Z čistého titánu, prípadne jeho zliatin sa vyrábajú rôzne komponenty a časti strojov. V minulosti nebolo častým javom, že konštruktéri zariadení uvažovali o titáne ako o bežne použiteľnom materiáli, pretože úroveň vtedajších technológií nebola taká vysoká, aby bolo možné titán bez problémov opracovať do konečného, požadovaného stavu. V dnešnej dobe, po modernizácií strojových vybavení výrobných firiem nie je netypickým pojmom laserové zváranie. Pomerne veľké množstvo firiem, zaoberajúcich sa zváraním dnes už vlastní aj stroje pre zváranie laserovým lúčom. Experiment popísaný v predloženom článku bol vypracovaný za účelom vyhodnocovania vplyvu nastavenia technologických parametrov na tvar a charakter TOO (teplom ovplyvnená oblasť). Ako dva reprezentatívne parametre boli vybraté rýchlosť posuvu laserového lúča po povrchu materiálu a výkon laserového lúča.

ZVÁRANIE LASEROM
Sústredený zväzok laseru má niektoré mimoriadne vlastnosti, ktoré umožňujú intenzifikáciu doterajších technológií, resp. úplne nové technologické prístupy k riešeniu problémov v oblasti zvárania, tepelného delenia, vŕtania, obrábania a tepelného spracovania materiálov. Konštrukcia laserov umožňuje zvárať pulzne, alebo kontinuálne a zmenou hustoty výkonu v dopadovej ploche je možné prechádzať od zvárania k tepelnému deleniu, prípadne k ďalším technológiám. Vysoká hustota výkonu dopadovej zóne znižuje spotrebu energie na jednotkovú dĺžku zvaru, v dôsledku čoho sa znižujú napätia a deformácie vo zváraných súčiastkach. Ďalej umožňuje rýchly ohrev a zváranie materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou a materiálov s vysokou teplotou tavenia, ktoré je možné zvárať inými technológiami len ťažko, alebo vôbec. Pri pulznom režime prebieha zvárací cyklus v rozsahu od 1 do 10 [ms], čo spolu s presným dávkovaním energie vytvára priaznivé podmienky pre zváranie v mikroelektronike a všade tam, kde sa požaduje miestny ohrev, presne definovaný rozmer zvarového kúpeľa a minimálne rozmery TOO. Je možné zvárať materiály hrúbky 1 μm s drôtikom priemeru 30 [μm] (v súčasnej dobe už na úrovni nanometrov).
Sústredením výkonu na veľmi malú dopadovú plochu spolu s prenosom energie bez mechanického kontaktu umožňuje zvárať aj v prípadoch, keď odporové, resp. ultrazvukové zváranie nepriaznivo ovplyvňuje základný materiál. Žiarenie, ktoré dopadá na povrch materiálu, môže byť pohltené, odrazené, alebo v prípade transparentného materiálu prejde materiálom. Pre zváranie a rezanie materiálu má význam len tá časť žiarenia, ktorá je pohltená. Miera materiálu pohltiť energiu z laserového lúča je závislá na rade faktorov, ako je farba, drsnosť povrchu, geometrická konfigurácia, vlnová dĺžka dopadajúceho žiarenia a pod. Najpoužívanejšími technickými lasermi s tuhým aktívnym prostredím sú lasery s týmito vlnovými dĺžkami
