Existuje mnoho metód zvárania, no jedna z najmodernejších a najefektívnejších je laserové zváranie. Vďaka laseru dosiahnete kvalitné zvary s oveľa menším rozstrekom a niekoľkonásobne vyššou efektivitou zvárania oproti bežným metódam (napr. oproti metóde TIG má laser približne o 10x vyššiu efektivitu). Poďme sa pozrieť na základné princípy, typy a výhody laserových zváračiek, kde sa dozviete prečo.
Čo je laser?
Laser je zariadenie, ktoré vytvára silný a sústredený svetelný lúč v úzkom spektre svetla. Slovo "laser" je skratkou z anglického "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Zosilovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia). Zjednodušene povedané, laserové zariadenie postupne zosilňuje svetlo vybraných frekvencí, a tým vytvára špeciálne svetlo. Oproti normálne rozptýlenému svetlu, môže toto svetlo prenášať veľké množstvo energie na dlhšie vzdialenosti. Táto vlastnosť sa využíva v mnohých odvetviach a taktiež v zváraní.
Laserová zváračka XTW 1500 MOST
Porovnanie s tradičnými metódami zvárania
Laserové zváranie prináša mnoho výhod oproti tradičným metódam zvárania, ako sú TIG (Tungsten Inert Gas), MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas) a MMA (Manual Metal Arc). Principiálne sa laser odlišuje od tradičných metód tým, že na vytvorenie tepla nevyužíva elektrický oblúk, ale svetelný lúč s veľkou energiou.
Laserové zváranie je oveľa rýchlejšie a efektívnejšie. Aj neskúsení zvárači môžu dosiahnuť veľmi pevné a esteticky vyzerajúce zvary aj za veľmi krátky čas. Po zváraní nie je potrebné zvary dodatočne čistiť brúsením ani chemickými postupmi. To znamená, že laserové zváranie eliminuje niektoré kroky, čo zvyšuje efektivitu a znižuje náklady na zváračov a tiež spotrebný materiál.
Čisté a pevné zvary bez potreby brúsenia alebo čistenia
Laserové zváranie poskytuje výhodu dobrého pomeru šírky a hĺbky zvaru. Dokáže prehriať materiál do veľkej hĺbky aj pri úzkom zvare. Teplom ovplyvnená zóna je preto menšia - zároveň je menšia aj následná deformácia materiálu.
Laserové zváranie je okrem toho možné vykonávať bezkontaktne a zo vzdialenosti, čo je výhodou pre zváranie na zle prístupných miestach. Rýchle zatvrdnutie materiálu umožňuje zváranie v rôznych polohách.
Výhody a nevýhody laserového zvárania
Laserové zváranie prináša mnoho výhod, ale existujú aj nevýhody, ktoré treba zvážiť.
- Výhody:
- Vysoká rýchlosť a efektivita zvárania.
- Vytvára pevné a esteticky vyzerajúce zvary.
- Nie je potrebné dodatočné brúsenie a čistenie zvarov.
- Hlbší prievar pri menšej teplom ovplyvnenej zóne
- Možnosť bezkontaktného zvárania.
- Rýchle zatvrdnutie materiálu, čo umožňuje zváranie v rôznych polohách.
- Nevýhody:
- Väčšie nároky na presnosť pri príprave zváraných dielov tak, aby nevznikali medzery.
- Vyššia počiatočná investícia do laserového zariadenia.
- Vyššie nároky na bezpečnosť kvôli nebezpečnému žiareniu
Princíp laserového zvárania - nahrievanie vďaka energii
Laserové zváranie je proces spájania dvoch materiálov pomocou vyžarovania silného svetelného lúča. Laserový lúč je sústredený na malú oblasť povrchu materiálu, čím sa vytvára veľmi vysoká teplota.
Materiál pri interakcii medzi laserom a povrchom časť laserového lúča odrazí. Časť lúča materiál absorbuje a premieňa ho na tepelnú energiu (preto je napríklad pri zváraní vysokoreflektívnych materiálov potrebný vyšší výkon). To spôsobí roztavenie materiálu a jeho následné ochladenie a kryštalizáciu, čím vznikne zvarový spoj.
Keď laser zasiahne povrch materiálu, materiál sa začne zahrievať, taviť a odparovať. Meniacou sa teplotou sa mení aj reflektivita materiálu. (čím vyššia teplota, tým menšia reflektivita). Rovnako sa materiál začne odparovať, čím sa vytvorí “jama” a umožní laserovému lúču preniknúť hlbšie. Pri pokračujúcom ožarovaní laserom sa jamy prehlbujú. Keď laser zastaví ožarovanie lúčom, roztavený kov okolo jamy prúdi späť a po ochladení a stuhnutí sa oba zvarence spoja.
Materiály, ktoré možno zvárať laserovým zváraním
Laserová zváračka sa používa na veľmi presné a rýchle zváranie kovových a termoplastických materiálov, často pre zváranie tenkých materiálov, citlivých a ťažko zvariteľných kovov, ktoré nie je ľahké zvárať oblúkovými metódami.
Laserové zváranie je možné použiť na širokú škálu materiálov. Patria sem konštrukčné ocele, legované ocele, duplex, Cr/Ni, vysokopevnostné nízkolegované ocele, ocele uhlík, žiaruvzdorné kovy, chemicky aktívne kovy, hliník, titán, nikel, horčík a dokonca aj medi, mosadze, striebra a zlato. Laserové zváranie je tiež vhodné pre materiály s vysokou elektrickou a tepelnou vodivosťou, ako aj pre elektricky nevodivé materiály a materiály s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami.
Zváranie laserov bez prídavného materiálu, ale aj s ním
Laserové zváranie poskytuje možnosť zvárania aj bez prídavného materiálu.
- Zváranie s prídavným materiálom: Pri tomto type zvárania sa do spojovanej oblasti pridáva dodatočný materiál vo forme drôtu. Tento prídavný materiál pomáha vyplniť medzeru medzi materiálmi a vytvára pevný zvar. Príkladom môže byť kútový zvar hrubšieho materiálu z vnútornej strany.
Zváranie laserom XTW 1500 MOST s využitím prídavného materiálu
- Zváranie bez prídavného materiálu: Pri zváraní bez prídavného materiálu sa materiály spojujú priamo bez použitia dodatočného materiálu. Tento proces je ideálny pre tenké materiály a umožňuje vytváranie presných a jemných zvarov. Príkladom môže byť zasa naopak vonkajší kútový zvar tenkých plechov.
Bezpečnostné opatrenia pri laserovom zváraní
Bezpečnosť pri laserovom zváraní je nevyhnutná! Pri práci s laserom, najmä s laserovými zváračkami, je dôležité dodržiavať ochranné opatrenia. Laserové zváračky patria do najvyššej triedy lasera, trieda 4, kde hrozí nevratné poškodenie sietnice v oku a popálenie kože.
Na ochranu očí je preto potrebné používať špeciálne okuliare určené na prácu s laserom, ktoré filtrujú príslušné spektrum, prípadne zváračskú kuklu so zabudovaným filtrom.
Kukla MOST Pyxar s filtrom YAG na zváranie laserom
Ochranný pracovný odev je tiež dôležitý pre ochranu kože. Bezpečnosť je kľúčová, a preto sa zvára laserom na pracovisku, vďaka ktorému sú chránený ľudia a horľavé materiály pred odrazeným lúčom.
Typy laserových zváračiek podľa zdroja žiarenia
Na základe zdroja laserového žiarenia rozlišujeme 3 typy laserov:
- plynové CO2 lasery
- pevnolátkové Nd: YAG lasery
- vláknové lasery
Plynové lasery CO2
Plynové lasery sú lasery, ktoré využívajú ako aktívnu látku na tvorenie laserového lúča plyny. CO2 lasery sú pravdepodobne najznámejšie plynové lasery a používajú sa najmä na laserové značenie, laserové rezanie a laserové zváranie.
Pevnolátkové Nd: YAG laserové zváračky
Nd:YAG lasery používajú ako zdroj optického zosilnenia pevnú látku (kryštály alebo sklá) zmiešanú s prvkom vzácnej zeminy (neodým, chróm, erbium, túlium alebo ytterbium). Nd:YAG lasery vytvárajú lúč prestupom svetla cez monokryštály YAG (ytrium aluminium granát) aktivované iónmi neodýa (Nd). Laser Nd:YAG môže byť pulzný alebo pracovať kontinuálne.
Najznámejším pevnolátkovým laserom je rubínový laser, ktorý pracuje so syntetickým rubínovým kryštálom - ide o prvý funkčný laser, ktorý bol kedy skonštruovaný. Nd:YAG laser sa bežne používa v aplikáciách na spracovanie materiálov - napr. gravírovanie, leptanie, značenie rôznych kovov a plastov alebo na procesy vylepšovania povrchu kovov, ako je laserové čistenie, rezanie, zváranie.
Vláknové laserové zváračky
Vláknový laser je špeciálny typ pevnolátkového lasera, ktorý je samostatnou kategóriou. Vo vláknových laseroch je zosilňovacím médiom optické vlákno (kremenné sklo) zmiešané s prvkom vzácnych zemín.
Tento typ lasera sa líši práve vlastnosťami optického vlákna viesť svetlo: laserový lúč je priamejší a menší ako pri iných typoch laserov, vďaka čomu je presnejší. Vláknové lasery sú tiež známe svojou malou plochou, dobrou elektrickou účinnosťou, nenáročnou údržbou a nízkymi prevádzkovými nákladmi. Používajú sa v mnohých aplikáciách vrátane spracovania materiálov (napr. laserové čistenie, textúrovanie, rezanie, zváranie, značenie), ale aj v medicíne a zbrojárskom priemysle.
Typy laserových zváračiek podľa režimu činnosti
Ak by sme sa pozreli na režim činnosti laserových zváračiek, všetky typy laserov môžu pracovať jedným z dvoch spôsobov - ich laserové lúče môžu byť buď impulzné, alebo kontinuálne.
- Pri kontinuálnych laseroch dochádza ku konštantnému toku energie, čo znamená, že laser nepretržite vysiela jeden neprerušovaný laserový lúč.
- Pri pulzných laseroch sa laserový lúč prerušuje v pravidelných intervaloch, aby sa energia nahromadila a dosiahla vyšší špičkový výkon ako pri kontinuálnych laseroch. Laserový lúč sa uvoľňuje vo forme impulzov, ktoré majú špecifické trvanie nazývané šírka pulzu.
Je laserová technológia budúcnosťou zvárania?
Laserové zváranie je modernou a efektívnou metódou spojovania materiálov. V porovnaní s tradičnými metódami zvárania prináša výhody, ako je rýchlosť, pevnosť zvarov a menšie nároky na následné brúsenie. Aj keď má niektoré obmedzenia, laserové zváranie je neoceniteľným nástrojom v mnohých odvetviach priemyslu, kde sa vyžaduje spojovanie materiálov s vysokou presnosťou a kvalitou.
Andrej Procházka
