titV súvislosti s rastom priemyselnej výroby dochádza k rýchlemu úbytku celosvetových zásob surovín, energií a k zhoršovaniu životného prostredia. Cieľom je využitie zdrojov zelenej energie a poskytnutie alternatívnych procesov s ohľadom na požiadavky budúcich generácií. To vedie k zvyšovaniu tlaku na technicky a ekonomicky lepšie využívanie surovinových a energetických zdrojov.
V strojárstve to znamená predovšetkým znižovanie spotreby konštrukčných materiálov ako aj energie potrebnej na ich výrobu a spracovanie. Výrobok s vysokou technicko-ekonomickou úrovňou vlastností vzniká postupne, v jednotlivých krokoch alebo alternatívach vzájomným ovplyvňovaním požiadaviek konštrukcie, možností materiálu a technológie výroby, čo vyžaduje úzku spoluprácu konštruktéra, materiálového inžiniera a technológa (obr. 1) [1].

obr1
Obr. 1: Technologický proces [1]


Výrobu konkrétneho výrobku s jeho požadovanými vlastnosťami ovplyvňuje zvolený materiál a spôsob výroby, tzn. zvolená technológia, použitý nástroj, zariadenie. Jednotlivé zložky – výrobok, použitý materiál a aplikovaná technológia sú vzájomne prepojené a predstavujú obrovský potenciál pre posúvanie hraníc výroby konkrétnych výrobkov.
Medzi možnosti zvýšenia technicko-ekonomickej úrovne výrobkov patrí napr. príprava materiálov a technológií na mieru, aplikácia progresívnych, nekonvenčných, inovatívnych, ako aj hybridných strojárskych technológií; materiálov so štruktúrou a vlastnosťami od makroúrovne až po nanoúroveň, inteligentných materiálov, kompozitných materiálov, využitie povrchových modifikácií – úprav, virtuálna výroba, atď. Virtuálna výroba poskytuje nevídanú flexibilitu dizajnu pre tímy zaoberajúce sa vývojom procesu, prípravou výroby. Prostredníctvom virtuálnej simulácie, inžinieri môžu predvídať a riešiť problémy súvisiace s procesom, výrobou pred ich realizáciou v praxi.

Oceľ – materiál s významným inovačným potenciálom
Aj v dnešnej dobe rozvoja materiálov pre strojárske aplikácie od kompozitných cez plasty, v podstate pripravovaných na mieru pre konkrétne aplikácie, oceľ si naďalej udržiava z hľadiska rozsahu výroby a odbytu špičkové postavenie medzi materiálmi.

* * * * *
Výroba surovej ocele v roku 2015 na celom svete predstavovala 1 665 miliónov ton [2]. Je to cca 20-krát viac ako produkcia všetkých ostatných kovov [3].

* * * * *

Toto významné postavenie ocele umožňuje predovšetkým veľká rozmanitosť jej vlastností spojená zvlášť s využitím širokých možností legujúcich prísad. To sa dosahuje radou moderných výrobno-technických postupov v metalurgii, tepelnom spracovaní a tvárnení s presne definovanou a nemennou kvalitou. Inovačná a výkonová schopnosť ocele sa prejavuje zvlášť pri vývoji vysokopevných a ultra pevných ocelí. Výroba dospela k využitiu vytvrdzovania zmesových kryštálov. To sa dosiahne legovaním veľmi malým množstvom prísad, napr. titanu, kremíka, fosforu, mangánu alebo nióbu. Tieto prvky sú v kryštáli feritu „vstavané“ do mriežkových polôh. Vytvrdením zmesových kryštálov sa môže pevnosť zvýšiť o 30 – 40 percent.
Inovačná schopnosť ocele sa oživuje neustále novými požiadavkami používateľov. K perspektívnym trhom pre oceľ patrí hlavne automobilový priemysel, energetika, zariadenia pre ochranu životného prostredia, strojárenstvo, letecký a kozmický priemysel. Oceľ ako moderný, výkonný materiál so širokou škálou možností naďalej zostáva nenahraditeľným materiálom pre technický pokrok.

