Zavarivanje laserom

Sadržaj Popis slika.......................................... slika................................................................. .............................................. .............................................. ....................................... ....................1 ....1 Popis tablica............................................ tablica................................................................... .............................................. .............................................................2 ......................................2 Popis kratica............................................. kratica.................................................................... .............................................. .............................................. .....................................3 ..............3 Popis korištenih fizikalnih veličina i pripadajućih mjernih jedinica..........................................4 1.

vod..... vod.......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .............! ........!

2.

"aser..... "aser.......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .............# ........#

3.

2.1

$d%&' $d%&'( laser....... laser............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... ...................) .........)

2.2

*+2 laser................................................... laser.......................................................................... .............................................. ............................................., ......................,

+snove +snove zavarivanja zavarivanja laserom........ laserom............. ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............ ................. ...................1.........13.1

aštitni aštitni plinovi... plinovi....... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... ................... ................... ...........11 .11

3.1.1 3.1.1

/nertni /nertni plinovi... plinovi........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........12 ....12

3.1.2 3.1.2

'ktivni 'ktivni plinovi... plinovi........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .............. .................12 ........12

3.2

Parametri Parametri zavarivanja zavarivanja laserom..... laserom.......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ............. .................. ................13 ......13

4.

0aterijali 0aterijali koji se zavaruju zavaruju laserom....... laserom............ .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............ ............14 .....14

!.

aključak. aključak...... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......1# ..1#

#.

"iteratura.. "iteratura....... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............ ............1 .....1

-

Popis slika

lika 1.1  ustav za zavarivanje laserom 25 lika 2.1  6a7 $ekoherentni svjetlosni valovi sunca 6b7 8oherentni valovi lasera 15 lika 2.2  hematski iz9led $d%&'( lasera 15 lika 2.3  :o;enje lasersko9 snopa kod *+ 2 lasera #5 lika3.1  Presjek zavara sa kontrolom plazme< čelik *r=$i< debljine 1- mm Presjek zavara bez kontrole plazme< jednak materijal 5

1

Popis tablica

>ablica ).1 0o9ućnost provedbe zavarivanja raznih vrsta metala *+2 i $d%&'( laserima

2

Popis kratica

*?  kontinuirani laserski izvor  način rada lasera P?  impulsni laserski izvor @ način rada lasera  $d%&'(  neodimij< itrij< aluminij< 9ranat @ naziv vrste lasera

3

Popis oznaka

P  sna9a lasera k?5 A @ valna duljina zračenja Bm5 C @ 9ustoća sna9e ?=cm25

4

1. Uvod

avarivanje je postupak spajanja dvaju ili više materijala. 0aterijali koji se spajaju zavarivanjem mo9u biti jednaki ili različiti. Postupak spajanja moDe se izvesti taljenjem spojno9 mjesta ili pritiskom na isto< uz dodavanje dodatno9 materijala ili bez.  tehnolo9iji spajanja ili razdvajanja metala i nemetala laser se pojavljuje sedamdesetih 9odina prošlo9 stoljeća. avarivanje laserom je jedna od novijih tehnolo9ija zavarivanja koja se koristi< a primjena to9 postupka u industriji je u konstantnom porastu. ustav za zavarivanje laserom ( Slika 1.1 ) je veoma skup< prvenstveno zbo9 cijene ure;aja i dodatne opreme< ali je i skupo odrDavanje sistema nakon kupnje. bo9 visokih troškova< zavarivanje laserom se ne primjenjuje u poduzećima s malim proizvodnim serijama< ili tamo 9dje je nje9ovo korištenje povremeno.

Slika 1.1 - ustav za zavarivanje laserom 25

!

2. Laser

"aser 6en9. "i9ht

'mplification bE timulated Fmission of Gadiation7 naziv

je

za optičku napravu koja emitira koherentni snop fotona. a razliku od svjetlosti koju emitiraju uobičajeni izvori< kao što su Darulje< unce< plamen svijeća< fluorescentne cijevi<

laserska je svjetlost monokromatična< tj. samo jedne valne

duljine i usmjerena je u uskom snopu ( Slika 2.1 ). 8od lasera je snop koherentan< što znači da su elektroma9netski valovi me;usobno u istoj fazi i šire se u istom smjeru.

