Lasersko varjenje spaja kovinske dele tako, da se koncentriran laserski žarek izostri na spoj. Žarek stali ozko območje materiala na obeh straneh stika, staljena kovina se zlije in strdi, deli pa postanejo celota. Ker se energija dovaja v zelo majhno točko, se okoliški material segreje veliko manj kot pri obločnem varjenju — kar pomeni manjšo deformacijo, ožje toplotno vplivano področje in čistejši zvar, ki pogosto potrebuje le malo brušenja ali pa nič. Posebej primerno je za tanko pločevino, nerjavno jeklo in natančne podsklope, najbolj enakomerne rezultate pa daje, ko varilno glavo vodi robot.

V nadaljevanju pojasnimo, kako postopek deluje, kako se primerja z varjenjem TIG in MIG, kje so njegove meje in kako ga uporabljamo v lastni robotski varilni celici v Pragi.

Kako deluje lasersko varjenje

Sodoben sistem za lasersko varjenje ima tri dele: laserski vir, pot prenosa žarka in varilno glavo.

Vir. Večina industrijskega laserskega varjenja danes poteka z vlakenskim laserjem, pri katerem žarek nastaja v optičnem vlaknu. Vlakenski laserji so kompaktni in učinkoviti ter dajejo žarek, ki ga je mogoče zelo ozko izostriti.
Prenos. Žarek potuje po upogljivem optičnem kablu do varilne glave. Prav zato je glavo praktično namestiti na robotsko roko.
Glava. Optika izostri žarek na spoj. Zaščitni plin varuje talino pred atmosfero, glede na vrsto spoja pa je mogoče v zvar dovajati dodajno žico.

Dva načina varjenja

Lasersko varjenje poteka v dveh osnovnih režimih:

Kondukcijski režim. Pri manjši gostoti moči se stali površina, toplota pa se v material širi s prevajanjem. Rezultat je plitev, širok in zelo gladek zvar — primeren za vidne spoje in tanek material.
Režim ključavnice (keyhole). Pri večji gostoti moči kovina lokalno izpari in tvori ozko votlino, tako imenovano ključavnico, skozi katero žarek prodre globoko v spoj. Rezultat je globok, ozek zvar z majhnim toplotno vplivanim področjem.

Kateri režim se uporabi, je odvisno od moči, gorišča in hitrosti varjenja; izbere se glede na konkreten spoj in material.

Lasersko varjenje v primerjavi z varjenjem TIG in MIG

Vsak postopek ima svoje mesto. Spodnja primerjava je kvalitativna — dejanske vrednosti so odvisne od materiala, debeline, konstrukcije spoja in opreme.

	Lasersko varjenje	TIG	MIG / MAG
Vnos toplote	Nizek, koncentriran	Zmeren	Višji
Deformacija tanke pločevine	Nizka	Zmerna	Višja
Videz zvara	Ozek, čist	Zelo čist, če vari izkušen varilec	Širši, morda potrebuje dodelavo
Brušenje po varjenju	Minimalno	Zmerno	Pogosto potrebno
Brizgi in UV-sevanje	Brez UV-sevanja obloka, brez brizgov	UV-sevanje obloka	UV-sevanje in brizgi
Zahteve glede prileganja spoja	Stroge	Blažje	Najblažje, premosti reže
Poraba dodajnega materiala	Nizka	Zmerna	Visoka
Primerno za	Tanko pločevino, nerjavno jeklo, natančne podsklope	Kakovostne ročne zvare	Debelejše prereze, veliko količino depozita
Avtomatizacija	Zelo primerno za robote	Mogoča	Zelo razširjena

Kje lasersko varjenje zmaga

Tanka nerjavna pločevina. Nizek vnos toplote pomeni, da paneli ostanejo ravni, zvar pa se manj obarva. Manj ravnanja, manj brušenja, manj popravil.
Vidni zvari. Ozek, enakomeren zvar, ki potrebuje minimalno dodelavo.
Natančni podsklopi. Kadar deli prihajajo iz natančne verige obdelave pločevine, je prileganje dovolj dobro, da laser pokaže vse, kar zmore — sklop pa po varjenju ohrani mere.
Ponovljivost. Na robotu vsak zvar sledi isti poti z isto hitrostjo. Ta doslednost je pomembna pri delih, ki so dolgo izpostavljeni cikličnim obremenitvam.

Kje ni prava izbira

Pošten članek mora povedati tudi, kdaj je lasersko varjenje napačna izbira:

Slabo prileganje. Žarek je ozek. Široke ali neenakomerne reže, ki jih varilec MIG zlahka premosti, so lahko za laser težava. Lasersko varjenje nagrajuje natančne dele in kaznuje površne.
Debeli prerezi in težke konstrukcije. Pri zelo debelih ploščah ali delu z veliko količino depozita so obločni postopki pogosto praktičnejši.
Močno odbojne kovine. Materiali, kot sta aluminij in baker, odbijejo velik del žarka ter zahtevajo ustrezne parametre in izkušnje.
Cena opreme in varnost. Laserski sistemi so dražji od obločnih varilnih aparatov, sam laser pa je resna nevarnost, ki jo je treba obvladovati v skladu s pravili laserske varnosti. Odsotnost UV-sevanja obloka in brizgov ne pomeni, da je žarek neškodljiv.