Budúcnosť ocele budú stále viac ovplyvňovať používatelia. Pretože rozhodnutie o použití príslušných materiálov pri realizácii budúcich problémových riešení sa bude stretávať v stále väčšom meradle s ekologickými aspektmi, má oceľ ako materiál so 100-percentnou schopnosťou recyklácie strategickú prednosť. Zákonodarcovia budú naďalej vo zvýšenej miere prihliadať k použitiu materiálov schopnejších recyklácie. V tom má oceľ zaručenú perspektívu [3],[4],[5].

Znížiť náklady – zvýšiť kvalitu
Pri snahe o predpovedanie budúcich trendov nielen v oblasti zvárania je vhodné rozlišovať medzi tradičnými materiálmi a pokrokovými materiálmi.
Vlastnosti a funkcie tradičných materiálov sú dobre známe; preto je snahou znížiť náklady a zvýšiť kvalitu procesu spájania. Očakáva sa, že to možno dosiahnuť vďaka automatizácii a zvýšenej kontrole kvality postupov. Či je materiál alebo proces tradičný alebo moderný, závisí na druhu priemyslu – oblasti kde je aplikovaný.
Napríklad zváranie konštrukčného hliníka nemôže byť považované za nové v leteckom priemysle, napriek tomu, že ide o pokročilú aplikáciu vo výrobe automobilov. Zmena dizajnu priestorového rámu automobilu odstráni konštrukčnú redundanciu poskytovanú súčasnou technológiou, nové procesy spájania budú musieť prekonať obmedzenú kvalitu odporového zvárania. Spájkovanie, ako aj laserové alebo konvenčné oblúkové procesy zvárania sú kandidátmi na zvládnutie požiadaviek na zhotovenie nových automobilových konštrukčných komponentov.
Cena mnohých moderných pokrokových materiálov je taká vysoká, a ich vlastnosti také špecifické, že budú použité len vtedy, ak je to nevyhnutné. V dôsledku toho výrobky obsahujú viac spojov, ktoré spájajú rôznorodé materiály. Niekoľko tradičných procesov spájania je využiteľných v tejto situácii; je to výzva pre nové konštrukcie dielcov a nové aplikácie procesov spájania. Vhodná je aj aplikácia lepidiel, ale vlastnosti spoja často kladú výrazné obmedzenia na konštrukciu alebo funkciu dielca.
Tvrdé spájkovanie je uvažované najmä pre spájanie keramiky a kompozitov s kovovou matricou. Nízkoteplotná kovová väzba s využitím prechodovej kvapalnej fázy bude pravdepodobne rozšírená na mnohé systémy zložené z viacerých ľahkých zliatin. V procese tvrdého spájkovania časť spájkovacieho materiálu difunduje do základného materiálu, čo má za následok izotermickú solidifikáciu výplňového materiálu. Pre každý vyvinutý nový materiál musia byť procesy spájania opätovne prehodnotené alebo vyvinuté tak, aby materiál bol efektívne využitý.
Použitie nových materiálov bude obmedzené schopnosťou využiť procesy spájania, skôr ako schopnosťou navrhnúť alebo vyrobiť takéto nové materiály. Súčasný smer zlepšenia zváraných konštrukcií je zníženie ich hmotnosti a požiadavky energie vo výrobe a zlepšovaní konzistencie a životnosti [6].

