SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA

ZVÝŠENIE ÚŽITKOVÝCH VLASTNOSTÍ

MATERIÁLOV NAVÁRANÍM

2010 Juraj Furka

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA

1125283

ZVÝŠENIE ÚŽITKOVÝCH VLASTNOSTÍ

MATERIÁLOV NAVÁRANÍM

Bakalárska práca

Študijný program: Prevádzková bezpečnosť techniky

Študijný odbor: Kvalita produkcie

Školiace pracovisko: Katedra kvality a strojárenskýc technológií

Školiteľ: Ing. Marián Bujna, PhD

Nitra 2010 Juraj Furka

Čestné vyhláseniePodpísaný Juraj Furka vyhlasujem, som záverečnú prácu na tému

„Zvýšenie úžitkových vlastností materiálov laserovým naváraním“ vypracoval

samostatne s použitím uvedenej literatúry.

Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú

pravdivé.

V Nitre 15. marca 2010

PoďakovanieĎakujem môjmu školiteľovi Ing. Mariánovi Bujnovi PhD, za jeho trpezlivosť,

odborné vedenie, podporu a pomoc, ktorú mi poskytol pri vypracovávaní tejto práce.

Abstrakt

V spolupráci s priemyselnou a poľnohospodárskou praxou je výskum a vývoj

zameraný do oblasti navárania a zvárania laserovým lúčom predovšetkým za účelom

predlžovania životnosti strojov alebo strojových súčastí, ktoré sú pri vysokom

pracovnom nasadení počas sezónnych prác vystavované nadmernému opotrebovaniu.

Naváranie laserovým lúčom sa používa na vytváranie povrchových vrstiev so

zvláštnymi vlastnosťami, či už sú to tribologické alebo antikorózne. Na tvorbu

povrchových vrstiev sa využívajú konvenčné ale aj progresívne metódy a aplikujú

konvenčné materiály ako i nové typy alebo formy materiálov so zlepšenými úžitkovými

a technologickými vlastnosťami. Na prehľad a popis týchto metód a materiálov je

zameraná táto práca.

Kľúčové slová: renovácia, naváranie, laser, laserové naváranie

Abstrakt

In collaboration with industrial and agricultural practice, research and development

focused in the field welding and laser beam welding especially for life extension

machinery or machinery parts, which are at high working line for seasonal workers

exposed to excessive wear. Laser welding beam is used to create surface layers with

specific characteristics, whether it tribological and anticorrosion. The formation of

surface layers using conventional and progressive methods and materials applied in

conventional as well as new types or forms of materials, with improved service and

technological properties. For an overview and description of these techniques and

materials that work is focused.

Key word: renovation, welding, laser, laser welding

Obsah

Obsah……………………………………………………..………………………........5

Zoznam ilustrácií……………………………………………………………………….6

Zoznam skratiek a značiek…………………………………………………………….7

Slovník termínov……………………………………..……………………………........8

Úvod……………………………………………………………………………………..9

1 Cieľ práce…………………………………………………………………….……10

2 Metodika práce……………………………………………………………………11

3 Výsledky práce………………………………………………………………….....12

3.1 Renovácia……………………………………………………………………..12

3.1.1 Renovácia na opravné rozmery………………………………………….......13

3.1.2 Renovácia na povodné rozmery……………………………………………..14

3.2 Naváranie………………………………………………………………....…..14

3.2.1 Konvenčné metódy navárania……………………………………………….16

3.2.2 Progresívne metódy navárania……………………………………...……….22

3.3 Laser……………………………………………………………………..……26

3.3.1 Princíp a vlastnosti lasera……………………………………………..……..26

3.3.2 Vlastnosti laserového žiarenia…………………………………………...…..27

3.3.3 Typy laserov………………………………………………………...……….28

3.3.4 Typy a možnosti navárania laserom…………………………………..……..31

3.3.5 Ochranné plyny.................................................................................................34

4 Predpokladaný prínos práce……………………………………………..……....37

5 Záver....…………….…………………………………………………………...…38

Zoznam použitej literatúry……………………………………………………….…..39

Zoznam ilustrácií

Obr. 1 Makroskopická štruktúra naváranej vzorky materiálu 15

Obr. 2 Naváranie plameňom 17

Obr. 3 Naváranie elektrickým oblúkom 18

Obr. 4 Automatické naváranie pod tavivom 20

Obr. 5 Naváranie v ochrannej atmosfére 21

Obr. 6 Bodové odporové naváranie 22

Obr. 7 Plazmové naváranie 23

Obr. 8 Naváranie trením 24

Obr. 9 Indukčné naváranie 1 24

Obr. 10 Indukčné naváranie 2 24

Obr. 11 Elektrónové naváranie 25

Obr. 12 Laserové naváranie 26

Obr. 13 Schéma lasera 27

Obr. 14 Príklady šírenia svetla 28

Obr. 15 Laserové hybridné zváranie 33

Zoznam skratiek a značiek

μ micro, 10-6

k kilo, 103

SI Système International

W watt, jednotka výkonu

A ampér, základná jednotka

prúdu SI sústavy

kg kilogram, základná jednotka

hmotnosti SI sústavy

Pa pascal, jednotka tlaku

m meter, základná jednotka

dĺžky SI sústavy

Slovník termínov

Zváranie – proces vyhotovovania nerozoberateľných spojov dosiahnutím

medziatómových väzieb za pôsobenia tepla alebo tepla a tlaku, prípadne len tlaku

a podľa potreby aj za použitia prídavného materiálu rovnakého alebo podobného

zloženia, schopného vytvoriť metalurgické spojenie so základným materiálom.