Kako trden je laserski zvar?

Trdnost je odvisna od konstrukcije spoja, globine provaritve, materiala in kakovosti izvedbe — ne zgolj od imena postopka. Dobro zasnovan, popolnoma provarjen laserski zvar je lahko polno nosilen konstrukcijski spoj; zvar na slabo prilegajočem se spoju pa ne bo. Zato ne navajamo splošnih vrednosti trdnosti. Spoj zasnujemo za konkreten obremenitveni primer in izdelujemo varjene nosilne podsklope za deset in več let cikličnih obremenitev.

Zakaj naj glavo vodi robot

Laser je natančen, a le toliko, kolikor je natančna pot, ki ji sledi. Zato je naše lasersko varjenje robotizirano.

V naši celici varilno glavo z vlakenskim laserjem IPG LightWELD XR nosi kolaborativni robot FANUC CRX. Nekateri naši kolaborativni roboti CRX se premikajo po linearni progi kot sedmi osi, tako da en robot pokrije celotno delovno območje — vključno z dolgimi okvirji in velikimi paneli. Pot vodi 3D-kamera, varjenje pa lahko poteka pod nadzorom ali avtonomno. Robot vsakič drži natančno pot pri natančni hitrosti — in prav od tod izvirata majhna deformacija in ponovljivost.

Isti roboti ne le varijo: samodejno sestavljajo podsklope in strežejo stroju Mazak CNC ter drugim strojem. Varjeni okvir lahko tako prestane upogibanje, varjenje in strojno obdelavo, ne da bi zapustil isto ekipo. Podrobnosti so na strani o tehnologiji.

Lasersko čiščenje pred varjenjem in po njem

Kakovost zvara se začne pred varjenjem. Olja, oksidi in površinske plasti na spoju lahko povzročijo poroznost in neenakomeren zvar. Naš potek dela vključuje lasersko čiščenje spoja pred varjenjem in lasersko čiščenje zvara po njem kot del istega postopka, zato je površina pripravljena, rezultat pa dokončan brez ločene poti na drugo delovno mesto.

Pri nerjavnem jeklu so obarvanja po varjenju in površinski oksidi stalna tema. Eden od naših referenčnih projektov je ročna elektrokemična čistilna pištola, zasnovana prav za to nalogo — najdete jo na strani s projekti.

Konstruiranje dela za lasersko varjenje — kontrolni seznam

Načrtujte natančno prileganje. Reže naj bodo majhne in enakomerne; natančno upogibanje in štancanje v prejšnjih korakih se tu obrestujeta.
Vrsto spoja izberite zgodaj. Sočelni, prekrivni, kotni in robni spoji se obnašajo različno; povejte nam, kakšno obremenitev prenaša spoj.
Zagotovite dostop za glavo. Robot potrebuje prost pogled na spoj in prostor za gibanje vzdolž zvara.
Označite vidne zvare. Če je zvar estetsko pomemben, to navedite — od tega je odvisno, kako ga nastavimo in dodelamo.
Razmislite o vpenjanju. Samopozicionirni elementi, kot so jezički in reže, olajšajo namestitev sklopov in zmanjšajo delo z vpenjali.
Navedite material in stanje površine. Nerjavno jeklo, konstrukcijsko jeklo, s premazom ali brez — vsako potrebuje svoje parametre.

Pogosta vprašanja

Za kaj se uporablja lasersko varjenje?

Uporablja se povsod, kjer so potrebni natančni spoji z majhno deformacijo — za sklope iz tanke pločevine, ohišja in okvirje iz nerjavnega jekla, nosilne podsklope in dele z vidnimi zvari. Mi ga uporabljamo za okvirje, panele in podsklope strojev, ki jih izdelujemo.

Ali je lasersko varjenje trdnejše od varjenja TIG ali MIG?

Ne po definiciji. Trdnost izhaja iz konstrukcije spoja, globine provaritve in izvedbe. Laserski zvar je lahko polno nosilen; njegova prednost sta majhna deformacija in ponovljivost, ne oznaka „trdnejšega“ postopka.

Ali lasersko varjenje potrebuje dodajno žico?

Ne vedno. Nekateri spoji se varijo brez dodajnega materiala, pri drugih se uporablja žica. Lasersko varjenje na splošno porabi manj dodajnega materiala kot obločno varjenje.

Ali je lasersko varjenje primerno za tanko nerjavno jeklo?

Da — to je ena njegovih najmočnejših uporab. Nizek vnos toplote ohranja tanke panele ravne in omejuje obarvanje.

Ali varite posamezne dele ali samo serije?

Oboje. Naša celica je opremljena za posamezne kose in male serije, tako kot preostale naše zmogljivosti.

Naslednji korak

Če imate varjeni sklop, ki mora ostati raven, biti videti čist in leta prenašati obremenitve, nam pošljite model in povejte, čemu je namenjen. Pregledali bomo spoje, prileganje in zaporedje varjenja ter vam povedali, ali je lasersko varjenje pravi postopek — ali ni. Pišite nam.

Lasersko varjenje: kako deluje, kako trden je zvar in kdaj naj glavo vodi robot