Hybridné technológie
Súčasným trendom, zvlášť v automobilovom priemysle je aplikácia nízkohmotnostných materiálov umožňujúcich výrobu nízkohmotnostných komponentov pre dosiahnutie zníženia emisií a energie.
Nedostatočná tvárniteľnosť pokrokových nízkohmotnostných materiálov však pri izbovej teplote výrazne obmedzuje ich širšie uplatnenie. Keďže nízkohmotnostné materiály, ako sú napr. ultra vysoko pevné ocele, titánové zliatiny a zliatiny hliníka, horčíka, sa používajú vo veľkej miere v leteckom a automobilovom priemysle, táto skutočnosť vedie k rastu požiadaviek na pokrokové technológie, napríklad na ich tvárnenie, keď konvenčné metódy neumožňujú výrobu ľahkých konštrukcií.
V 21. storočí v oblasti tvárnenia mnoho výskumníkov a výskumných centier navrhlo viacero pokrokových, inovačných metód zaoberajúcich sa týmto problémom. Významnou sa stáva možnosť aplikácie hybridných výrobných procesov (aj v oblasti obrábania, spájania materiálov, povrchových úpravách...).
Pojem „hybridný“ sa dostáva do povedomia najmä od roka 1997, keď sa objavil prvý masovo produkovaný hybridný automobil Toyota. V poslednej dobe sa slovo „hybrid“ začalo používať aj v oblasti materiálových vied a inžinierstva.
Pojem „hybridné materiály“ sa používa pre kompozity, ktoré sa skladajú z dvoch zložiek na nano– alebo molekulárnej úrovni. Zvyčajne jedna z týchto zložiek je anorganickej a druhá organickej povahy. Tým sa líšia od tradičných kompozitov, kde zložky sú na makroskopickej úrovni (od mikro do milimetra). Miešanie v mikroskopickom meradle vedie k viac homogénnemu materiálu, ktorý môže vykazovať charakteristiky medzi dvoma pôvodnými fázami alebo aj nové vlastnosti. V mnohých prípadoch rozdiel v pojmoch hybridné materiály a kompozity nie je jasne definovaný.
Podľa medzinárodnej akadémie pre výrobné inžinierstvo (The International Academy for Production Engineering CIRP), hybridné výrobné procesy sú založené na súčasnom a riadenom pôsobení mechanizmov procesov a/alebo energetických zdrojov/nástrojov, ktoré majú významný vplyv na výkonnosť procesu (Lauwers et al., 2014). Formulácia „simultánne a riadené interakcie“ znamená, že procesy/zdroje energie by mali pôsobiť vzájomne vo viac alebo menej rovnakej spracovateľskej zóne a v rovnakom čase. Ako príklad pre lepšie vysvetlenie, čo hybridný proces znamená, možno uviesť dva odlišné hybridné procesy – obr. 2.

obr2
Obr. 2: Hybridné procesy [7]


Prvá skupina (I) obsahuje procesy, v ktorých dva alebo viac zdrojov energie/nástrojov sú kombinované a majú synergický účinok v zóne spracovania. Táto skupina sa delí na hybridné procesy s asistenciou (I.A) a zmiešané alebo kombinované hybridné procesy (I.B). Pri procesoch s asistenciou je proces napr. odstránenia materiálu, tvárnenia,... definovaný ako hlavný (primárny) proces; sekundárny proces iba asistuje, napomáha hlavnému procesu.

Vibrácie – laser – médiá
Možno konštatovať, že najdôležitejšie sekundárne asistujúce procesy sú vibrácie (ultrazvukové), laser a médiá (napr. kvapaliny).
Technológie s podporou vibrácii sa využívajú pri rôznych primárnych procesoch na podporu hlavne odstránenia materiálu. V týchto procesoch malé vibrácie (priemerné amplitúdy: 1 až 200 μm, frekvencia: 0,1 až 80 kHz) sú zavedené k pohybu nástroja alebo obrobku. Vo väčšine systémov, a to najmä pri operáciách rezania a brúsenia, sú amplitúdy v rozmedzí od 1 do 15 μm, vibrácie sú vo frekvenčnom rozsahu 18 až 25 kHz a sú generované piezoelektrickými prvkami v držiaku nástrojov, alebo v systéme upínania vretena alebo obrobku. Preto sa výraz „Ultrasonic Assisted Machining“ – obrábanie za podpory ultrazvuku (USA) často používa pre tieto druhy procesov.
Použitie laserového lúča ako sekundárneho procesu je k dispozícii pre rôzne primárne procesy. Laserový lúč výrazne ovplyvňuje zónu spracovania (napr. zmäkčenie materiálu pri rezaní, mení podmienky elektrolytov pri elektrochemickom obrábaní (ECM), predĺženie materiálu a ohýbanie pri tvárnení, atď.), takže spracovanie/tvarovanie/obrábanie sa stáva jednoduchším.
Tretia veľmi významná skupina sekundárnych asistujúcich procesov zahŕňa tzv. „procesy s podporou médií“. Ide napr. o vysoký tlak a kryogénne chladenie/mazanie aplikované vyhradenými tryskami alebo systémami chladiacich trysiek. Aplikované je napr. v tvárnení (napr. pneumaticko-mechanický proces hlbokého ťahania), kde tlakové médium sa používa pre predpätie plechu v priebehu konvenčného procesu hlbokého ťahania. Hranica medzi konvenčným chladením a mazaním nie je vždy jasne definovaná, ale je možné konštatovať, že musí dôjsť k významnému zlepšeniu procesu iniciovanému asistenciou médií.