žiarenia: rubín λ = 694 [ηm], neodýmové sklo λ = 1060 [ηm], Nd-YAG λ = 1065 [ηm].
V literatúre sú popísané dve hlavné metódy zvárania laserom:
• hĺbkové zváranie za prítomnosti kanálika,
• kondukčné zváranie.
Pre hĺbkové zváranie sú potrebné vysoké hustoty výkonu okolo 1 MW na štvorcový centimeter. Laserový lúč potom netaví len kov, ale produkuje aj paru. Pri úniku pary pôsobí tlak na taveninu a čiastočne ju vytláča. Materiál sa taví ešte ďalej. Vytvorí sa hlboký, úzky, parou naplnený otvor: parná kapilára – nazývaná aj keyhole. Parná kapilára je obklopená kovovou taveninou. Keď sa laserový lúč pohybuje cez miesto spojenia, pohybuje sa s ním cez zváraný materiál aj parná kapilára. Kovová tavenina obteká parnú kapiláru a tuhne na zadnej strane. Týmto spôsobom sa vytvorí úzky, hlboký zvar s rovnomernou štruktúrou. Hĺbka zvaru je až 10 krát väčšia ako šírka zvaru a môže dosahovať až 25 mm. Na roztavených stenách parnej kapiláry sa laserový lúč mnohonásobne odráža. Pritom tavenina takmer úplne absorbuje laserový lúč a stupeň účinnosti procesu zvárania stúpa. Pri zváraní CO2 lasermi aj para v keyhole absorbuje laserové svetlo a toto čiastočne ionizuje. Vzniká plazma. Plazma dodáva taktiež energiu do obrobku. Hĺbkové zváranie sa preto vyznačuje vysokým stupňom účinnosti a vysokými rýchlosťami zvárania. Vďaka vysokej rýchlosti je tepelne ovplyvnená zóna malá a deformácia nepatrná. Tento postup sa používa, keď sú požadované veľké hĺbky prievaru, alebo ak sa má na jedenkrát zvariť viac materiálov. Pri kondukčnom zváraní taví laserový lúč základný materiál pozdĺž zvaru. Kondukčné zváranie sa používa na spájanie tenkostenných častí, napríklad na rohové zvary na viditeľných hranách telies. Ďalšie uplatnenia nachádzajú v elektronike. Laser vytvára hladký, zaoblený zvar, ktorý nie je potrebné dodatočne opracovať. Na uvedené použitie sa hodia pulzné lasery tuhej fázy alebo lasery tuhej fázy s trvalým signálom. Energia sa pri kondukčnom zváraní dostáva do obrobku len prostredníctvom vedenia tepla. Preto dosahuje hĺbka zvaru len niekoľko desatín milimetra až do jedného milimetra. Tepelná vodivosť materiálu obmedzuje maximálnu hĺbku zvaru. Šírka zvaru je vždy väčšia ako hĺbka zvaru. Ak sa nemôže teplo dostatočne rýchlo uvoľniť, stúpa teplota opracovania nad teplotu odparovania. Vznikajú kovové výpary, skokovito narastá hĺbka prievaru a proces prechádza do hĺbkového zvárania.