Zvariteľnosť - spôsobilosť materiálov, ktorá umožňuje zhotoviť zváraním, za

určitých technologických podmienok, zvarové spoje požadovaných vlastností.

Naváranie – nanášanie vrstvy kovu na povrch súčiastky pomocou tavného

zvárania

Svetlo je jedným z rôznych typov elektromagnetických vĺn, podobne ako napr.

rádiové vlny alebo röntgenové žiarenie. Vo fyzike sa svetlo popisuje pomocou vlnovej a

časticovej teórie, pričom obe tieto teórie sa navzájom dopĺňajú.

Vlnová dĺžka svetla - svetlo sa šíri v priestore ako vlna, podobne ako zvuk. V

prípade svetla ide však o kmity elektromagnetického poľa a nie o šírenie tlakových vĺn

ako je to pri zvuku, preto sa svetlo môže šíriť aj vo vákuu, zatiaľčo šírenie zvuku je

obmedzené na hmotné prostredia.

Energia svetla - dá popísať aj ako zväzok svetelných energetických kvánt -

fotónov. Každý fotón je charakterizovaný energiou Ef, ktorá je nepriamo úmerná jeho

vlnovej dĺžke a pre fotóny jednej vlnovej dĺžky je vždy rovnaká.

Optický výkon - je veličina charakterizujúca schopnosť zdroja vyžiariť určitou

rýchlosťou svetelnú energiu. Je udávaná celkovou energiou E všetkých fotónov

vyžiarených za určitý čas. Výkon žiarenia meriame vo Wattoch (W)

Intenzita svetla - udáva množstvo energie svetelného žiarenia, ktoré prejde za 1

sekundu jednotkovou plochou kolmou na smer šírenia svetla. Jej jednotkou je W/m2. Pri

laserovom zdroji je intenzita svetelného žiarenia v lúči daná podielom optického

výkonu lasera a plochy prierezu lúča.

Úvod

Problematika navárania nachádza široké uplatnenie v strojárskom priemysle pri

riešení problémov s opotrebovávaním, ktoré má negatívny vplyv na samotnú funkčnosť,

no predovšetkýn však životnosť súčiastok alebo nástrojov používaných v súvislosti

s poľnohospodárskou výrovou.

Naváranie je jedna z najpoužívanejších metód v súvislosti so zvyšovaním

životnosti. Či sa jedná o opätovné opravovanie už poškodených súčiastok alebo o

prevenciu pred poškodením a opotrebením, svojimi vlastnosťami výrazne zlepšuje

odolnosť súčiastok voči mechanickému opotrebovaniu, ktoré je ovlpyvňované nárazmi,

koróziou, ako aj ďalšími poverenrnostnými vplyvmi vyskytujúcimi sa v miestach

pôsobenia daného strojového zariadenia alebo nástroja. Popri konvenčných metódach sa

neustále zdokonalujú i moderné, progresívne metódy navárania. Spoločne so štúdiou a

správnou voľbou prídavných materiálov tieto technológie posúvajú hranice spracovania

formou navárania ešte o krok ďalej. Jedným zo zástupcov týchto inovatívnych

technológií je práve naváranie laserom.

1 Cieľ práce

Práca sa zameriava na možnosti využitia klasických a progresívnych metód

navárania materiálov v praxi, ktoré sa neustále snažíme vyvíjať a znižovať tak náklady

vynaložené spracovanie formou úspory času alebo použitých materiálov.

Cieľom práce porovnanie klasických oblúkových metód navárania

s progresívnymi metódami z hľadiska optimálnych parametrov a návarových materiálov

pre metódu laserového navárania. Najoptimálnjšie parametre vytypovaných

progresívnych metód navárania laserom budú testované laboratórnymi meraniami a

budú posísané v diplomovej práci. Tieto hodnoty by mali byť následne aplikované a

používané priamo v prevádzke. To už bude cieľom diplomovej práce.

2 Metodika práce Metodiku bakalárskej práce tvoria základné body:

- oboznámenie sa s problematikou renovácie využítím technológie navárania

- popis klasických metód, progresívnych metód a ich porovnanie z hľadiska

technológie a účinnosti v praxi

- zoznámenie sa princípom ako aj vlastnosťami a účinkami laserového lúča

- popis jednotlivých typov lasera, metódy zvárania a navárania laserom

- vplyv ochranných plynov, tvorba plazmy a ich vzájomné ovplyvňovanie sa

3 Výsledky práce3.1 Renovácia

Obnovenie strojovej súčiastky ako ďalej už nedemontovateľného strojového

prvku sa podstatne líši od opráv zložitejších montážnych celkov tým, že v obsahu

pracnosti nie sú demontážne a montážne práce. Preto sa pre ňu používa názov

renovácia.

Pojem renovácia je teda rovnocenný pojmu oprava strojovej súčiastky.

Základnou úlohou renovácie je obnova funkčných vlastností strojových súčiastok pri

požadovanej životnosti a funkčnosti.

Renovácie sa považujú za výhodné predovšetkým preto, že nimi možno:

- dosiahnuť úsporu materiálu

- predĺžiť celkový technickú životnosť renovovanej súčiastky, pri porovnaní

s technickou životnosťou novej súčiastky

- znížiť spotrebu práce pri porovnaní spotreby práce na renováciu a na výrobu

novej súčiastky

- získať už trhovo nedostupnú náhradnú súčiastku

Poškodené strojové súčiastky možno renovovať dvoma základnými spôsobmi:

- obnovovaním geometrického tvaru a funkčných vlastností zmenou ich rozmeru

- obnovovaním pôvodných rozmerov a geometrického tvaru funkčných plôch

súčiastok

Obidva tieto spôsoby renovácie sú opodstatnené v konkrétnych podmienkach.