* * * * *
Asistované hybridné procesy majú za následok výrazne pozitívne účinky na výkonnosť procesov, čo je často prezentované výrazom „1 + 1 = 3“, čo znamená, že pozitívny vplyv hybridného procesu predstavuje viac ako dvojnásobok výhod jednotlivých procesov (Schuh et al., 2009).

* * * * *

V čisto hybridných procesoch je prítomných niekoľko mechanizmov spracovania (rôzne procesy), alebo dokonca aj nových mechanizmov. V zmiešaných alebo kombinovaných hybridných procesoch sú prítomné dva alebo viac procesov, ktoré podľa vyššie uvedenej definície môžu nastať súčasne vo viac alebo menej rovnakom čase.
Druhá skupina (II) hybridných procesov zahŕňa procesy, kde nastáva riadená kombinácia účinkov, ktoré sa zvyčajne vyskytujú v dôsledku oddelených procesov. Napr. brúsenie – spevnenie, odstránenie materiálu je kombinované s riadeným spevnením (kalením) v dôsledku tepla indukovaného z procesu brúsenia.
Výskum a vývoj je zameraný na skúmanie nových kombinácií, zvyšovanie výkonnosti procesov. Brúsenie a leštenie je kombinované s EDM, rovnako ako ECM. Tiež kombinácia brúsenie a spevňovanie (kalenie) predstavuje zaujímavý hybridný proces. Veľa kombinácií procesov existuje medzi fyzikálnymi a elektro-chemickými procesmi (EDM, ECM, laser). Rovnako aj v tvárnení, v procesoch ako je pretlačovanie, kovotlačenie či ohýbanie, ktoré sú často kombinované kvôli zvýšeniu výkonnosti procesu.
Všeobecne platí, že procesy sú kombinované v záujme zvýšenia výhod a minimalizovania potenciálnych nevýhod nachádzajúcich sa v jednotlivých technikách (Rajurkar et al., 1999). Ide najmä o redukciu síl, vyššiu rýchlosť úberu materiálu a menšie opotrebenie nástroja pri obrábaní, vyššiu presnosť napr. eliminovaním odpruženia pri ohýbaní a lepšiu kvalitu povrchu. Zníženie síl je hlavnou výhodou; hybridné asistované procesy nachádzajú zaujímavé aplikácie v mikroobrábaní, ako je mikroEDM a mikrofrézovanie s asistenciou lasera. Vysoká presnosť sa dá získať napr. pri jednobodovom inkrementálnom tvárnení s asistenciou lasera (Duflou et al 2007; Göttmann et al 2011). Zmäkčujúci účinok lasera nielen rozširuje limity tvárniteľnosti, ale spôsobuje aj redukciu odpruženia.
Zavedenie oscilácií v tvárnení plechu vedie k redukcii tvárniacich síl (Behrens et al. 2013). Výlisok je vyrábaný hlbokým ťahaním a ozubenie je vyrobené objemovým tvárnením v kombinácii so zavedením oscilácii, čo vedie k redukcii tvárniacich síl. Výskumy ukázali, že s rastúcimi požiadavkami na kvalitu výlisku a napr. aplikáciou menšej ťažnej medzery, zavedené oscilácie majú väčší účinok na redukciu ťažnej sily a veľkosť odpruženia.
Príkladom aplikácie hybridných technológií v tvárnení je napr. pretlačovanie zakrivených profilov. Porovnanie výroby zakrivených profilov konvenčným procesom pretlačovania a hybridným je na obr. 3, detailný princíp hybridného spôsobu pretlačovania zakrivených profilov je na obr. 4. [7], [8].
Nepriamy a priamy spôsob lisovania vysoko pevných plechov za tepla a ich spevňovania je zobrazený na obr. 5 [9].
Dielce lisované za tepla v automobilovom priemysle sú zobrazené na obr. 6 [9].

obr3
Obr. 3: Pretlačovanie zakrivených profilov [7], [8]
obr4
Obr. 4: Hybridný spôsob pretlačovania [7], [8]
obr5

Obr. 5: Lisovanie za tepla a spevňovanie [9]: a) nepriamy proces, b) priamy proces

obr6
Obr. 6: Dielce lisované za tepla v automobilovom priemysle

 

Hybridné spájanie materiálov
Procesy mechanického spájania, lepenia a zvárania spolu so spájkovaním (mäkkým a tvrdým) reprezentujú väčšinu metód spájania a základné prístupy spájania, ktoré je možné modifikovať alebo kombinovať pre vytvorenie užitočných variantov a/resp. hybridných spôsobov spájania (tab. 1).

tab1
Tab. 1: Varianty a hybridné procesy spájania

 

* * * * * 
Varianty sú rôzne, často nepatrne odlišné, spôsoby použitia základného procesu na vytvorenie spoja; niekedy sa ich účinky zdajú byť unikátne, inokedy sa ich účinky zdajú takmer na nerozoznanie od pôvodného procesu.

* * * * *

Varianty procesov spájania – Tvrdé spájkovanie
Žiarové striekanie je príkladom variantného procesu, ktorý sa javí ako úplne unikátny proces, zatiaľ čo tvrdé spájkovacie zváranie je príkladom variantu, ktorý sa zdá ako takmer nerozoznateľný od bežného zvárania plynom alebo oblúkom. Pri žiarovom striekaní je materiál vo forme roztavených alebo zmäkčených (napr. plasty) častíc vytvorených ohrevom vstupného materiálu vo forme napr. prášku, alebo natavením a „atomizáciou“ kontinuálneho drôtu, resp. tyče, urýchlený vysokou rýchlosťou tak, aby dopadli na substrát, sploštili sa, prilepili sa a vytvorili vrstvu.
Adhézna väzba medzi časticami a substrátom (a medzi časticami deponovaného materiálu kohéziou) zahŕňa tvorbu väzby na atómovej úrovni interdifúziou a/alebo chemickou reakciou, rovnako môže dôjsť k mechanickému uchyteniu častíc v „medzerách a štrbinách“ na substráte alebo navzájom.
Metódy na ohrev a urýchlenie materiálu zahŕňajú (1) plameňové (alebo spaľovacie) striekanie, (2) elektrické oblúkové striekanie, (3) striekanie pomocou plazmového oblúka a (4) detonačné plameňové striekanie. Pevnosť adhézie a kohézie i hustota deponovaného povlaku priamo závisí od homologickej teploty a od kinetickej energie častíc počas striekania.

Tento proces môže byť použitý na vytvorenie voľných tvarov, vytvorenie tvarov na povrchu alebo vnútri dielca, renováciu opotrebovaného materiálu a rozmerov, aplikáciu ochranných alebo dekoratívnych povlakov, produkciu spojov (použitím spájkovacieho plniva alebo termoplastického lepidla nataveného striekaním), alebo upevniť vystuženia do matríc materiálov na výrobu kompozitov alebo vytváranie špeciálnej mikroštruktúry.
Hybridné procesy sú úplne nové procesy odvodené z kombinácie dvoch základných (materských) procesov. Výsledný hybridný proces poskytuje nové funkcie, a to často cez synergický účinok, v ktorom sila jedného nadradeného procesu kompenzuje nedostatok druhého. Výsledný, úplne nový proces, znamená zreteľne viac než len pridanie schopností oboch rodičovských procesov. Príkladom hybridných procesov spájania sú nitovanie – lepenie, zváranie – lepenie, zváranie – spájkovanie... Nitovanie – lepenie, zváranie – lepenie a zváranie – spájkovanie zlepšujú pevnosť lepidla alebo spájky. Tiež rozširujú rozsah pracovnej teploty lepidla alebo tvrdej spájky pre šmykové zaťaženie v rovine.

