Laserové svařování je pokročilá a moderní metoda spojování materiálů, která nachází uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích. Díky své přesnosti, rychlosti a vysoké kvalitě svarů je považováno za jednu z nejefektivnějších metod svařování. V tomto článku se dozvíte, co je laserové svařování, jak funguje a jaké má výhody, a také v jakých aplikacích je tato technologie nenahraditelná v moderní výrobě.
Co je laserové svařování?
Laserové svařování zahrnuje použití koncentrovaného laserového paprsku k tavení a spojování materiálů. Tento proces je mimořádně přesný, protože laserový paprsek může být přesně nasměrován do místa spojení. Energie laserového paprsku taví okraje materiálů, které po ztuhnutí vytvářejí trvanlivý a estetický svar.
Jedním z nejzajímavějších aspektů laserového svařování je jeho schopnost vytvářet svary mimořádně malé šířky, v rozmezí od 0,2 do 13 mm. Navíc díky extrémně vysoké hustotě energie tento proces minimalizuje tepelný dopad na ostatní oblasti materiálu. Výsledkem je nejen zvýšená přesnost, ale také snížená deformace svařovaných prvků.
Tato technologie funguje dokonale jak v makro, tak v mikro měřítku - od spojování prvků v těžkém a automobilovém průmyslu až po dokonalé a nejestetičtější svary v nábytkářském průmyslu.
Typy laserového svařování
Existuje mnoho metod laserového svařování, které se liší aplikací a charakteristikami. Zde je přehled těch nejdůležitějších:
Tepelně-vodivostní svařování
Tato metoda zahrnuje ohřev materiálu na teplotu tání bez dosažení teploty odpařování. Energie je dodávána na povrch materiálu a poté rozptýlena tepelnou vodivostí do jeho vnitřku. Tento proces umožňuje vytvoření svarové lázně bez hlubokého průniku. Je to ideální řešení pro svařování tenkých materiálů, jako jsou ocelové a hliníkové plechy o tloušťce do 1,5 mm. V této technice se často používají plynové lasery, jako je CO₂, a pevnolátkové lasery (např. Nd:YAG), protože minimalizují deformaci materiálu a zajišťují vysokou přesnost.
Svařování s hlubokým průnikem
V této metodě laserová energie proniká hluboko do materiálu, překračuje teplotu tání a odpařování. Vytváří se charakteristický paroplazmatický kanál, který umožňuje svary s vysokým poměrem hloubky k šířce (až 10:1). Tato technika je obzvláště užitečná při svařování tlustých ocelových prvků a kovových slitin. V tomto procesu se používají výkonné lasery, jako jsou vláknové lasery, které jsou účinné i s materiály s vysokým koeficientem odrazu, jako je hliník.
Hybridní svařování
Hybridní laserové svařování kombinuje laserovou technologii s jinými metodami, jako je obloukové svařování (MIG/MAG). Laserový paprsek vytváří parní kanál a dodatečný zdroj energie poskytuje výplňový materiál. Tato metoda se vyznačuje vysokou rychlostí svařování, schopností spojovat nepřesně usazené prvky a sníženou deformací. Je široce používána v loďařském, automobilovém a stavebním průmyslu.
Laserové mikrosvařování
Jedná se o proces navržený pro svařování velmi malých prvků s výjimečnou přesností. Používají se pulzní lasery (např. Nd:YAG), které umožňují minimalizovat tepelný dopad na přilehlé oblasti materiálu. Mikrosvařování se používá v elektronice, výrobě šperků a medicíně, kde je rozhodující přesnost.
Zde stojí za to dodat o pulzním svařování, což je technika používaná v metodách MIG/MAG, zahrnující cyklické zvyšování a snižování intenzity svařovacího proudu. To umožňuje přesné řízení množství tepla vneseného do materiálu, což je zvláště výhodné při svařování tenkých plechů a materiálů náchylných k tepelné deformaci.
Laserové spojování termoplastů
Laserové svařování se používá také u plastů. Laserová energie je absorbována materiálem, což způsobuje jeho lokální tavení a vytváří trvalé spojení. Tato technika se používá mimo jiné při výrobě zdravotnických a elektronických komponentů.
Nejdůležitější vlastnosti laserového svařování
Proces laserového svařování nabízí mnoho výhod, které z něj činí jednu z nejpokročilejších a nejúčinnějších technologií v průmyslu. Úpravou parametrů, jako je energie impulsu laserového světla, poloha zaostření laserového paprsku nebo průtok ochranného plynu, lze proces přizpůsobit různým materiálům a výrobním požadavkům.
Zde jsou nejdůležitější výhody této technologie:
-
přesné dodání energie - díky laserovému paprsku s vysokou hustotou výkonu se svařovací proces vyznačuje malou šířkou tepelně ovlivněné zóny. Schopnost regulovat energii umožňuje svařovat jak tenké materiály, jako jsou hliníkové plechy o tloušťce 1,5 mm, tak silnější prvky, jako jsou ocelové konstrukční prvky.
-
vysoká rychlost svařování - laserové svařování umožňuje dosáhnout mnohem vyšších svařovacích rychlostí než tradiční svařování. Díky tomu je proces efektivnější, což je obzvláště důležité v sériové výrobě. Vysoká rychlost nemá negativní vliv na kvalitu svarů.
-
všestrannost aplikací - laserové svařování umožňuje spojování široké škály materiálů, jako jsou kovy nebo sklo. Touto metodou je také možné svařovat nízkouhlíkové oceli. Možnost úpravy parametrů (např. rychlost nebo doba svařování) umožňuje spojovat různé typy materiálů při zachování vysoké kvality svaru.
-
minimalizace tepelného dopadu na materiál - díky přesnému nastavení zaostření laserového paprsku je energie soustředěna na přísně definované místo, což omezuje tepelný dopad na okolní oblasti (tzv. velmi úzká HAZ - tepelně ovlivněná zóna). Výsledkem jsou trvanlivé svary a riziko deformace nebo tepelného poškození materiálu je omezeno na minimum.
-
čistota a estetika procesu - v procesu laserového svařování není třeba používat dodatečné výplňové materiály, což ovlivňuje ekonomický aspekt. Navíc díky omezené tepelně ovlivněné zóně se získávají estetické, hladké svary, které často nevyžadují další zpracování. Další výhodou laserového svařování je absence rozstřiku, což nejen zlepšuje estetiku provedení, ale také zvyšuje bezpečnost práce a snižuje potřebu čištění prvků.
-
snadná automatizace - laserové svařování se snadno integruje s automatickými systémy (robotické svařování), což z něj činí ideální řešení v moderních výrobních linkách. Řízení laserové energie a rychlosti svařování umožňuje plnou kontrolu procesu, zvyšuje efektivitu a opakovatelnost.
Podívejte se na: Robotické laserové pracoviště od Fanuci
Stojí také za to zdůraznit, že laserové svařování může být podpořeno přidáním materiálu ve formě svařovacího drátu. V tomto případě je možné svařovat s malými mezerami při dosažení pevného spojení. Pro větší mezery se doporučují zařízení vybavená 2W hlavou, která zajišťují efektivní práci a vynikající výsledky.
Jaká jsou omezení laserového svařování?
Tato technologie, ačkoli moderní a efektivní, má také svá omezení. Stojí za to důkladně analyzovat výhody a nevýhody laserového svařování, abyste se rozhodli, zda bude vhodné pro danou aplikaci. Mezi nejdůležitější nevýhody patří vysoké pořizovací náklady. Nicméně v současné době jsou na trhu k dispozici různé série zařízení, včetně rozpočtových, takže i menší společnosti mohou tuto technologii využívat.
Říká se, že výzvou v laserovém svařování je omezená schopnost svařovat některé materiály, jako jsou kovy s vysokým koeficientem odrazu (vysoce reflexní), např. měď. Je však třeba mít na paměti, že jde o mýtus. Laserové svařování je zcela možné, ale pro takové materiály (např. nerezovou nebo černou ocel) je rozhodující aplikace vhodných svařovacích parametrů (jako je výkon laseru) a zohlednění tloušťky povlaku.