Podobne ako pri výrobe nových súčiastok aj pri renováciách sa vyberá najhospodárnejší

postup podľa zvolenej renovačnej metódy.

Samotný výber renovačnej metódy súčiastky ovplyvňujú viaceré faktory:

- veľkosť a zložitosť súčiastky

- druh materiálu a tepelné spracovanie

- pracovné podmienky

- druh a veľkosť opotrebenia

- požadovaná životnosť po renováácií

- náklady vynaložené na proces renovovania

3.1.1 Renovácia na opravné rozmery Renovácia na opravné rozmery je jeden z najjednoduchších spôsobov renovačných

metód.

Používa sa najmä pri renovácií hľadkých valcových povrchov a pri renovácií častí

súčiastok so závitom. Pri tejto metóde sa obnovuje geometrický tvar a funkčné

vlastnosti združených súčiastok zmenou ich rozmerov.

Metóda je výhodná predovšetkým pre svoju jednoduchosť a nenáročnosť na

náklady.

Keď je súčiastka dimenzovaná vzhľadom na zmenšené prierezy po renovácií, dĺžka

technického života renovovanej súčiastky je totožná s dĺžkou novej súčiastky.

Jednou z najväčších nevýhod tejto metódy je, že súčiastky po renovácií vytvárajú

dvojice, ktoré sa musia zachovať a nemožno tak žiadnu súčiastku jednej dvojice

nahradiť súčiastkou pochádzajúcej z inej dvojice bez toho, aby sa musela upravovať.

Pretože je tu narušená vzájomná vymenitelnosť, len ťažko možno renovovať súčiastky

do zásoby.

Ďalšou zásadnou nevýhodou metódy renovácie na opravné rozmery je, že ju

nemožno vždy použiť z prevádzkových, ekonomických alebo iných dôvodov. Preto sa

táto metóda vo zväčša používa len pri určitých vybraných druhoch strojových súčiastok,

pri ktorých normalizácia pokročila natoľko, že sú normalizované aj opravné rozmery.

Typickým príkladom tejto skupiny sú vložené valce spaľovacích motorov a kľukové

hriadele. Súčiastky, ktoré sa renovujú na normalizované opravné rozmery, sú

rovnocenné novým náhradným súčiastkám. Pretože spĺňajú aj požiadavku vzájomnej

vymeniteľnosti, možu sa vyrábať aj do zásoby.

Pri metóde renovácie na opravné rozmery sa musí splniť niekoľko základných

podmienok:

- súčiastka sa musí vyrobiť tak, aby jej pevnostné vlastnosti nezamedzovali

renovácií na opravné rozmery

- treba voliť taký spôsob tepelného spracovania súčiastok, aby sa nemusel pri

každom obrábaní na opravné rozmery opakovať

- treba dbať na zachovanie všetkých upínacích základných súčiastok, čím sa

zjednoduší obrábanie v opravovných dielňach

- musia sa správne voliť medzné rozmery, na ktoré sa môžu súčiastky obrábať, čo

predstavuje najväčší možný rozmer diery a najmenší možný rozmer hriadeľa

Pri nenormalizovaných súčiastkách sa opravné rozmery musia určiť. Typickým

príkladom sú hriadeľové čapy a súčiastky s hladkými valcovými otvormi. Rozdiel je len

v tom, že priemer otvoru sa renováciou zväčšuje, zatiaľ čo priemer čapu sa zmenšuje.

V obidvoch prípadoch sa však zmenšuje nosný prierez súčiastok.

Pri renovácií súčiastok so závitom je viazanosť s normalizovanými druhmi a rozmermi

závitov. Druh sa volí rovnaký, ako je druh opotrebovaného závitu na najbližší

normalizovaný rozmer. (Suchánek, Z. 1990)

3.1.2 Renovácia na pôvodné rozmeryV súčastnosti sú známe viaceré metódy renovácie na pôvodný rozmer:

- metalizácia

- pokovovanie

- plastická deformácia

- mechanické spôsoby renovácie

- naváranie

(Suchánek, Z. 1990)

3.2 Naváranie Niektoré procesy zvárania sa vyvinuli na špeciálne účely, zatiaľ čo ostatné sú

flexibilné a použiteľné na veľmi široký rozsah aplikácií. Aj keď je zváranie určené

v podstate na spojovanie kovových dielcov s rovnakým alebo i rôznym zložením, čoraz

častejšie sa používa aj na opravovanie, či obnovovanie tvaru opotrebovaných alebo

nových dielcov, aby sa na nich získal povrch odolný voči korózií, abrázii, nárazom a

opotrebovaniu. Pri týchto aplikáciách sa zvárací proces použije na položenie vhodnej

vrstvy materiálu na lacnejší alebo húževnatejší základný materiál vhodnou technológiou

navárania. (ESAB, 2007)

STN 05 0000 definuje naváranie ako metalurgické nanášanie prídavného

materiálu na základný materiál pri súčastnom pôsobení tepla. Z tejto definície vyplýva,

že naváranie je vhodný spôsob obnovy opotrebovaných povrchov strojových súčiastok a

partí tak k najrozšírenejším renovačným metódam. V špecializovaných strediskách sa

prechádza čoraz častejšie od formy ručného navárania k automatizovanému, pretože

automatizované naváranie mnohonásobne zvyšuje produktivitu práce pri zachovaní

vysokej kvality návarovov. (Rubeš, L. 1980)

Na rozdiel od spájovacích zvarov sa pri naváraní vyžaduje čo najmenšia možná hĺbka

pretavenia a tým aj najmenšie premiešanie prídavného a základného materiálu.

Premiešaním oboch materiálov, teda základného s naváraným by sa znížila kvalita

prídavného materiálu, ktorý býva viac legovaný.

Návar sa musí ďalej vyznačovať veľkou šírkou húsenice. Návary nemusia byť pevné,

no musia byť však odolné proti opotrebeniu.

Veľkou nevýhodou navárania je vysoká teplota, na ktorú je potrebné súčiastku

pri naváraní ohriať, čo má za následok vyvolanie napätia v štruktúre súčiastky.

Vplyvom tohto napätia sa súčiastka zdeformuje alebo sa vytvoria v materiály trhliny.

Vhodným výberom metódy možno napätiu zabrániť, prípadne ho obmedziť do takej

miery, aby sa nijako navonok neprejavovalo.

Kvalita návaru závisí od viacerých faktorov :

- prípravy povrchu a použitej technológie navárania

- druhu použitého prídavného materiálu

(Suchánek Z. 1990, Rubeš, L. 1980)

Obr. 1 Makroskopická štruktúra naváranej vzorky materiálu

Základné delenie spôsobov navárania možno rozdeliť na dve skupiny :

- konvenčné metódy navárania

- progresívne metódy navárania

3.2.1 Konvenčné metódy naváraniaRučné naváranie plameňom

Tepelné delenie plameňom kyslík – horľavý plyn je proces na princípe oxidácie,

ktorý využíva tepelný účinok z tejto reakcie a slúži v prvej fáze na natavenie kovového

materiálu. Do miest, kde na povrchu nastane roztavenie kovu je potom v druhej fáze

privedený pod vysokým tlakom kyslík, ktorý spaľuje častice železa a vyfukuje

roztavený kov z reznej škáry. Tento proces, ktorý sa nazýva autogénne rezanie, je

možné použiť iba na železných kovoch a to ešte s obmedzenými legúrami – teda v praxi

sú to konštrukčné uhlíkové ocele.

Podstatou metódy je tavenie železa v prúde kyslíku. Optimálna čistota rezacieho

kyslíka je 2,5 N (99,5 %). Táto čistota by mala byť zabezpečená na výstupe z rezacej

trysky, a nie len na výstupe z fľaše alebo kryogéneho zásobníku. Často sa podceňuje

úroveň tlaku rezacieho kyslíku. Kyslík je plnený s tlakom do 15 MPa. Obsiahnutie

optimálnej čistoty a požadovaného tlaku a prietoku kyslíku sa dá pomocou dobre

dimenzovaného zdroja kyslíka (fľaša, zväzok, zásobník) a transportného systému.

Voľba typu horľavého plynu je závislá od výberu prevádzkovateľa technológie.

Horľavé plyny je možné hodnotiť podľa niektorých parametrov: rýchlosť navárania,

kvalita plochy materiálu.

Najpoužívanejším z plynov je acetylén. Ako zdroj acetylénu je možné použiť jednotlivé

fľaše alebo zväzky z tlakových fliaš. Zdroj sa však musí dimenzovať podľa okamžitého

odberu plynu.

Acetylén – univerzálny uhľovodík C2H2 používaný pre všetky plameňové technológie.

Pri horení s kyslíkom dosahuje veľmi vysokú teplotu plameňa (až 3140°C). Acetylén

vzniká pôsobením vody na karbid vápnika, z čoho vzniká vápenné mlieko 2H2O + CaC2

-> Ca(OH)2 + C2H2.

Používa sa aj propán – horľavý LPG plyn C3H8 s nízkou nákladovosťou vo vzťahu na

hmotnostnú jednotku (€/kg). Maximálna teplota plameňa pri horení propánu s kyslíkom

je 2500°C. Pri autogénnych technológiách však propán na seba viaže vyšší hmotnostný

pomer spotreby nahrievacieho kyslíka.

(Kubíček, J. 2007, www.strojarskatechnologia.info)

Obr. 2 Naváranie plameňom

Naváranie obalenými elektródami

Je najpoužívanejším spôsobom tavného navárania. Zdrojom tepla je elektrický

oblúk, ktorý vznikne medzi elektródou a zváraným materiálom, no výnimočne aj medzi

dvomi elektródami. Ak ich zapojíme na vhodný zdroj elektrického prúdu, teplom

elektrického oblúka nastane miestne natavenie a spojenie materiálov. Pri naváraní sa

používa jednosmerný alebo striedavý prúd o napätí 10 až 70 V. Intenzita prúdu je 30 až

500 A. Zdrojom jednosmerného prúdu sú usmerňovače alebo točivé zváracie agregáty.

Zdrojom striedavého prúdu sú zváracie transformátory.

Používajú sa odtavovacie obalové elektródy. Na katóde sa dosahuje 2100 až

2900 °C, na anóde 2300 až 2600 °C, v strede 6000°C.

Typy obalov elekródy:

- kyslý, ktorý vytvára tekutý zvarový kúpeľ

- bazický

- stabilizačný

- špeciálny

Obal elektródy stabilizuje korene elektrického oblúka, čím čistí zvarový kúpeľ a chráni

tak zvar pred prístupom vzduchu.

Metódy navárania elektrickým oblúkom závisia od zvoleného základného

materiálu:

- naváranie netaviacou sa elektródou uhlíkovou a volfrámovou, používa sa tu aj

prídavný materiál

- naváranie taviacou sa elektródou s priamim zapojením elektródy, alebo

nepriamym zapojením, kotré je opačné a elektróda má súčasne i funkciu

prídavného materiálu

- naváranie nepriamym oblúkom, oblúk tu horí medzi dvoma elektródami mimo

zváraného materiálu

- zváranie s fázovým oblúkom, oblúk horí medzi elektródami a zváraným

materiálom

Elektrický oblúk je elektrický výboj v ionizovanej atmosfére plynov a niekoľkých

kovov sprevádzaný svetelným efektom. Ionizácia tu vzniká v čase zapálenia sa oblúka a

je prítomná počas celého horenia oblúka.

Zapálenie oblúka prebieha v týchto fázach:

- krátke spojenie elektródy so základným materiálom

- odtrhnutie elektródy na vzdialenosť 3 až 6 mm

- vzniknutie stáleho oblúkového výboja

Dotykom dochádza k ohriatiu anódy, aj katódy. Po odtrhnutí začína emisia

elektrónov z katódy, ktoré narážajú pri rýchlom pohybe na anódu s jednotlivými

časťami plynu a parami kovu. Toto vedie k ionizácii prostredia a k udržiavaniu stáleho

elektrického výboja. Pri naváraní dochádza k nasycovaniu roztaveného kovu O, N, H

okolitej atmosféry. Aby sa tomu zabránilo, používajú sa obalené elektródy, ktoré pri

naváraní vytvoria ochrannú atmosféru a neskôr trosku. Priemery použitých elektród sa

volia podľa hrúbky naváraného materiálu, ich tvaru, druhu obalu a veľkosti zváracieho

prúdu. (www.strojarskatechnologia.info, www.esab.com )

Obr. 3 Naváranie elektrickým oblúkom

Automatické naváranie pod tavivom

Navára sa použitím neobaleného holého drôtu. Oblúk, aj zvarový kúpeľ sa

chráni tavivom

pričom podávanie a posuv drôtu sú mechanizované. Zapaľovanie oblúka a vypĺňanie

krátera na konci návaru je prevádzané automatizovane.

Automatické naváranie zabezpečuje výrazné zvýšenie produktivity a vyššiu kvalitu

návarov v porovnaní s ručným oblúkovým zváraním.

Princíp navárania pod tavivom

Oblúk horí medzi drôtom a základným materiálom. Stĺpec oblúka a tekutý

kovový kúpeľ sú tak zakryté zo všetkých strán vrstvou taviva hrúbky 30 až 50 mm.

Časť taviva okolo oblúka sa roztavuje a na povrchu roztaveného kovu tak tvorí kúpeľ

tekutej trosky. Vplyvom silného oblúka a tiež i veľmi rýchleho pohybu elektródy do

oblúka nastáva oddialenie roztaveného kovu do strany proti smeru navárania.

Postupným tuhnutím kovového a troskového kúpeľa vzniká názvar pokrytý vrstvou

stuhnutej trosky. Elektródový drôt sa podáva do oblúka a posúva pozdĺž celého návaru

mechanizovaným podávacím zariadením za spolupráce pohybového zariadenia. Cez

prívod prúdu sa k drôtu privádza prúd.

Funkcie taviva:

- chráni kúpeľ pred vzduchom

- vstabilizuje horenie elektrického oblúka

- rafinuje zvarový kúpeľ

- formuje vonkajší vzhľad návarovej húsenice

- spomaľuje chladnutie zvaru

- chráni obsluhu pred žiarením a tiež zabraňuje rozstreku pri naváraní

Kvalita návarov je zabezpečená vylepšením mechanických vlastností navareného

kovu významným vplyvom ochrany zvarového kúpeľa tavivom, intenzívneho

odkysličenia a legovania v dôsledku zvýšenia objemu tekutej trosky a mierneho

chladnutia zvaru pod tavivom a tuhej troskovej kôry, ďalej i celkovým zlepšením

povrchu návaru v dôsledku regulácie režimu navárania, aj mechanického podávania a

posunu drôtu.

Základné výhody automatického zvárania pod tavivom v porovnaní s ručným

oblúkovým zváraním sú v až 20-násobnom zvýšení produktivity procesu, vo zvýšení

kvality zvarových spojov a znížení vlastných nákladov. Zvýšenie produktivity sa

dosahuje využívaním veľkých zváracích prúdov (do 2000 A ) a nepretržitého zváracieho

procesu. Použitie holého drôtu dovoľuje priblížiť prívod prúdu na minimálnu možnú

vzdialenosť od oblúka, a tak odstrániť nebezpečné rozohriatie elektródy pri vysokom

prúde. Hustá tavivová ochrana zvarového kúpeľa zabraňuje rozstreku a prepalovaniu

roztaveného kovu v podmienkach účinku mohutného oblúka. Zvýšenie intenzity prúdu

je sprevádzané zväčšením hĺbky prevarenia, čo dovoľuje zvárať kov veľkej hrúbky až

do 20 mm na jednu vrstvu bez úkosu hrán.

Pri zváraní pod tavivom je zvar podložený:

- tavivovou podložkou

- pevnou privarenou oceľovou podložkou

- medenou pohyblivou podložkou

- zvar sa najprv upraví vytvorením koreňa zvaru

(www.strojarskatechnologia.info)

Obr. 4 Automatické naváranie pod tavivom

Naváranie v ochrannej atmosfére

Plyny musia byt ťažšie ako vzduch a nereagujúce so zvarovým kúpeľom.