Komponenty plast/kov
Pri aplikácii nových hybridných výrobných technológií je možné vyrábať napríklad hybridné komponenty plast/kov s vysokou diverzitou. Pokrok vo vývoji umožňuje dosiahnuť vysokú pevnosť spoja pri vybraných kombináciách plast/kov a súčasne významne skracovať proces výroby. To má za následok nové aplikačné možností pre dielce plast/kov a konsolidáciu existujúcich. Vývoj inovatívnej kombinácie vstrekovania plastov a odlievania kovov do foriem vo forme hybridného procesu formovania v jednej forme a jednom zariadení pre výrobu komponentov plast/kov je výzvou. Cieľom je zvýšenie produktivity a redukcia počtu výrobných krokov. Okrem toho, kompozitné dielce plast/kov môžu byť vyrábané procesmi spájania za tepla. Ako alternatíva k súčasnému spôsobu spájania napr. lepením tento proces predstavuje veľký potenciál pre skrátenie výroby a umožňuje rôznorodé geometrie pre spájanie (obr. 7).

obr7
Obr. 7: Výroba dielcov zhotovených z plastu a kovu pre aplikácie s nízkou hmotnosťou

 

Hybridné zváranie, spájkovanie, lepenie
Nie každá kombinácia základných procesov spájania má nevyhnutne za následok užitočnú hybridnú technológiu; nie viac, ako každý pokus o kríženie živočíšnych alebo rastlinných druhov má za následok „lepšieho“ hybridného živočícha alebo rastlinu. V skutočnosti, niektoré kombinácie procesov môžu spôsobiť problémy. Vybrané najbežnejšie hybridné procesy spájania materiálov sú uvedené v tab. 2.

tab2
Tab. 2: Hybridné procesy spájania materiálov


Zváranie – lepenie, tiež nazývané –„bodové zváranie s lepením“ je hybridný spôsob výroby, ktorý využíva ako zváranie tak aj lepenie. V najbežnejšej forme sa vrstva lepidla buď vo forme pasty alebo fólie, aplikuje na jeden z kovových členov, ktoré majú byť spojené. Druhý kovový člen je umiestnený navrchu, montáž je uskutočnená upnutím na zabezpečenie polohy spájaných dielcov.
Dva kovové dielce sú potom spojené odporovým zváraním cez lepidlo pomocou bodovej zváračky namontovanej na bežnom C-ráme (ktorý je široko používaný v leteckom priemysle), alebo pomocou prenosnej jednotky pripojenej k pracovnému koncu ramena robota (široko pou-žívané v automobilovom priemysle). Vzdialenosť medzi stredmi zvarov je 25 až 50 mm.
Je tiež možné, v inom spôsobe procesu, najprv urobiť bodový zvar a následne infiltrovať medzeru medzi povrchmi lepidlom, využijúc kapilaritu na vyplnenie medzery. Vplyvom tlaku pri bodovom odporovom zváraní a tepla dochádza k premiestneniu – vytlačeniu lepidla z bezprostrednej blízkosti miesta, kde sa má zvar vykonať, aby mohlo dôjsť k nataveniu kovov pre vytvorenie šošovičky zvaru. Proces zváranie-lepenie ponúka niekoľko dôležitých výhod v porovnaní so samostatným mechanickým spojovaním alebo lepením.