MATERIÁLY A ZARIADENIA, POUŽITÉ PRE VYKONANIE EXPERIMENTÁLNYCH PRÁC
Experimentálne práce boli vyhotovené na zváracom laserovom zariadení TRUMPF LASERCELL 1005 so zváracím zdrojom TruFlow 6000.

POZOROVANIE TOO VZNIKNUTEJ PÔSOBENÍM LASEROVÉHO LÚČA PRI RÔZNYCH TECHNOLOGICKÝCH PARAMETROCH NA MATERIÁL

 

ZÁVER
Tvar a charakteristika TOO a zvarového kovu je v technickej praxi závislá od viacerých faktorov. Podstatný vplyv má typ laserového zdroja a mód laserového lúča. Geometria zvaru ďalej závisí na použitých technologických parametroch zvárania. Na snímkach mikroštruktúr je možné vidieť, že zvyšovanie výkonu laserového lúča zvyšuje hĺbku prievaru (obr. 1 a obr. 2). Zvýšenie výkonu laserového lúča nad istú hranicu však môže mať za následok sublimáciu zvarového kovu a je nutné odparený materiál dodávať do zvarového kúpeľa.

 

Kombinácia parametrov, výkon laserového lúča a rýchlosť zvárania ovplyvňuje množstvo tepla, dodaného do zváraného materiálu. Rýchlosť zvárania je potrebné zvoliť tak, aby zvar svojou hĺbkou spĺňal kvalitatívne požiadavky, ale aby zároveň do materiálu bolo dodané také množstvo tepla, aby nedochádzalo k nežiaducim štruktúrnym zmenám, ako sú napríklad hrubnutie zrna a pod. Zvyšovanie rýchlosti pohybu laserového lúča po povrchu materiálu znižuje množstvo dodaného tepla do materiálu. Na obr. 3 a obr. 4 je možné vidieť, že zvyšovanie uvedenej rýchlosti spôsobuje hrubnutie zrna v TOO. Je predpoklad, že spomínané hrubnutie zrna vzniká z dôvodu menšieho prehriatia okolia zvaru, zvýšenia gradientu teplôt naprieč TOO, čo má za následok zvyšovanie odvodu tepla z TOO. Za účelom eliminácie procesu hrubnutia zrna je možné použiť pri zváraní predohrev základného materiálu, alebo úpravu technologických parametrov tak, aby bol odvod tepla z TOO pomalší.

Poďakovanie
Článok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu KEGA č. 054 ZU – 4/2012 a VEGA č. 1/0836/13. Zodpovedný riešiteľ prof. Ing. Jozef Meško, PhD.

Literatúra
[1.] KOŇÁR, R., MIČIAN, M., STRAŠKO, J. (2010). Numerical simulation of temperature fields in Sysweld simulation programme. In: International journal of applied mechanics and engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 423-431. ISSN 1425-1655
[2.] KOŇÁR, R.; MIČIAN, M.: (2012). Numerical simulation of residual stresses and distortions in butt weld in simulation program Sysweld. In: Comunications: scientific letters of the University of Žilina. Vol. 14, No. 3. pp. 49 - 54. ISSN 1335-4205. Žilina.
[3.] ŽMINDÁK, M. et all. (2012). Numerical simulation of contact stresses analysis with crack. In: Machine modeling and simulations 2012. pp. 321 - 330, Poznan, ISBN 978-83-923315-2-0
[4.] DOPJERA, D.; MIČIAN, M. (2014) The detection of articullary made defects in welded joint with ultrasonic defectoscopy Phased Array. In: Manufacturing Technology, Vol. 14, No. 1, pp. 12 - 17, ISSN 1213-2489
[5.] RADEK, N.; ANTOSZEWSKI, B. (2009) Influence of laser treatment on the properties of electro-spark deposited coatings. In: Kovove Materialy - Metallic Materials 47, pp. 31 - 38, 2009 - 252 -
[6.] NOVAK, P.; ŽMINDÁK, M.; PELAGIĆ, Z.: (2014). High-pressure pipelines repaired by steel sleeve and epoxy composition. In: Applied mechanics and materials. Vol. 486, pp. 181 - 188. ISSN 1660-9336.
[7.] KOŇÁR, R.; MIČIAN, M.: (2014) Non-destructive testing of welds in gas pipelines repair with Phased Array ultrasonic technique. In: Manufacturing Technology, Vol. 14, No. 1, pp. 42 - 47, ISSN 1213-2489
[8.] KOŇÁR, R.; MIČIAN, M.; HOPKO, A.: (2011) Analysis of boundary conditions for the simulation of welding at the repair of gas pipelines with steel sleeve. In: Communications: scientific letters of the University of Žilina. - ISSN 1335-4205. - Vol. 13, No. 4 (2011), pp. 36 - 39.

TEXT/FOTO ING. ANDREJ ZRAK, PROF. ING. JOZEF MEŠKO, PHD., ING. MAREK PATEK, ING. MÁRIA ŽIHALOVÁ, ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, STROJNÍCKA FAKULTA, KATEDRA TECHNOLOGICKÉHO INŽINIERSTVA