Neutrálny plyn – Argón

Ručné zváranie sa robí v ochrannej atmosfére argónu jednosmerným prúdom s

netaviacou eletródou s priamou polaritou na mínus pól, pričom prídavný materiál sa vo

forme tyčinky dodáva do elektrického oblúka. Hrúbka je tu do 6 mm.

Mechanizované naváranie, alebo naváranie s taviacou elektródou sa robí jednosmerným

prúdom pri obrátenej polarite zapojený na+pól. Volí sa pri hrúbkach väčších ako 2 mm.

Aktívny plyn – CO2

Naváranie v CO2 patrí ku zváraniu aktívnym plynom pričom zvára sa vždy

taviacou elektródou jednosmerným prúdom pri obrátenej polarite +. CO2 pôsobí na

materiál oxidačne, je ťažší ako argón, získava sa chemicky v skvapalnenom alebo

tuhom stave ako suchý ľad. Elektróda musí obsahovať dezoxidačné prvky mangán

spolu s kremíkom. Pri tomto spôsobe zvárania je roztavený kúpeľ chránený pred

účinkami okolitej atmosféry, hlavne kyslíka a dusíka, ochrannou atmosférou, ktorá

môže byť inertná alebo aktívna. Inertné atmosféry nevstupujú do chemických reakcií s

tavným kúpeľom. Aktívne atmosféry sa podieľajú na chemických reakciách v tavnom

kúpeli, pričom ich pôsobenie je kompenzované vhodným zložením prídavných

materiálov.

Naváranie taviacou sa elektródou v ochrane inertného plynu – MIG: naváranie

taviacou sa elektródou v plynovej ochrane zabezpečenej inertným plynom, napríklad

argónom alebo héliom

Naváranie taviacou sa elektródou v ochrane aktívneho plynu – MAG: naváranie

taviacou sa elektródou v plynovej ochrane zabezpečenej chemicky aktívnym plynom

CO2 a jeho zmesí. (www.strojarskatechnologia.info)

Obr. 5 Naváranie v ochrannej atmosfére

3.2.2 Progresívne metódy naváraniaOdporové naváranie

Odporové zváranie definujeme ako spôsob zvárania, pri ktorom sa vytvára návar

bez prídavného materiálu krátkodobým prechodom prúdu vysokej intenzity cez miesto

návaru, pri súčasnom pôsobení tlaku. Navárací proces je charakterizovaný tým, že na

dosiahnutie zváracej teploty sa využíva teplo, vyvinuté zváracím prúdom pri

spolupôsobení odporov v oblasti návaru.

Základné spôsoby odporového zvárania:

- bodové zváranie (zvar sa zhotovuje len v jednom bode zváraných dielcov medzi

bodovými zváracími elektródami)

- švové zváranie (prítlačná sila pôsobí súvisle a prúd pôsobí buď priebežne alebo

prerušovanie, čím sa vytvorí lineárny zvar)

- výstupkové zváranie (prítlačná sila a prúd sú lokalizované vo výstupku alebo

výstupkoch pretlačených prípadne vytvorených na jednej alebo viacerých

styčných plochách, pričom sa tieto výstupky počas zvárania roztlačia)

- odporové stykové zváranie (zvárané diely sú spolu pritlačené pred ohrevom,

pričom tento prítlak sa udržiava i počas prechodu prúdu pokiaľ sa nedosiahne

zváracia teplota pri ktorej sa vytvorí výronok)

- odtavovacie stykové zváranie (k ohrevu dochádza pri postupnom i opakovanom

prisúvaní dielcov k sebe, čo spôsobuje prerušovaný prechod prúdu cez miesta

dotyku, čím dochádza k požadovanému ohrevu a tým k následnému stlačeniu,

čím sa dokončí návar) (Tolnai, 2000 , Janota, M. 2003)

Obr. 6 Bodové odporové naváranie

Plazmové naváranie

Plazmové naváranie patrí taktiež do kategórie progresívnych a vysoko

produktívnych technologických variantov oblúkového navárania v ochrannej atmosfére.

Je charakterizované najmä vysokou koncentráciou tepla a tiež vysokou pracovnou

teplotou. Na natavenie kovov sa pri tomto naváraní využíva predovšetkým jeho

najhorúcejšia časť oblúka, ktorou je plazma.

Plazmové naváranie sa podobá na oblúkové naváranie v ochrannej atmosfére

netaviacou sa elektródou inak známa aj ako metóda TIG. Oblúk tu horí medzi

netaviacou sa elektródou a základným materiálom priamo v ochrannej atmosfére, ktorá

je najčastejšie vytváraná inertným plynom. Na rozdiel od TIG metódy sa pri

plazmovom naváraní používa horák s výtokovou dýzou veľmi malého priemeru, ktorý

vytvára na oblúku zúženie a tak koncentruje tepelnú energiu na malú plochu naváraného

predmetu. Teplota plazmy závisí od toho, aké plyny sa uvádzajú do stavu plazmy, ktoré

sa vyznačujú rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami. Elektrický oblúk má vzhľadom na

jednotlivé použité plyny teplotu v rozmädzí 7000 až 20000 °C, pričom do stavu plazmy

prechádza 10 až 30 % plynu. Najčastejšie sa používa Ar, alebo zmesi Ar + H2, prípadne

