Svařování vláknovým laserem: Nový referenční standard pro účinné spojovací technologie při zpracování nerezové oceli

V průmyslových oblastech, jako je zpracování nerezové oceli, zařízení pro jadernou energii a výroba automobilů, je svařování klíčovým procesem, který zajišťuje těsnost a pevnost komponentů. Tradiční svařovací technologie trpí problémy, jako je nerovnoměrná pronikavost svaru, velký tepelný příkon a nízká účinnost. Sváření vlákenným laserem , která se vyznačuje výhodami hlubokých svárů, vysokou rychlostí a vysokou úrovní automatizace, se stala preferovaným řešením pro svařování nerezové oceli. Jako klíčové zařízení pro laserové svařování přímo určuje výkon a optimalizace parametrů vláknových laserů kvalitu svařování a podporují tak rozvoj laserového svařování jako jedné z nejslibnějších pokročilých technologií spojování ve 21. století.

Svařování vláknovým laserem je technologie spojování, která využívá vysokoenergetické laserové svazky vyzařované vláknovými lasery k dosažení spojení kovů prostřednictvím tepelné vodivosti nebo hlubokého průniku. Ve srovnání s tradičními procesy, jako je obloukové svařování nebo třecí svařování, nabízí významné výhody: vysokou elektro-optickou převodní účinnost a nízké ztráty energie; vynikající kvalitu svazku, která při zaostření umožňuje dosáhnout extrémně vysoké hustoty energie a vytvořit svarové švy s velkým poměrem hloubky ku šířce; nízký tepelný příkon, který snižuje deformace při svařování a zachovává vlastnosti podkladového materiálu z nerezové oceli; nepotřebuje vakuumové prostředí; a vysokou rychlost svařování vhodnou pro sériovou výrobu.

Svařování vláknovým laserem se hlavně dělí na dva režimy: svařování vedením tepla a hluboké svařování. Svařování vedením tepla má nízkou hustotu výkonu (méně než 10⁴–10⁵ W/cm²), mělkou pronikavost a pomalou rychlost, což je vhodné pro spojování tenkých součástí z nerezové oceli. Hluboké svařování má vysokou hustotu výkonu (více než 10⁵–10⁷ W/cm²), při němž se na povrchu kovu vytvoří tzv. „klíčová díra“ (keyhole) a teplo se efektivně přenáší prostřednictvím této klíčové díry. Vyznačuje se vysokou rychlostí svařování a hlubokou pronikavostí, čímž dokonale vyhovuje požadavkům na svařování středně a silně tlustých trubek a plechů z nerezové oceli. Při zpracování nerezové oceli umožňuje svařování vláknovým laserem účinně předejít vadám, jako je neúplné průvaření či nerovnoměrné svary, které se vyskytují u tradičních svařovacích metod, a zajišťuje tak těsnost a strukturální stabilitu součástí. Je široce využíváno v oblastech s přísnými požadavky na kvalitu svařování, například v zařízeních pro jadernou energii a ve vesmírném průmyslu.

Kvalita svařování vláknovým laserem závisí především na přesné regulaci parametrů, jako je ohnisková vzdálenost a množství defokusu. Ohnisková vzdálenost je vzdálenost od ohniskového bodu laserového paprsku k čočce po průchodu fokuzující čočkou a má přímý vliv na průměr světelného bodu a na hustotu energie – průměr světelného bodu je úměrný ohniskové vzdálenosti. Příliš dlouhá ohnisková vzdálenost způsobuje rozptýlení energie, čímž se nepodaří dosáhnout účinného proniknutí; příliš krátká ohnisková vzdálenost naopak příliš koncentruje energii a může vést k poškození podkladového materiálu. Před skutečným svařováním je nutné ohniskový bod kalibrovat například metodou šikmého svařování se skenováním: svařovací hlavice se pohybuje laserem od nižší polohy k vyšší a nejužší část sváru odpovídá ohniskovému bodu, kde je hustota energie nejvyšší a svařovací účinek optimální.

Jako odchylka ohniskové vzdálenosti má množství defokusu výraznější vliv na proniknutí svaru. Množství defokusu označuje vzdálenost odchylky mezi ohniskem a povrchem obrobku během skutečného svařování a dělí se na kladný defokus (ohnisko nad povrchem obrobku) a záporný defokus (ohnisko pod povrchem obrobku). Experimenty ukazují, že záporný defokus spíše umožňuje dosáhnout většího proniknutí. Pokud je množství defokusu v rozmezí −4 mm až −2 mm, může proniknutí přesáhnout 2 mm, čímž jsou splněny požadavky na svařování nerezových trubek s tloušťkou stěny 2,5 mm. Naopak čím větší je vzdálenost kladného defokusu, tím mělčí je proniknutí. Při kladném defoku 4 mm činí proniknutí pouze 1,15 mm, což těžko splňuje požadavky na pevnost svaru. Například při svařování nerezových trubek může provoz podle teoretické ohniskové vzdálenosti uvedené v příručce zařízení vést k neúplnému proniknutí kvůli příliš velkému skutečnému množství defokusu. Po určení ohniskové vzdálenosti prostřednictvím skutečné kalibrace je proto nutné optimalizovat parametry záporného defokusu, aby byl dosažen ideální svařovací účinek.

Vlákenní laserové svařování dosáhlo zralých aplikací v různých průmyslových oborech a stalo se klíčovým krokem ke zlepšení kvality výrobků. V oblasti zpracování nerezové oceli lze toto svařování použít pro těsnění trubek a desek. Svarové švy jsou rovné a rovnoměrně pronikající, čímž je zajištěna spolehlivost komponentů za složitých provozních podmínek. V oblasti zařízení pro jadernou energii odpovídá vlákenní laserové svařování potřebám svařování přesných komponentů díky nízké deformaci a vysoké těsnosti, čímž splňuje přísné kvalitní normy. V automobilovém průmyslu a výrobě kolejových vozidel jeho výhody vysoké účinnosti a automatizace výrazně zvyšují výrobní efektivitu a snižují výrobní náklady.