Transcript zastosowanie_lasera_w_technologiach_spawalniczych

1
Przygotował: Cezary Roczniak
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
2
plan prezentacji
Co to jest laser ?
Historia rozwoju technologii laserowej
Rodzaje laserów stosowanych w
procesach technologicznych.
Zastosowanie laserów
Pokazy światła laserowego
na Wałach von Plauena w Malborku
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
3
co to jest laser
Słowo LASER oznacza:
Wzmocnienie Światła
Przez Wymuszoną Emisję Promieniowania
by
of
Light
Amplification
Stimulated
Emission
Radiation
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
4
co to jest laser
Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej.
Promieniowanie lasera ma właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do
osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Ma ono postać wiązki o
bardzo małej rozbieżności.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
5
co to jest laser
W skład wszystkich laserów wchodzą trzy podstawowe elementy:
ośrodek czynny (wzmacniający światło),
układ pompujący,
układ luster tworzący komorę rezonatora optycznego.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
6
co to jest laser
Ośrodek czynny – Materiał aktywny lasera (Laser-Aktives Material LAM)
Zdolność magazynowania energii przez nanosekundy (inwersja)
Zdolność emisji promieniowania (emisja stymulowana)
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
7
co to jest laser
Metody wzbudzania (pompowania) lasera
Elektryczne wyładowanie gazowe (DC lub AC)
Naświetlanie promieniowaniem
Pole elektryczne (Niskie napięcie DC)
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
8
co to jest laser
Właściwości wiązki laserowej
duża gęstość mocy
monochromatyczność
równoległość
spójność (koherencja)
polaryzacja liniowa
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
historia rozwoju technologii laserowej
Teoria procesu
emisji i absorpcji
Maser
Laser rubinowy (693 nm)
promieniowania
(micro wave amplification
działający w trybie
elektromagnetycznego by stimulated emission)
impulsowym
(Theodore Harold Maiman)
przez atomy
(Charles H. Townes)
(Albert Einstein)
1917
1954

1960
Laser He-Ne
(A. White)
l = 633nm
Laser neodymowy
(L.F. Johnson)9
1962
Pierwszy laser
gazowy CO2
(C. Kumar N. Patel)
Pierwszy polski laser HeNe skonstruowany
przez WAT
1963
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844903
historia rozwoju technologii laserowej
Pierwszy laser
Nd:YAG
(J.E. Geusic)
Pierwszy laserowy
wskaźnik celu zostaje
użyty na wojnie w
Wietnamie
Prezydent
Ronald Reagan ogłasza
inicjatywę obrony
strategicznej zwaną
„wojnami gwiezdnymi” lasery umieszczone na
orbicie
1965
1972
1983

Pojawia się nowy
standard płyt Blue-ray
2006
Pierwszy laser
o mocy 10 Peta Watów
(1015) zbudowany
w Kalifornii na potrzeby
eksperymentalnego
reaktora
termojądrowego
2010
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 84410
03
1
1
rodzaje laserów stosowanych
w procesach technologicznych
Najważniejszy podział laserów, to podział ze względu na zastosowany materiał
aktywny:
lasery gazowe
lasery na ciele stałym
lasery półprzewodnikowe
lasery na cieczy
lasery na wolnych elektronach
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
2
rodzaje laserów stosowanych
w procesach technologicznych
Stały rozwój techniki laserowej powoduje, że dzisiaj dysponujemy ogromna liczbą
typów laserów, które mogą emitować światło o niemal dowolnej długości fali.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
3
lasery gazowe
Excimer
 = 0.19 - 0,35 µm PL = 10 W - 1.000 W
CO2
 = 10.6 µm PL = 1 W - 20.000 W
HeNe
 = 0.63 µm, PL = 1 mW - 10 mW
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
14
lasery gazowe
LASER CO2
Zalety
zwarta budowa
zintegrowane chłodzenie gazu
stabilność termiczna
wysoka jakość wiązki laserowej
moc 700-20000W
cięcie do 45mm
spawanie do 15mm
długość fali 10,6µm
Wady
układy mechaniczne prowadzenia wiązki
mała średnica ogniska wiązki laserowej
prowadzenie promienia przez lustra
konieczność intensywnego chłodzenia
brak mobilności
wysokie koszty eksploatacji
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
5
lasery na ciele stałym
Lasery na ciele stałym są to lasery, których ośrodek czynny jest:
kryształem i ciałem amorficznym
dielektrykiem i półprzewodnikiem
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
6
lasery na ciele stałym
Do pompowanie laserów na ciele stałym najczęściej wykorzystywane są źródła
światła białego typu lampa błyskowa lub światłem diod półprzewodnikowych
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
7
lasery na ciele stałym
LASERY PRĘTOWE
Elementem czynnym laserów jest kryształ Y3Al5O12 –YAG (Yttrium Aluminum Garnet )
lub szkło kwarcowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich
T
r
Paraboliczny profil temperaturowy
Chłodzenie boczne
pompowanie boczne
Lasery prętowe pompowane lampowo lub diodowo
Pmax = 4 kW  6 kW, sprawność ok. 26 % ,  = 1060 nm
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
8
lasery na ciele stałym
LASERY DYSKOWE
Pompowanie
quasi doczołowe
T
r
Płaski profil temperaturowy
Lasery dyskowe pompowane diodowo
Pmax  16 kW, sprawność ok. 25 %,  = 1030 nm
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
1
9
lasery na ciele stałym
LASERY DYSKOWE
zwarta budowa
stabilność termiczna
stabilność mechaniczna
wysoka jakość wiązki
zintegrowany układ chłodzenia
stabilność długookresowa
moc 1000-16000 w
do 6 wyjść
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
20
zastosowanie laserów
(Moc, jakość wiązki, długość fali)
Strumień mocy [W/cm²]
Procesy wynikają ze złożenia czasu i intensywności promieniowania
Wiercenie
108
Cięcie
Spawanie
Stapianie
106
Hartowanie
104
10-8
10-6
10-4
10-2
100
Czas oddziaływania [s] (posuw, długość pulsu)
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
21
cięcie laserowe
Jednym z pierwszych zastosowań
promienia laserowego związanego
z obróbka metali i spawalnictwem
było ciecie laserowe.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
22
cięcie laserowe
MODEL PROCESU
Gaz tnący
0,2-25 bar
Cięcie z odparowaniem
promień lasera
kanał gazodynamiczny
obszar stopiony
strefa wpływu ciepła
Stopiony materiał
Cięcie ze spalaniem
 Gaz tnący: O2
 Głównie stal konstrukcyjna
 Duża wydajność
(do 80% energii cięcia z reakcji
egzotermicznej)
 Utlenione krawędzie
Cięcie ze stapianiem
 Gaz tnący: N2
 Głównie stal szlachetna, metale lekkie i
kolorowe
 Stal konstrukcyjna do pokrywania
proszkowego
 Nie utlenione krawędzie
 Mniejsza prędkość cięcia
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
23
cięcie laserowe
ZALETY
duże prędkości i precyzja cięcia
możliwość cięcia większości materiałów
wydrążony laserowo poliamid
cięcie 2D i 3D
wysokiej jakości powierzchnia po cięciu
grubość cięcia do 45 mm.
stal konstrukcyjna - skala możliwości
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
24
cięcie laserowe
PRZYKŁADY
osłona kabla
elementy implantów medycznych
elementy precyzyjne
precyzyjne elementy zatrzaskowe
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
25
cięcie laserowe
PRZYKŁADY
poszycie drzwi samochodowych
ciecie 3D
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
26
napawanie laserowe
Napawanie stosuje do naprawiania lub
modyfikacji istniejących elementów oraz
uszlachetniania powierzchni.
Napawanie laserowe daje możliwość
precyzyjnego wytworzenia funkcjonalnych
warstw wierzchnich o dokładnie
kontrolowanej grubości oraz doskonałych
własnościach użytkowych, takich jak
odporność na ścieranie, erozję, korozję,
kawitację i agresywne chemicznie
środowisko.
Możliwe jest precyzyjne napawanie
wszystkich znanych materiałów
konstrukcyjnych, takich jak:
stale nierdzewne,
stopy kobaltu (stellity),
stopy na bazie niklu i chromu,
węgliki chromu i wolframu.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
27
napawanie laserowe
PRZYKŁADY
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
28
spawanie laserowe
MODEL PROCESU
Gaz osłonowy
2-10 l/min
promień lasera
kanał gazodynamiczny
obszar stopiony
strefa wpływu ciepła
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
29
spawanie laserowe
Zalety technologii
Zalety procesu produkcyjnego
Duża prędkość spawania
Elastyczność (geometria, materiał)
Minimalna strefa oddziaływania
Niskie koszty przy wysokiej
Wąski spaw przy dużej głębokości
produktywności
Minimalne obciążenie termiczne detalu
Wysoka jakość (brak dodatkowej obróbki)
Mała strefa oddziaływania cieplnego
Automatyzacja
Minimalne odkształcenie dzięki małej
Pewność pracy
ilości ciepła
Możliwość integracji w istniejące linie
Obróbka bezkontaktowa, bez
produkcyjne
oddziaływania siły
Proste sterowanie przez CNC
Możliwość uzyskania nieutlenionych
Proste systemy mocowania (obróbka bez
krawędzi
naprężeń)
Bez materiału dodatkowego
Minimalne zanieczyszczenia
Elastyczność łączenia
Możliwość łączenia z innymi metodami
spawania
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
30
spawanie laserowe
DOBÓR PARAMETRÓW URZĄDZENIA
Czynniki wpływające na
głębokość przetopu:
moc lasera
jakość promienia
ogniskowa
posuw
materiał
spoina
Prędkość spawania [m/min]
Moc lasera w kW x 2 = głębokość spawu w mm przy przesuwie 1 m/min
22
Uwaga:
Jakość spawania zależy
od materiału i urządzenia
20
18
TLF 20000
TLF 12000
TLF 8000
TLF 6000
TLF 5000
TLF 4000
TLF 3200
TLF 2700
TLF 2000
TLF 1500
TLF 700
Warunki spawania:
Spoina
Gaz ochronny: Ar , He
Bez drutu
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Głębokość spoiny (grubość blachy) [mm]
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
30
31
spawanie laserowe
SPAWANIE LINIOWE I PUNKTOWE
Spawanie laserowe umożliwia łączenie
pojedynczymi impulsami lasera lub w trybie
ciągłym.