Podobne ako pri kombinácii spájania typu „mechanický spoj – lepenie“, štruktúra spoja zvar – lepenie ponúka:
(1) zvýšenie statickej pevnosti v ťahu a/alebo pevnosť v ťahu pri strihu (zvýšením celkovej plochy spoja);
(2) zvýšenú únavovú životnosť (rozložením zaťaženia pomocou lepidla a minimalizáciou koncentrácie napätia okolo diskrétnych bodov bodového zvárania alebo mechanického upevnenia);
(3) plynotesné a/alebo kvapalinotesné spoje (prostredníctvom tesniaceho účinku lepidla, či už ide o lepidlo konštrukčného typu, alebo jednoducho na tesnenie);
(4) zvýšenú konštrukčnú pevnosť alebo tuhosť, najmä proti skrúteniu rámov automobilov, (napríklad tým, že bráni preklzávaniu spájacích prostriedkov alebo vybočeniu medzi miestami mechanického upevnenia alebo zvárania);
(5) zlepšenú odolnosť proti korózii (cez tesnenie);
(6) lacné nástroje (prípravky na držanie lepidla môžu byť použité);
(7) úspora hmotnosti (v porovnaní s mechanickými upevňovacími prvkami);
(8) hladké, hermeticky uzavreté vnútorné a vonkajšie povrchy (aerodynamické hľadisko);
(9) zvýšenú absorpciu energie (vzhľadom na pridanú energiu potrebnú na otvorenie lepených a zváraných alebo mechanicky spojených plôch), čo zlepšuje odolnosť proti nárazu automobilov, ako aj kvalitu ich jazdy (pomocou tlmenia vibrácií a zníženia hluku)
(10) rozhranie s lepidlom vylepšuje prenos zaťaženia.
Nitovanie – lepenie a zváranie – lepenie výrazne zlepší aj odolnosť proti únave, pričom lepidlo zníži koncentráciu napätia v nitovom spoji alebo zvare a zlepší absorpciu energie alebo odolnosť proti nárazu a znižuje vibrácie cez tlmenie. Nitovanie – lepenie, zváranie – lepenie, a zváranie – spájkovanie všetky tieto metódy zlepšujú pevnosť voči odlupovaniu lepidla alebo tvrdej spájky. Rovnako všetky rozširujú rozsah pracovnej teploty lepidla alebo tvrdej spájky pri zaťažení šmykom.
Spájkovacie zváranie umožňuje spájanie a najmä opravu materiálov citlivých na teplo, ako je liatina. Dochádza k naplneniu „drážky“ plniacou zliatinou, ktorá sa taví pod teplotou solidu základného materiálu (-ov), takže nedochádza k taveniu substrátu (ako pri tvrdom spájkovaní). Distribúcia spájky však nenastáva kapilárnym vzlínaním.
Okrem kombinovania rôznych základných procesov spájania určených na vytvorenie hybridov je možné kombinovať špecifické procesy zvárania na vytvorenie hybridného procesu zvárania. Príkladom je laser-TIG zváranie, laser-MIG/MAG zváranie, zváranie plazma – laser, plazma – MIG/MAG zváranie a laserom asistované trecie zváranie s premiešaním. Tieto kombinácie procesov zvárania ponúkajú niektoré zaujímavé funkcie, vrátane lepších depozičných pomerov s mimoriadnou kontrolu obrysu, lepší prienik s minimálnym nárastom tepelného príkonu, väčšiu stabilitu oblúka a ďalšie.
Hybridné laserové technológie [11], [12], sú definované ako kombinácia zdroja laserového lúča s prídavným sekundárnym lúčovým zdrojom alebo inou technikou spájania. Využitie hybridných tepelných zdrojov na zváranie je relatívne nové a je mu venovaná veľká pozornosť. Vybrané hybridné procesy zvárania a ich výhody sú uvedené v tab. 3.

tab3
Tab. 3: Hybridné procesy zvárania a ich výhody


Hybridné zváranie možno použiť pre náročné prípady, napr. kombinácia laserového zvárania a ďalšieho spôsobu zvárania pre špeciálne použitia v oceľových konštrukciách.
Hybridný spôsob zvárania kombinuje napr. laserové zváranie s inými spôsobmi zvárania. Vhodnými kombináciami v procese sú buď zváranie MIG alebo MAG (zváranie kovov v inertnom plyne a zváranie kovov v aktívnom plyne) ako aj zváranie WIG (zváranie volfrámom v inertnom plyne) alebo plazmové zváranie.