Slika 2.1 - 6a7 $ekoherentni svjetlosni valovi sunca 6b7 8oherentni valovi lasera 15

#

"aser se sastoji od 3 osnovna dijela< to su Hdio za pobu;ivanje 6 uzbudu 7I < laserski medij ili aktivni medij< te dva ili više o9ledala koji tvore rezonantnu šupljinu ili optički rezonator. Janašnji laseri za zavarivanje< koji se još mo9u koristiti za rezanje< te obradu površine koriste  plinovit ili čvrst medij< sto9a se nazivaju Hkruti laserI odnosno Hplinski laserI. Gazvile su se 3 vrste lasera sa čvrstim medijem. Gubinski< s neodimijskim staklom i $d%&'( 6neodimij< itrij< aluminij i 9ranat7 laser. 8od lasera s čvrstim medijem $d%&'( se primjenjue najčešće< zbo9 mo9ućnosti du9otrajno9 rada pod visokim opterećenjem bez da do;e do  pre9rijavanja. Plinski laser koji je u uporabi je takozvani *+ 2 laser< a kao aktivni medij se koristi mješavina *+2  $ < 2 i Ke. Gazlikujemo dva tipa načina rada< kontinuirani 6*?7 i impulsni 6P?7.  kontinuiranom modu emitira se laserska zraka kontinuirane sna9e tijekom zavarivanja< dok je u impulsnom modu mo9uće ostvariti vrlo velike vršne sna9e u kratkim vremenskim intervalima.



2.1 Nd:YAG laser

 $d%&'( 6 Slika 2.2 7 laseri emitiraju infracrvenu svjetlost valne duljine AL1<-#4 Bm i u današnje vrijeme postiDu sna9u do 1- k?. :rlo vaDno svojstvo $d%&'( je da se laserski snop nastao u rezonatoru provodi kroz fleksibilni optički kabel sa staklenom jez9rom< što 9a čini atraktivnim kod automatizirano9 i brzo9 zavarivanja. Prijenos snopa optičkim kablom mo9uć  je do udaljenosti od 2-- m. nop je obično impulsni< s velikom vršnom sna9om.

Slika 2.2 - hematski iz9led $d%&'( lasera 15 klop laserske lampe< aktivno9 medija< reflektora te zrcala obično se naziva rezonator. 'ktivni medij< laserske lampe i reflektor su uronjeni u rashladnu vodu. >o je nuDno kako bi se izbje9le toplinske deformacije< te da se spriječi lom &'( kristala. 8od $d%&'( lasera< ako se snop prenosi optičkim vlaknom< 9ubici ener9ije su znatno manji ne9o kod *+ 2 lasersko9 sustava sa zrcalima< 9dje iznose i do 3 posto po zrcalu.

)

2.2 !2 laser

Plinski *+2 laser emitira infracrvenu svjetlost valne duljine AL1-<#Bm< a sna9e koje dostiDe su do 4! k?. a razliku od $d%&'( < kod *+ 2 lasera laserski snop nije mo9uće voditi kroz optički kabel< jer je staklena jez9ra u kablu nepropusna za svjetlost nje9ove valne duljine. /z to9 se razlo9a za vo;enje lasersko9 snopa koristi sustav zrcala 6 Slika 2.3 7. nop je kontinuiran< ali moDe biti i impulsni. astoji se od staklene cijevi ispunjene smjesom plinova% u9ljikovo9 dioksida< dušika< helija i eventualno neko9 dru9o9 plina. $a krajevima cijevi nalaze se paralelna zrcala koja reflektiraju zraku nazad u cijev te tvore rezonator.  cijevi se nalaze elektrode na koje je priključen visoki napon. *+2 laseri imaju jako veliki stupanj učinkovitosti< čak i do 2-M 6oko 2-M se uloDene ener9ije emitira u obliku laserske zrake< što  je puno više ne9o kod ostalih lasera7.

Slika 2.3 - :o;enje lasersko9 snopa kod *+ 2 lasera #5

,

". !snove zavarivanja lasero#

avarivanje laserom pripada u postupke zavarivanja s velikom 9ustoćom ener9ije 0o9uća su 2 načina zavarivanja laserom. Prvi način< zavarivanje taljenjem< sličan je klasičnim postupcima< dok se kod dru9o9 načina zavarivanje provodi protaljivanjem odosno efektom HključaniceI. Ja bi došlo do protaljivanja< potrebno je dostići pra9 9ustoće sna9e koji  je reda veličine 1-# ?=cm2 iznad koje9 dolazi do protaljivanja. avarivanje taljenjem koristi se kod zavarivanja sa malom sna9om lasera< obično ispod !-- ?. Prilikom korištenja ovo9 postupka mo9u se pojaviti značajni 9ubici ener9ije uzrokovani refleksijom< jer mno9i materijali reflektiraju i preko ,- M upadne ener9ije lasersko9 snopa. avari su široki i plosnati omjera penetracije i širine manje9 od 1. (ustoća sna9e kod ovo9 načina je N1- # ?=cm2. Protaljivanjem materijala po cijeloj debljini< 9ubici refleksijom su bitno smanjeni< jer se u talini

prilikom isparavanja dijela materijala oblikuje krater 6ključanica7 koji smanjuje

refleksiju lasersko9 snopa i ener9ija se prenosi duboko u materijal. avari su duboki i uski omjera penetracije i širine od 1 do !. (ustoća sna9e prelazi 1- # ?=cm2. Jjelotvornost cijelo9  procesa povećava i dio metalnih para koji se ionizira< te tvori plazmu koja dobro apsorbira infracrvenu svijetlost< a zatim je reemitira. /sta ta plazma moDe prekinuti učinak ključanice< zbo9 razlike tlaka plazme i atmosfere< sto9a se koristi sustav za kontrolu plazme kako bi se  proces stabilizirao 6 Slika 3.1 7. Plazma se moDe kontrolirati plinom< impulsnim snopom ili oscilirajućim snopom. Gefleksivnost materijala je omjer reflektirane i upadne ener9ije< a ovisi o materijalu< temperaturi< valnoj duljini i 9ustoći sna9e lasersko9 snopa. Gefleksivnost se smanjuje kako temperatura površine materijala raste. vojstva lasersko9 snopa bitna za zavarivanje su 9ustoća i distribucija sna9e u Darišnoj točki snopa. $ajčešće korištena 9ustoća sna9e lasersko9 snopa pri zavarivanju je u intervalu 1-  @  1-, ?=cm2< uz promjer snopa -<2  -<# mm.

1-

Slika3.1- Presjek zavara sa kontrolom plazme< čelik *r=$i< debljine 1- mm Presjek zavara bez kontrole plazme< jednak materijal 5

".1 $a%titni plinovi

aštitni plin nuDno je potreban zbo9 zaštite taline od atmosferskih plinova. >ipični  plinovi za zaštitu su ar9on< helij< dušik i u9ljikov dioksid. aštitni plin koji će se koristiti odre;en je vrstom materijala< valnom duljinom lasera< unešenom ener9ijom i dovodom zaštitno9 plina. aštitni plin osim što moDe štititi talinu od utjecaja atmosfere< poboljšati estetski iz9led i mehanička svojstva< moDe i otpuhati plazmu< te zaštititi optiku za fokusiranje od štrcanja i para. Plin se mora dovoditi na lice zavara< a prilikom zavarivanja s potpunom  penetracijom

preporuča se dovo;enje plina i na korijensku stranu. 'ko je protok plina

neod9ovarajući mo9u nastati turbulencije< loša kvaliteta zavara i oštećenja optike zbo9 štrcanja. 8od dobre plinske zaštite dobiva se metalno svijetla površina zavara.

11

".1.1 &nertni plinovi

/nertni plinovi koji pruDaju odličnu zaštitu od oksidacije su ar9on i helij. Kelij ima visoku ener9iju ionizacije< malu atomsku masu i visoku toplinsku vodljivost što 9a čini najboljim  plinom za kontrolu plazme.  porastom ener9ije ionizacije plina raste i prijenos ener9ije. 'r9on< helij i njihove mješavine koriste se kod zavarivanja u9ljičnih čelika< visokole9iranih čelika< aluminija i nje9ovih le9ura< te titana i nje9ovih le9ura.

".1.2 Aktivni plinovi

Jušik< u9ljikovdioksid i kisik< su aktivni plinovi koji se koriste za zaštitu. $jihova  prednost je u tome što su jeftiniji od inertnih plinova< ali u oksidirajućoj atmosferi dolazi do stvaranja oksidno9 sloja na površini taline< koji uzrokuje neravnu i obojenu površinu zavara. 'ktivni plinovi i njihove mješavine s ar9onom i kisikom upotrebljavaju se za u9ljične čelike< kada se moDe tolerirati sloj oksida na površini. 8od zavarivanja aluminija i aluminijevih le9ura koriste se mješavine dušika i helija.

12

".2 Para#etri zavarivanja lasero#

avarivanje laserom je jedan vrlo produktivan postupak< me;utim nuDno je dobro  poznavanje tehnološko9 procesa kako bi se uskladili svi parametri. Parametri kojima se kontrolira lasersko zavarivanje mo9u se podijeliti na primarne i sekundarne.  primarne parametre pripada% • • •

sna9a snopa  brzina zavarivanja PoloDaj fokusa

Jok su sekundarni parametri% • • • •

 parametri impulsa kontrola plazme zaštitni plinovi modovi snopa

+dnos izme;u sna9e lasera< brzine zavarivanja i debljine materijala je zajednički za mno9e materijale i tipove lasera. ekundarni parametri imaju sloDeniji utjecaj na performanse zavarivanja< no poznati su tipični odnosi tih parametara.

'. (aterijali koji se zavar)j) lasero#

13

0aterijali koji se mo9u zavarivati laserom u prvom redu su odre;eni svojim fizikalnim svojstvima< uključujući refleksivnosti i toplinsku vodljivost< a sekundarno metalurškim svojstvima. Prilikom zavarivanja protaljivanjem mo9u se uspješno zavariti i materijali koji su visokoreflektivni. Oakar koji je i visokoreflektivan i dobro vodi toplinu moDe se zavarivati samo $d%&'( laserom.  $iskou9ljični čelici se vrlo jednostavno zavaruju i klasičnim postupcima zavarivanja< ali korištenjem lasera se povećava kvaliteta i produktivnost. >eško zavarljivi materijali kao što su titan< aluminij< niobij i nikal tako;er se mo9u zavarivati laserom. "asersko zavarivanje koristi se kod tankostijenih i la9anih konstrukcija< te kod zavarivanja dijelova obra;enih na mjeru< koji nakon zavarivanja idu direktno u eksploataciju bez naknadne obrade. 8oristi se za zavarivanje proizvoda koji su osjetljivi na unos topline< te  proizvoda kod kojih nisu dozvoljene deformacije. "aserski snop sa svojim lokalnimi koncentriranim unosom ener9ije predstavlja

za navedene zahtjeve prikladan alat. (lavna

 područja uporabe lasersko9 zavarivanja nalaze se u području debljina< odnosno penetracija do 4 mm< koje se najčešće koriste u automobilskoj industriji. 8orištenjem lasera većih sna9a mo9u se zavarivati i deblji limovi< npr. u brodo9radnji i proizvodnji spremnika.

Tablica 8.1 0o9ućnost provedbe zavarivanja raznih vrsta metala *+ 2 i $d%&'( laserima

14

*. $aklj)+ak 

1!

 modernoj proizvodnji zavarivanjem postoji trend uvo;enja postupaka koji su po9odni za mehanizaciju i automatizaciju< odnosno imaju visoku ekonomičnost. >akav postupak je i lasersko zavarivanje koje pred konvencionalnim postupcima ima niz prednosti. Prednosti se očituju u velikoj brzini zavarivanja< u visokom stupnju automatizacije i visokoj 9ustoći sna9e rezultat koje je mali unos topline u materijal. $edostaci ove vrste zavarivanja su visoka cijena opreme i odrDavanja< potrebna je precizna priprema spojno9 mjesta i nuDno je precizno  pozicioniranje radno9 komada i lasersko9 snopa. Prilikom rada s laserom nuDna je zaštita svih ljudi koji se nalaze u blizini lasera< jer je laserski snop vrlo intenzivan izvor svjetlosti i moDe  prouzročiti ozbiljna oštećenja< posebno očiju. + procesu lasersko9 zavarivanja istraDivanja se  provode 9odinama< unatoč tome i dalje postoje nepoznanice.

1#

,. Literat)ra

1. Jaes< *.< Laser Welding: A practical guide, 'bin9ton publishin9 1,,2. 2. http%==.timesunion.com=business=article=avin9moneEbEsavin9time 134,13.php 3. (rubić< 8.< 0isir< >.< a!ari!an"e laser#$, avarivanje 3< 1=2< 1324< 1,,4. %. Oauer< O.< 8ralj< .< &#ri'ten"e inertni i akti!ni a'titni plin#!a pri lasersk#$  a!ari!an"u, avarivanje !-< 1=2< 2224< 2--< *. 'ussene99< Q.G.< +sn#!e lasera  &ak# se st!ara lasersk# raen"e< bornik radova< +patija< 1,,!. #. Oauer< O.< +pti$iran"e para$etara lasersk#g a!ari!an"a elika a p#b#l"'a!an"e, Joktorski rad< a9reb< 2--#. . 8ralj< .< Strategi"a ra!#"a a!ari!an"a u /r!atsk#", bornik radova< +patija< 1,,3.

1

1)