Podívejte se na: Laserové svářečky od Fanuci
Ochranné plyny při laserovém svařování
Při laserovém svařování hrají ochranné plyny klíčovou roli a ovlivňují kvalitu a charakteristiky svaru. Nejčastěji se používá argon díky své dostupnosti a nízké reaktivitě, což umožňuje účinnou ochranu roztavené kovové lázně. Helium, ačkoli dražší, poskytuje lepší kontrolu plazmy díky své vysoké ionizační energii, což jej činí nenahraditelným v projektech, kde je důležitá vysoká přesnost. Dusík se používá hlavně při svařování nerezové oceli, kde může zesílit svar, ale jeho interakce s hliníkem nebo uhlíkovou ocelí může vést k tvorbě nitridů, které snižují kvalitu spojení. Oxid uhličitý je na druhou stranu ekonomickou volbou pro svařování nízkouhlíkových ocelí, nabízí hladké svary, i když nechrání před oxidací oceli.
Aplikace laserového svařování
Laserové svařování nachází uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích díky své všestrannosti a bezkonkurenční přesnosti. Zde jsou nejdůležitější příklady:
-
zámečnictví, zábradlí a brány - laserové svařování umožňuje vytváření trvanlivých a přesných spojů, což je mimořádně důležité pro prvky vyžadující pevnost a přesnost.
-
ocelové konstrukce - technologie laserového svařování umožňuje efektivně spojovat velké ocelové prvky a zároveň zaručuje vysokou kvalitu a splnění konstrukčních požadavků.
-
gastronomie - v gastronomickém průmyslu se laserové svařování používá k výrobě nerezového nádobí a příslušenství, kde jsou prioritou trvanlivost a hygienické provedení povrchu.
-
nábytkářský průmysl - tato technologie je obzvláště ceněna při výrobě kování a loftového nábytku, kde se vyžaduje, aby svary byly jak přesné, tak esteticky příjemné.
-
automobilový průmysl - laserové svařování se používá ke spojování karosářských prvků, podvozků a součástí motorů. Rychlé spojování zajišťuje trvanlivost a estetiku, které jsou klíčové v moderní výrobě automobilů.
-
letecké vybavení - v letectví záleží na každém gramu hmotnosti. Laserové svařování umožňuje vytvářet lehké a trvanlivé konstrukce, které splňují nejvyšší bezpečnostní standardy.
-
zdravotnický průmysl - laserové svařování se používá při výrobě chirurgických nástrojů a implantátů. Čistota procesu a vysoká přesnost této metody umožňují vytváření prvků se složitými tvary.
-
elektronika - miniaturizace elektronických zařízení vyžaduje přesné svary. Laserové svářečky jsou ideální pro spojování malých součástek bez rizika jejich poškození.
-
plasty - díky možnosti upravit parametry procesu se laserové svařování používá také při spojování termoplastických materiálů. Laserová energie je absorbována materiálem, vytvářejíc trvanlivá spojení v elektronických nebo zdravotnických výrobcích.
Jaké materiály lze svařovat laserem?
Jedním z nejčastěji svařovaných materiálů je uhlíková ocel, používaná v těžkém průmyslu a automobilovém průmyslu, kde jsou důležité trvanlivost svaru a hluboký průnik. Díky laseru je možné získat silné a těsné spoje, které odolávají vysokému mechanickému zatížení.
Dalším materiálem, který s touto technologií funguje dokonale, je hliník. Laserové svařování hliníku umožňuje spojovat lehké a trvanlivé prvky jakéhokoli tvaru a zároveň minimalizovat tepelný dopad na okolní oblasti.
Lasery mohou také svařovat titan, měď a dokonce i obtížně svařitelné materiály, jako jsou slitiny niklu nebo některé plasty.
Typy laserů používaných při laserovém svařování
Laserové svařování využívá různé laserové technologie, které se liší typem zesilujícího média paprsku, vlnovou délkou emitované vlny a provozním režimem. Mezi nejčastěji používané typy laserů lze rozlišit následující:
-
Vláknové lasery - používající ytterbiové (Yb) vlákno jako aktivní médium. Emitují vlny v rozsahu od 980 do 1100 nm, poskytující kontinuální emisi nebo ultra rychlé pulzy v technologii Q-Switch. Vyznačují se kompaktním designem a vysokou účinností.
-
Molekulární CO₂ lasery - emitující vlny s délkou 10,6 μm, dostupné v kontinuálních a pulzních režimech. Jsou široce používány v průmyslu díky své všestrannosti a schopnosti přesně řezat a svařovat různé materiály.