Praca w trybie ciągłym
W tym trybie pracy aktywne medium jest
nieustannie wzbudzane, generując
nieprzerwany promień lasera.
Tryb impulsowy
W trybie impulsowym aktywne medium nie jest
wzbudzane nieustannie, lecz impulsowo.
Promień lasera jest emitowany z przerwami.
Ważnymi parametrami do obróbki materiału są
tutaj czas trwania i energia takiego impulsu
lasera, a także częstotliwość pulsowania.
Spawanie laserowe rury ściegiem ciągłym
Laserowe spawanie punktowe lampy ksenonowej
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
32
spawanie laserowe
SPAWANIE Z GŁĘBOKIM WTOPIENIEM
Do procesu spawania z głębokim wtopieniem
niezbędne są bardzo wysokie skupienia mocy
rzędu około 1 MW na centymetr kwadratowy.
Wówczas promień lasera nie tylko topi metal,
lecz powoduje także jego parowanie.
Głębokość spojenia jest do 10 razy większa od
jego szerokości i może wynosić nawet 25 mm.
Dzięki dużej prędkości obróbki strefa
oddziaływania wysokiej temperatury jest mała,
a odkształcenie nieznaczne.
Metoda jest stosowana tam, gdzie wymagane
są duże głębokości spawania lub jednoczesne
zgrzewanie kilku warstw materiału
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
33
spawanie laserowe
ROBOTY SPAWALNICZE
Spawanie laserem jest procesem, który bardzo
łatwo daje się zrobotyzować. W związku z tym
w powszechnym użyciu, szczególnie przy
dużych seriach produkcyjnych, są roboty
spawalnicze.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
34
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – MOTORYZACJA
karoseria
zespół napędowy
przekładnie
wały napędowe
układ jezdny
bezpieczeństwo
poduszki powietrzne
układy wydechowe
elektronika
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
35
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – MOTORYZACJA
Spawanie tłumików
materiał: stal kwasoodporna
do 6 zespawanych powłok
spawanie do 4 mm
prędkość spawania do 6 m/min
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
36
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – KONSTRUKCJE NOŚNE
Parametry:
materiał: stal niskostopowa
długość: 2400mm
grubość: 3mm
laser:
TLF 4000 turbo
przesuw: v = 2 m/min
Dodatek drutu ze względu na szerokość
szczeliny.
Zalety: minimalne odkształcenia,
dostępność, automatyzacja, pewność
procesu
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
37
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – HYDRAULIKA
Parametry:
materiał: Stal kwasoodporna
masa:
2 - 75 kg
głębokość: 5 - 6 mm
laser:
TLF 3800 turbo
przesuw: v = 1 m/min
Zalety: oszczędność materiału, krótki czas
produkcji, mało prac dodatkowych, pewność
procesu
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
38
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – WYMIENNIKI
Zalety:
wytrzymałość na rozciąganie
wysoka prędkość spawania
spoina wielokrotna
szczelność spawu
minimalne odkształcenia
Obszary zastosowania:
przemysł spożywczy
przemysł chemiczny
przemysł petrochemiczny
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
39
spawanie laserowe
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – BRANŻE
samochody
pojazdy szynowe
stocznie
lotnictwo
przemysł ciężki
AGD
petrochemia
budownictwo
klimatyzacja,
wentylacja
telekomunikacja
przemysł elektroniczny
technika medyczna
budowa maszyn
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
40
inne obszary zastosowań lasera
WIERCENIE
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
41
inne obszary zastosowań lasera
ZNAKOWANIE
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
42
inne obszary zastosowań lasera
UTWARDZANIE POWIERZCHNII
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
43
inne obszary zastosowań lasera
TECHNOLOGIA BLU RAY
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
44
inne obszary zastosowań lasera
ZBROJENIA
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
45
inne obszary zastosowań lasera
MEDYCYNA
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
46
inne obszary zastosowań lasera
CIEKAWOSTKI
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
47
zakończenie
Technika laserowa to nie tylko cięcie czy spawania. To także rozrywka, uzbrojenie,
medycyna zarówna ta ratująca życie jak i ta kosmetyczna.
Laser to metrologia i meteorologia, chemia, biologia i archeologia.
Laser to także telekomunikacja i…
Dziękuję za uwagę.
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57