Takto sa napríklad pri stavbe lodí zvárajú veľké plechové platne s dĺžkou až 20 m a hrúbkou 15 mm. Rozstupy medzier medzi platňami sú príliš veľké, takže ich samotný laserový lúč nedokáže preklenúť. V tomto prípade sa kombinuje zváranie MIG s laserovým zváraním. Laser dodáva vysokú hustotu výkonu pre veľké hĺbky zvarov. Umožňuje vysoké rýchlosti zvárania, čím znižuje prívod tepla a deformáciu. Horák MIG premosťuje medzeru a uzatvára medzeru prídavným drôtom. Celkovo je hybridné zváranie rýchlejšie ako samotné zváranie MIG a časti sa menej deformujú – obr. 8 [16].

obr8
Obr. 8: Automatizované laserové zváranie [16]


Zváracie metódy, ako je laserové zváranie, laserové oblúkové hybridné zváranie a zváranie trením, sa stanú oveľa významnejšími v dôsledku rýchleho prenosu poznatkov z výskumu do aplikácií. Automatizácia zvárania je veľmi vhodná pre masovú produkciu a zváranie v určitých kritických prostrediach a pozíciách. Simulácie procesov zvárania a využitie analýz metódou konečných prvkov predstavuje veľmi užitočný nástroj pre projektantov a firmy umožňujúci vyhodnocovať parametre pred začatím fyzických skúšok.

Záver
Vývoju hybridných procesov v oblasti strojárskych technológií je venovaná významná pozornosť na výskumných pracoviskách, ako aj ich zavádzaniu do praxe, pričom sú výzvou do budúcnosti. Je však potrebné si uvedomiť, že nie každá kombinácia základných alebo dokonca špecifických procesov dáva zmysel v tom, že sa eleminujú slabé stránky materských procesov a upevnia sa ich silné stránky. Je potrebná dôkladná analýza pri rozhodovaní, či sú nové kombinácie procesov užitočnejšie ako jednotlivé materské procesy a či ich aplikácia bude prínosom. Ďalší vývoj hybridných strojárskych technológií je ovplyvnený na jednej strane priemyselnými potrebami vyrábať pokrokové produkty z pokrokových materiálov a na druhej strane produkovať výrobky produktívnejšie a úspornejšie.

Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia projektov VEGA č. 1/0117/15 a VEGA č. 2/0113/16.

Literatúra:
[1] SOBOTOVÁ, L.; TKÁČOVÁ, J.: Progresívne technológie návody na cvičenia. Košice: TU, SjF – 2009. 186 s.
[2] WORLD STEEL IN FIGURES 2015. World Steel Association. Belgium. 30 p. worldsteel.org
[3] TVRDÍK, Z.: Ocel – materiál s významným inovačním potenciálem. Hutnické listy. 1991, č. 5, 6. str. 310 – 311.
[4] EVIN, E.; TKÁČOVÁ, J.; TKÁČ, J.: Aspekty výberu oceľových plechov pre komponenty karosérie – 1. časť, 2012. In: Zváranie. Roč. 61, č. 7 – 8 (2012), s. 161 – 165.
[5] EVIN, E.; TKÁČOVÁ, J.; TKÁČ, J.: Aspekty výberu oceľových plechov pre komponenty karosérie – 2. časť, In: Zváranie. Roč. 61, č. 9 – 10 (2012), s. 206 – 209.
[6] KAH, P.; MARTIKAINEN, J.: Current trends in welding processes and materials: improve in effectiveness. Rev. Adv. Mater. Sci. 30 (2012) p. 189 – 200.
[7] LAUWERS, B.; KLOCKE, F.; KLINK, A.; TEKKAYA, E.; NEUGEBAUER, R.; McINTOSH, D.: Productivity Improvement Through the Application of Hybrid Processes. Advances in Production Technology. Lecture Notes in Production Engineering. ISBN 978-3-319-12304-2. Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London. Christian Brecher RWTH Aachen Aachen Germany. p. 101 – 116.
[8] LAUWERS, B. et al: Hybrid processes in manufacturing/CIRP Annals-Manufacturing Technology 63 (2014) p. 561 – 583.

TEXT/FOTO: Ing. Jana Tkáčová, PhD., Ing. Ján Tkáč, PhD., Strojnícka fakulta, Technická univerzita Košice FOTO: archív redakcie