Ar + He. Funkciu ochranného plynu chrániť zvarový kúpeľ a okolie miesta návaru proti

naplyneniu a oxidácií najčastejšie zabezpečuje argón. (Hodulová, E. 2003)

Obr. 7 Plazmové naváranie

Naváranie trením

Patrí do skupiny technológií využívajúcich na proces spojenia materiálov tlak,

pri ktorom jeden alebo obidva spájané materiály sú v relatívnom pohybe a a nastáva

medzi nimi mechanické trenie, čím sa vytvorí teplo na styčnej ploche a návar vzniká

stláčacou silou. Tá pôsobí po zastavení zvájomného trecieho pohybu. Kedže tu

nenastáva tavenie materiálu ale materiály sa spájajú trením, nie je táto metóda v pravom

slova zmysle naváraním, ale skôr technikou kovania. No vzhľadom na podobnosť medzi

oboma technikami, považuje sa i tento spôsob za proces progresívnej formy navárania.

Obr. 8 Naváranie trením

Indukčné naváranie

Pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie, ktorá nataví materiál. Zvárací

prístroj obsahuje indukčné cievky, ktorá je pod napätím s rádiovými frekvenciami

elektrického prúdu. To vytvára vysokofrekvenčné elektromagnetické polia, ktoré

pôsobia na elektricky vodivých alebo feromagnetický obrobok. V elekticky vodivom

materiály je hlavným tepelným zdrojom odporovové ohrievanie, ktoré vyvolávajú

magneticky indukované vírívé prúdy. Vo feromagnetických materiáloch je ohrev

spôsobený hysterézou čo je časť magnetickej zložky elektromagnetického poľa, ktorá

narušuje kryštalickú štruktúru feromagnetického materiálu. V praxi väščina materiálov

podstupuje pri procese navárania kombináciu oboch týchto faktorov.

Obr. 9 Indukčné naváranie 1 Obr. 10 Indukčné naváranie 2

Elektrónové naváranie

Využíva sa v procese spájania kovových materiálov energiou koncentrovaného

lúča elektrónov. Ostro fokusovaný elektrónový lúč sa pri dopade na navárané materiály

im odovzdá svoju kinetickú energiu. Táto sa premení na teplo s účinnosťou viac ako

90 % premieňa na teplo, ktoré do určitej hĺbky roztaví spájané materiály. Geometria

spoja závisí od parametrov elektrónového lúča, hlavne od jeho energie a stupňa

fokusácie. Po stuhnutí zvarového kúpeľa sú oba kovy spojené tavným spôsobom.

Vlastnosti návaru sú určené technologickými podmienkami navárania a chemickým

zložením základných materiálov. (Turňa, M. 2008)

Obr. 11 Elektrónové naváranie

Laserové naváranie

Medzi nekonvenčné metódy navárania sa zaraďuje naváranie laserovým lúčom,

a to predovšatkým vďaka špeciálnym vlastnostiam laserového lúča.

Pri použití klasických konvenčných technológií dochádzalo veľmi často

k znehodnocovaniu týchto materiálov v dôsledku deformačného tepelného cyklu, alebo

dochádzalo k vytvoreniu prepalov. Tento nedostatok sa výrazne eliminuje laserovým

zváraním alebo naváraním, ktoré spĺňa aj tie najnáročnejšie požiadavky na návar.

Laserové naváranie sa vyznačuje vysokými naváracími rýchlosťami a veľmi

malým tepelným ovplyvnením oblasti v opracovávanom materiály. Celý proces je

možné vykonávať za pomoci automatizácie a robotizácie. Jednou z mála nevýhod sú

zatiaľ vysoké investičné náklady spojené s inštaláciou laserového systému.

Obr. 12 Laserové naváranie

3.3 LaserSkratka z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, čo

znamená zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia.

Je významným nekonvenčným intenzívnym zdrojom lokálneho ohrevu, ktorý sa

už dnes bežne používa v mnohým oboroch ľudskej činnosti. Vývoj laserovej

technológie a lepšie vedomosti o základných aspektov interakcie lúč/materiál otvorili

nové horizonty aj pri spájaní alebo delení materiálov pomocou lasera, ktorý tak našiel

uplatnenie v rôznych oblastiach priemyslu, ako je strojárstvo, energetika , v doprave

alebo elektrotechnike a podobne.

Veľký rozmach tejto technológie je daný aj skutočnosťou, že tento proces

zaručuje zvýšenie produktivity, kvality a v neposlednom rade aj konkurencie schopnosti

výrobkov. (Jankura, D., Varga V. 1999)

3.3.1 Princíp a vlastnosti laseraLaser je zadiadenie, ktoré pomocou stimulovanej emisie vydáva koherentné

svetlo. Jednotlivé fotónové vlny, z ktorých je koherentné svetlo zložené, vibrujú a

pohybujú sa synchronizovane, takže výsledným efektom je elektromagnetická vlna.

Rubínový laser partí do skupiny laserov s látkou v tuhom skupenstve a predstavuje

evolúciu jeho konštrukcie. Využíva sa tu trojhladinová energetická sústava

paramagnetických iónov Cr3+, ktoré sú rozptýlené v základnom materiáli kryštálu

korundu Al2O3. Na následné vybudenie iónov chrómu k prechodu z normálneho stavu

na horné pásmo energetických hladín slúži intenzívne biele svetlo dopadajúce na kryštál

rubína.