-
Pevnolátkové lasery - včetně krystalických laserů, jako jsou Nd:YAG (yttrium aluminium granát) a YVO₄ (yttrium orthovanadate). Emitují záření v rozsahu 10,6 μm v kontinuálních nebo pulzních režimech. Díky své konstrukci jsou dokonalé pro svařování materiálů s vysokou hustotou a tvrdostí.
-
Rubínové lasery - generující vlny s délkou 694,3 nm. Mají schopnost dosáhnout vysokého výkonu prostřednictvím optického čerpání pomocí výbojky. Používají se v procesech vyžadujících vysokou přesnost.
-
Polovodičové lasery - založené na laserových diodách, které emitují vlny s délkou 1070 nm. Mohou pracovat v kontinuálních nebo pulzních režimech a jejich čerpání se provádí elektricky. Jsou účinné, kompaktní a mohou emitovat světlo v širokém spektrálním rozsahu - od viditelného až po infračervené.
Každý z uvedených typů laserů nabízí specifické výhody, přizpůsobené různým průmyslovým požadavkům. Například laserová svářečka na kov využívající vláknovou technologii umožňuje přesné spojování materiálů s vysokou hustotou, jako je nerezová ocel nebo hliník, zajišťující vysokou kvalitu svarů s minimálním tepelným dopadem. Na druhou stranu CO₂ lasery fungují dobře s nekovovými materiály díky své schopnosti efektivně řezat a svařovat plasty.
Jak vybrat správnou laserovou svářečku?
Volba správné laserové svářečky závisí na materiálu, typu spojení a výrobních požadavcích. Typ laseru - vláknový, CO₂ nebo Nd:YAG - je zásadní, protože každý nabízí specifické výhody. Výkon paprsku ovlivňuje hloubku průniku, což umožňuje svařování jak tenkých, tak silnějších prvků. Úprava svařovacích parametrů, jako je rychlost nebo intenzita ochranného plynu, ovlivňuje kvalitu výsledného svaru. Moderní laserové svářečky nabízejí možnost automatizace, čímž zvyšují účinnost a opakovatelnost procesu (opakovatelné svary se nacházejí hlavně v hromadné výrobě), a zároveň minimalizují provozní náklady.
Další informace: Komplexní průvodce laserovými svářečkami
Je laserové svařování bezpečné?
Na téma svařování stojí za to řešit otázku bezpečnosti, protože obsluha laserové svářečky vyžaduje školení a znalost pravidel bezpečnosti a ochrany zdraví. Nesprávné použití může vést k vážným následkům. Dodržování pravidel bezpečnosti a ochrany zdraví při svařování nejen chrání zdraví operátorů, ale také zajišťuje účinnost a spolehlivost procesu. Je laserové svařování bezpečné? Ano, ale pouze za podmínky dodržování stanovených postupů.
Laserové svařování - technologie, která mění budoucnost průmyslu
Investice do laserového svařování je krokem k inovaci, která nejen zlepšuje kvalitu výroby, ale také zvyšuje její účinnost. Je to technologie budoucnosti, která již dnes mění tvář svařování a poskytuje konkurenční výhodu společnostem, které ji implementují.
Pokud hledáte spolehlivé a moderní řešení, laserové svařování pomocí zařízení Fanuci je volbou, která splní i ty nejnáročnější očekávání.
Bibliografie:
-
Dominik Wyszyński, Laserové svařování - vybrané metody, "Welding Technology Review", Vol. 88 12/2016, https://distantreader.org/stacks/journals/pspaw/pspaw-717.pdf, online přístup [15.01.2025]
-
Agnieszka Twardowska, Technologické lasery určené pro svařování, "Annales Universitatis Paedagogicae Cracoviensis Studia Technica", III (2010), https://rep.up.krakow.pl/xmlui/bitstream/handle/11716/10535/AF074--25--Lasery-technologiczne--Twardowska.pdf?sequence=1&isAllowed=y, online přístup [15.01.2025]
-
Výrobní techniky. Svařovací technologie. Laboratoř, editováno A. Ambroziak, https://dbc.wroc.pl/Content/7156/PDF/Techniki_wytwarzania.pdf, Wrocław 2010, online přístup [16.01.2025]