Hybridní způsoby laserového navařování

První experiment zjišťoval možnosti předehřevu. V tomto případě speciálně vyvinutý induktor předehříval materiál, těsně následovaný laserovým paprskem a přídavným práškem. Dle prvních zkoušek lze tímto způsobem zlepšit efektivitu procesu navařování na dvojnásobek. Teplo induktoru ohřívá pouze navařovaný povrch, energie laseru je pak více využita pro samotné tavení prášku a roste jak rychlost navařování, tak síla navařované vrstvy. Druhý experiment obrátil sled tepelných zdrojů. Laserový paprsek navařující vrstvu byl následován indukční cívkou. Tento způsob má zajistit zpomalení chladnutí, eliminaci pnutí a minimalizaci rizika praskání zejména tvrdších vrstev. Pro porovnání byl proveden také experiment pouze se samotným laserovým paprskem. Cílem celého projektu je ověřit, optimalizovat a zefektivnit proces navařování s využitím více zdrojů energie.

POPIS EXPERIMENTU
Na základovou ocelovou desku z materiálu S355 tl 18 mm byla navařena vrstva v délce jednoho metru z austenitické oceli. Deska byla osazena řadou termočlánků těsně pod návarem a na spodní straně dílu, jejichž úkolem během navařování bylo zajistit měření časového průběhu teploty. Návary byly prováděny diodovým laserem. Vlevo na obrázku je chlazený induktor, vpravo navařující laserová hlava s přívodem chlazení prášku a ochranného plynu, dole je deska základního materiálu s termočlánky.

Celý experiment byl monitorován pomocí termočlánků. Tím byla získána mapa bodů s časovou závislostí teplotních polí v různých místech navařovaného dílu, zachycující několik bezprostředně navazujících housenek návaru. Data měla sloužit k validaci prováděných simulací a potvrdit je. Numerická analýza by měla v budoucnu usnadnit nastavení některých parametrů, třeba vzdálenost mezi induktorem a paprskem. Všem těmto závislostem se podrobně věnujeme. Stejně tak byla provedena kontrola mikrostruktury v počátku, průběhu i na konci navařování. Sledovaly se zejména parametry návaru, tepelně ovlivněné vrstvy. Cílem je získat validovaný numerický model, pomocí kterého půjde předem stanovit nejvhodnější postup navařování. Získané znalosti jsou základem také pro aditivní výrobu z kovových prášků, tedy velmi aktuální téma. Podobně jako ve svařování i zde dochází ke kumulaci pnutí, která může vést k deformacím nebo úplné destrukci. Pnutí leckdy přesahují pevnost materiálu a dochází k odtržení návaru.

Na obrázku je vidět rozložení teplotního pole v desce s první vrstvou pro uspořádání s předehřevem v čase procesu 140 s.

 

Zajímavé je porovnání časového průběhu teplot v místě jednotlivých termočlánků. Na dalším obrázku je znázorněný měřený průběh teploty v místě termočlánku 5 až do třetí paralelní vrstvy (oblast první vrstvy se nachází uvnitř červeného obdélníku). Vpravo je pak zoom stejné části průběhu získaného simulací. Je patrné, že shoda je poměrně dobrá. Při navařování první vrstvy dosahuje teplota v místě termočlánku 5 hodnoty cca 290 °C při ohřevu induktorem a cca 380 °C při následném ohřevu laserem. To potvrdilo jak měření, tak simulace. Pro další housenky se vše opakuje, dochází však k celkovému nárůstu teploty o přibližně 50 °C pro každou další housenku.

V místě termočlánku 12 na spodní straně desky pro jsou teploty výrazně nižší. Pro první housenku 150 °C, pro druhou 250 °C a pro třetí vrstvu je již navařovaná deska předehřátá (pro danou geometrii) na 300 °C. Z tohoto plyne jedna nepříjemná závislost – nelze ponechat konstantní parametry navařování. Tím, jak roste teplota substrátu a teplo z laseru je stále stejně rozdělováno mezi jeho povrh a prášek, roste hloubka promíšení. To dokládá příčný řez čtyřmi vedle sebe navařenými vrstvami na dalším obrázku. U poslední housenky je promíšení největší. Při opačném uspořádání, kdy induktor materiál dohřívá, není tento problém tak výrazný. Popsaný děj je komplikací nejen při všech způsobech navařování, ale i při svařování. Plyne z něj důležitost strategie plánování svařovacích postupů. Ještě viditelnější projevy jsou v aditivní výrobě, kde se navařují velké počty vrstev na sebe. Udržet pak rovnoměrnost návaru prakticky není možné a je třeba celý proces monitorovat a bezdotykově měřit ve 3D. Numerické simulace by mohly tento problém v blízké budoucnosti dobře řešit. Zatímco v Německu se tomuto tématu věnuje vysoká pozornost a priorita, v našich zemích jsme zatím na úrovni vybalení přístrojů, zakoupených z dotačních programů, z krabic.

PROMĚNNÝCH JE CELÁ ŘADA
Na připravených vzorcích byl proveden podrobný mikrostrukturní rozbor. Cílem bylo jednak ověřit a potvrdit výsledky simulací, ale hlavně zjistit vliv hlavních parametrů na technologii navařování. Proměnných je v celém procesu řada a jsou navíc závislé na čase (protože roste teplota podkladu, jak jsme ukázali dříve) a také na geometrii součásti. Jinak se chovají návary na rovné ploše, jinak na válcové, vliv má tloušťka stěny (kvůli odvodu tepla) atd. Není nám známo, že by podobný hybridní způsob navařování byl průmyslově používán, takže se vše vyvíjí od začátku. Včetně stavby samotného zařízení. Pro dosažení kvalitních výsledků v rozumném čase se Česká republika v podobných případech neobejde bez projektů podpory zaměřených na aplikační výzkum ve firmách s jasným směřováním dotažení do výrobní praxe. V tuto chvíli nám ujíždí vlak, podíváme-li se např. na cílenou a jasně definovanou podporu Fraunhofer institutu v Německu nebo VITO v Belgii.

Vzorek s předehřevem (vzorek P2-1) a dohřevem (vzorek D4-1)

 

Uvedené experimenty přinesly velké množství dat, řada z nich není ještě dostatečně zpracována. Podobně byly provedeny experimenty s hybridním svařováním, kde byl laserový svar předehřívaný nebo dohřívaný induktorem. Zájemci brzy najdou podrobné rozbory ve specializovaných časopisech.

TEXT/FOTO STANISLAV NĚMEČEK, VÁCLAV KOTLAN, IVO DOLEŽAL (FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ, ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI)