Laserové mikrozváranie kovových materiálov predstavuje významný technologický prínos pri súčasnom trende zvyšovania nárokov na neustále sa zmenšujúce rozmery vyrábaných súčiastok. Súčasne je veľmi účinným technologickým postupom pre spájanie novovyvíjaných materiálov netradičného chemického zloženia, prípadne rôznych kompozitov, povrchovo upravených a vrstvených materiálov.
Pri vymedzení pojmu „mikro“-zváranie budeme vychádzať z predpokladu, že charakteristické rozmery roztavených a tepelne ovplyvnených objemov sú rádovo v mikrometroch – reálne ide o desiatky až stovky mikrometrov, ale zjednodušene možno uvažovať o submilimetrových škálach. Vzhľadom na dynamiku fyzikálnych procesov (ohrev, tavenie, tuhnutie, fázové premeny zváraných materiálov) pri takýchto objemoch treba uvažovať o milisekundových až mikrosekundových a kratších časových intervaloch.
Metalurgické aspekty laserového zvárania
Z hľadiska fyzikálno-metalurgických aspektov vzniku spoja možno považovať laserové zváranie za klasický tavný spôsob so štandardným tepelným cyklom obsahujúcim ohrev zváraných materiálov, vývin zvarového kúpeľa po ktorom nasleduje chladnutie spojené s odvodom tepla do okolia. Oproti tradičným metódam tavného zvárania (s využitím elektrického oblúka) sa podstatne odlišuje dynamikou, ale hlavne objemom zvarového kúpeľa čo prináša mnohé špecifické odlišnosti, ktoré ešte viac vystupujú do popredia v prípade laserového mikrozvárania.
Energia potrebná pre ohrev a roztavenie 1 mm3 bežných kovových materiálov sa pohybuje rádovo v jednotkách Joulov. Na roztavenie rádovo mikro-objemov je potrebné zabezpečiť vysokú lokalizáciu energie súčasne v priestore a čase, aby bol ohrev rýchlejší ako sa vyvinuté teplo odvedie do okolia. Unikátnou vlastnosťou laserového žiarenia je schopnosť koncentrovať energiu na malú plochu a súčasne vyžiariť energetickú dávku vo veľmi krátkom čase. V súčasnosti používané lasery so strednou kvalitou zväzku dokážu emitovať kruhové priemery sfokusovaných stôp s priemerom rádovo 0,05 – 0,1 mm.
Numerické modely, potvrdené experimentmi naznačujú, že na účinný lokálny ohrev a roztavenie oceľových materiálov je potrebné, aby výkonová hustota presahoval úrovne 105 – 106 W.cm-2 [1]. Pri predpoklade, že žiarenie dopadá na kruhovú plochu s priemerom okolo 0,05 mm je potom potrebné zabezpečiť tepelný príkon do materiálu rádovo v stovkách W. V prípade zvárania malých súčiastok s hmotnosťou v gramoch, prípadne desiatkach gramov takýto príkon po krátkom čase spôsobí ich nadmerný ohrev a tak je potrebné laserové žiarenie dávkovať v krátkych časových intervaloch – impulzoch. Počas trvania impulzu je do materiálu vnesená dávka energie presne potrebná na pretavenie mikroobjemu a súčasne je na krátky časový interval zabezpečená potrebná úroveň výkonovej intenzity, pričom celkový energetický prínos zostáva na minimálnej úrovni bez nadmerného ohrevu zváranej súčiastky. Na obr. 1 je zobrazený sled impulzov s približne obdĺžnikovým tvarom.
TU BUDE OBRÁZOK 1
Obr. 1 Schematické znázornenie impulzného žiarenia
Pri zvážení vyššie uvedených podmienok (laserové žiarenie dopadá na plochu 10-4 cm2) sa dá odhadnúť maximálna dĺžka impulzu s energiou 1 J, tak by ešte bola dosiahnutá výkonová hustota 106 W.cm-2 pomocou vzťahu:
ㅤㅤㅤㅤㅤㅤㅤ1 J
t = ———————————— = ~ 10-2 sekundy
ㅤㅤㅤ10-4 cm2 . 106 W.cm-2
Z tohto odhadu vyplýva, že na lokalizované pretavenie oceľových materiálov sfokusovaným laserovým žiarením by mali byť použité impulzy s dĺžkou rádovo v desiatkach milisekúnd, prípadne kratšie.
Táto podmienka naznačuje, že v prípade laserového mikrozvárania pôjde o veľmi krátky tepelný cyklus, pri ktorom sa zvarový kov ohrieva a tuhne za krajne nerovnovážnych podmienok s prudkými tepelnými gradientami na rozhraní oblastí s fázovými premenami. Výsledkom je prítomnosť nerovnovážnych fázových štruktúr, následkom čoho sú zvarové spoje náchylné na praskavosť. Vhodnou úpravou časového priebehu laserového impulzu je možné dosiahnuť „zmäkčenie“ tepelného cyklu a tým do určitej miery priblížiť ohrev a tuhnutie zvarového kovu k rovnovážnej dynamike. Voľne generovaný, neriadený impulz má zväčša obdĺžnikový tvar so strmým nábehom a dobehom (obr. 1). Pridaním nábehovej časti, dobehovej (prípadne vyžiarenie série na seba nadväzujúcich impulzov), alebo ich vzájomnou kombináciou vzniká impulz so žiadaným časovým priebehom [2, 3], pričom tieto časti slúžia ako predohrev, prípadne dohrev. Pre úspešné zváranie materiálov s nízkou teplotou tavenia, nízkou reflexiou, a vysokým obsahom ľahko prchavých legúr je výhodný impulz s pomalým stupňovitým nábehom (obr. 2a). Pomalý dobeh impulzu (obr. 2b) je vhodný pre materiály, ktoré tvoria krehké fázy s rizikom vzniku prasklín buď v oblasti zvarového kovu, alebo v tepelne ovplyvnenej oblasti. Obr. 2c predstavuje sériu impulzov, ktoré obsahujú všetky tri zložky upraveného cyklu.
TU BUDE OBRÁZOK 2
Obr. 2 Časové priebehy tvarovo upravených impulzov laserového žiarenia (A – nábehová časť impulzu, B – zváracia časť impulzu, C – dobehová časť)
Skracovanie dĺžky laserových impulzov je výhodný spôsob ako zvýšiť okamžitý výkon a dosiahnuť požadovanú výkonovú hustotu aj s nižšou energiou impulzu a tým ešte viac minimalizovať celkový energetický prínos. Táto alternatíva má opodstatnenie iba v obmedzenej miere, pretože zvyšujúca sa dynamika tepelného cyklu prináša nové efekty, ktoré bránia úspešnému vzniku zvarového spoja. Pri výkonových intenzitách prekračujúcich 108 W.cm-2 (zodpovedajú tomu impulzy s dĺžkou rádovo 10-3 sekundy a menej) tepelná vlna, ktorá sa šíri zvarovým kúpeľom spolu s intenzívnym vývinom pár nadobúda charakter (mikro)explózie. Následkom toho dochádza k rozstreku roztaveného kovu a tieto režimy sú už vhodné pre dierovanie materiálov [4]. Pokračujúce skracovanie impulzov (zvyšovanie výkonovej intenzity) vedie k zvyšovaniu podielu odparenej zložky, zaniká podiel taveniny a intenzívne ožiarenie povrchu materiálov impulzmi s kratšími ako nanosekundy vedie k efektu ablácie [5, 6].
Doplniť nejaké video zo Solaru + záznam z osciloskopu
Obr. 3 Video + osciloskop
Aplikácie laserového mikrozvárania
Laserové mikrozváranie je s úspechom široko používané pri výrobe miniatúrnych súčiastok v jemnej mechanike a elektrotechnike. Rovnako úspešne je využívané pri „makro“ súčiastkach, keď umožňuje pripájanie jemných drôtikov a súčastí obsahujúcich tenké plechy. Jeho výhodou je nízky tepelný príkon v úzko ohraničenej oblasti. Nepatrný tepelný príkon spôsobuje minimálne napätia a deformácie v okolí zvarových spojov. Ďalšou veľkou výhodou je nekontaktnosť a schopnosť laserového žiarenia pôsobiť „na diaľku“, vďaka čomu je vhodné pre spoje na veľmi ťažko prístupných miestach.
Okrem nasadenia v sériovej výrobe má laserové mikrozváranie veľkú obľubu ako ručne ovládaná technológia v klenotníctve, výrobe prototypov, prípadne kusových výrobkov špeciálneho určenia (v zdravotníctve, stomatológii, …). Veľmi často je používané na spájanie a opravy lomom poškodených súčiastok.
Významnú aplikačnú oblasť pre laserové mikrozváranie tvorí naváranie a renovácia tvárniacich nástrojov, prípadne iných funkčných častí strojov. Takýto prístup má hlavne ekonomický význam, keď ide o veľmi drahé a unikátne výrobky, často so zvláštnym tepelným spracovaním (tvarovo zložité, alebo masívne tvárniace nástroje, lopatky turbín [8,9] a pod.), Pri použití tradičných metód oblúkového navárania je vysoké riziko narušenia tejto štruktúry, prípadne tvarov a rozmerov účinkom nadmerne vneseného tepla. Poškodená časť je navarená s využitím prídavného materiálu vhodného chemického zloženia s minimálnym rizikom porušenia pôvodnej tepelne spracovanej štruktúry okolia. Keďže v praxi ide najčastejšie o povrchovo zakalené materiály, návar vďaka rýchlemu odvodu tepla masívnym okolím získa okamžite zakalenú štruktúru.
Laserové mikrozváranie je veľmi univerzálne z hladiska druhov zvarových spojov (zvary na tupo, prievarové zvary, spájanie materiálov s rozličnými hrúbkami), zváracích polôh a materiálov.
Na obr. 4 je demonštrovaný zvarový spoj na tupo dvoch žiletkových čepelí s hrúbkou približne 0,07 mm pomocou impulzného laserového zvárania.
Dorobiť nove zábery tej ziletky
Obr. 4 Zvar na tupo žiletkových čepelí impulzným laserovým zváraním (impulzný Nd:YAG laser, dĺžka impulzu 20 ms, energia 2,5 J). a – strana dopadu žiarenia, b – koreň zvaru, c – rez naprieč zvarovým spojom, hrúbka materiálu 0,07 mm.
|
|
|