbovala energii
laseru a došlo by ke snížení výkonu svářovacího
procesu. Úprava svarových ploch je u metody klíčové
dírky speciální. Laser je schopen konstrukční díl prakticky
propíchnout. To umožňuje svařování v jinak nepřístupných
oblastech. Příkladem může být svar ozubeného
kola s hřídelí.
Hybridní metoda je kombinací více metod. Svařování
laserem se nejčastěji používá ve spojení s metodou
MAG. Přitom se využívá efektivity laserového svařování
spolu s vysokým odtavovacím výkonem procesu
MAG. Volba ochranného plynu musí odpovídat oběma
metodám procesu. Kromě kombinace s metodou
MAG se nabízí i kombinace se svařováním TIG.
Pájení laserem se podobá povrchovému svařování.
Tato metoda se prosadila především v automobilovém
průmyslu. Kromě známých výhod, jako je nízký přívod
tepla a nízká deformace, hraje velkou roli i odolnost
pájek proti korozi a snazší zpracovatelnost.
OCHRANNÉ PLYNY
PRO SVAŘOVÁNÍ LASEREM
Ochranný plyn plní několik funkcí. Jedním z hlavních
úkolů je ochrana svařovaného materiálu před
okolní atmosférou. Cílem je zabránit absorpci kyslíku,
dusíku a vlhkosti a následné oxidaci povrchu. Kromě
toho ochranný plyn zajišťuje stálé odstraňování plazmy
vystupující nad svařenec.
Stejně jako u ostatních metod svařování s ochranným
plynem lze i u svařování laserem svařovací proces
cíleně ovlivnit použitím optimalizovaných ochranných
plynů. Základem směsí ochranných plynů je
hélium a argon. Přidáním CO2, kyslíku nebo vodíku
je možné ovlivnit svařovací proces rovněž termicky
a metalurgicky. Typické směsi ochranných plynů jsou
přitom argon helium, argon kyslík a argon vodík. Příslušné
komponenty se přitom řídí podle spojovaných
materiálů.
SVAŘOVÁNÍ BEZ OCHRANNÉHO
PLYNU
Zejména při používání „pevnolátkových“ laserů
se často setkáváme se svařováním bez ochranného
plynu. Bez ochranného plynu může svařenec (stejně
jako u ostatních metod svařování) absorbovat kyslík,
dusík a vlhkost, což vede ke vzniku vad svaru jako
pórů a vodíkových trhlin. Obzvláště u nelegovaných
a nízkolegovaných ocelí způsobuje přítomnost dusíku
předčasné stárnutí a křehnutí. Ve většině případů jsou
následky zřetelné až po několika letech.
ZÁVĚR
Laserové technologie patří bezesporu mezi nejmodernější
metody zpracování kovů. Správná
volba vhodných technických plynů napomáhá jejich
bezvadné funkci a plnému využití výrobního
potenciálu.
Ing. Jan Kašpar
Messer Technogas s.r.o.