Laser sa umiestňuje do rezonančnej komory. Nazíva sa tiež aj optický rezonátor,

ktorým býva často sám kryštál lasera, obrúsený na formu tyče, najčastejšie kruhového

tvaru. Tyč má precízne vyhladené čelné plochy, pokryté odrazovými emulziami,

z ktorých jedna je pre generované svetlo polopriepustná. Uvedené plochy tvoria dva,

voči sebe rovnobežné a na os tyče kolmé zrkadlá. Svetlo vygenerované laserom je

zvláštnej povahy, vyžiarené fotóny majú rovnakú fázu ako fotóny, ktoré prechod

vyvolali. Sú koherentné a pohybujú sa rovnakým smerom ako fotón, ktorý ich

vyžiarenie vyvolal. (Ševčovič, L. www.tuke.sk)

Obr. 13 Schéma lasera

3.3.2 Vlastnosti laserového žiareniaNajznámejšou vlastnosťou laserového žiarenia je koncentrácia veľkej energie

v úzkom lúči čistej farby . Tento úzky lúč svetla dosahuje priemery 0,1 až 10 mm.

Vychádzajúci lúč z lasera sa rozširuje 1 mm na 1m vzdialenosti od zdroja vplyvom

rozptylu na výstupnej clone lasera.

Monochromatickosť - jednofarebnosť

Šírka spektrálnej čiary lasera je menšia jako 1nm. Zmeniť vlnovú dĺžku, na

ktorej laserový zdroj žiari sa dá pomocou zmeny optických vlastností rezonátora alebo

aktívneho prostredia.

Koherentnosť

V laseri vzniká svetelná vlna, v ktorej sú všetky vyžarované fotóny vzájomne

zosynchronizované .Toto skladanie vĺn sa nazýva interferencia a prejavuje sa vo forme

pasikových obrazov na mieste dopadu lúča. Z výsledného tvaru týchto obrázkov a

vzdialenosti , či šírky pásikov je možné zisťovať veľkosť a tvar rozptylujúcich centier,

ktoré sú za bežných okolností pozorovateľné len pod mikroskopom. Vlny laserového

svetla možu mať dĺžku stovky kilometrov.

Obr. 14 Príklady šírenia svetla

Polarizácia

Vlny elektromagnetického poľa kmitajú iba v jednej rovine čo je presným

opakom svetla prirodzeného - nepolarizovaného, v ktorom sú roviny kmitania

elektromagnetických vĺn orientované náhodne. Rozlišujeme tri druhy polarizácie

elektromagnetických vĺn: lineárnu, kruhovú a eliptickú. (www.sev.wz.cz)

Fokusácia

Vysoký stupeň koherencie umožňuje laserový lúč za použitia šošovky sústrediť

– sfokusovať na veľmi malé plochy až do rozmerov menších ako tisícina mm². Zmenou

veľkosti plochy, na ktorú dopadá sfokusovaný laserový lúč môžme ovplyvňovať intenzitu, a

teda aj aplikovanú dávku žiarenia. Pri konštantnom výkone lasera závisí intenzita svetla

nepriamo úmerne od ožiarenej plochy. (www.kme.elf.stuba.sk)

3.3.3 Typy laserovÚlohu aktívneho laserového prostredia možu spĺňať rozličné materiály

v rôznych skupenstvách. Z tohto hľadiska sa delia do niekoľkých hlavných skupín.

Tuholátkové - dielektrické lasery

Aktívne prostredie je tvorené tuhými kryštalickými alebo amorfnými látkami,

ktoré sú prímesonavé vhodnými iónmi (napr. rubín, CaF2 a pod.)

Nd:YAG laser je najpoužívanejším pevnolátkovým laserom, ktorého aktívnym médiom

je Neodymium umiestnené v kryštále zhovovenom z Ytrium-Aluminium granátu, ktorý

je obyčajne v tvare kocky. Účinné chladenie aktívneho materiálu zabezpečuje tepelná

vodivosť granátu a preto je ho možné používať v pulznom aj v kontinuálnom režime.

Pulzné Nd:YAG lasery dosahujú výkon niekoľko stoviek wattov, no postupne boli

nahradzované kontinuálnymi zdrojmi s maximálnymi výkonami rádovo 5kW.

Energetický lúč vlnovej dĺžky 1,064 μm produkovaný YAG laserom je možné

transportovať optickými vláknami, tak ako aj v porovnaní s inými vlnovými dĺžkami je

dosahovaná dobrá schopnosť absorpcie kovovými materiálmi (napr. hliník, meď).

Plynové lasery

Aktívne prostredie tvorí látka v plynnom stave, napr. argón, dusík, CO2 alebo

zmesi plynov, napr. héliovo-neónový laser.

Plynové CO2 lasery, kde je zdrojom stimulovaná emisia fotónov plynu CO2 (v zmesi s

He a N2) s výkonom až do 45 kW s vlnovou dĺžkou 10,6 µm. Vlnová dĺžka tejto

veľkosti znamená nutnosť vedenia lúča zrkadlami, nemožno použiť vláknovú optiku.

Zdroj CO2 lasera má malú účinnosť a musí byť dobre chladený.

Existujú tri základné konštrukčné typy:

- s rýchlym axiálnym prúdením aktívneho prostredia

- s priečnym prúdením aktívneho prostredia (TEA)

- lasery s doskovým aktívnym prostredím (SLAB)

Vzhľadom na to, že aktívne prostredie je v plynnej forme, možno ho kontinuálne

obmieňať v priebehu činnosti lasera. Napriek faktu, že účinnosť CO2 laserov je cca

10% je možné dosiahnuť vysoké výkony ľahšie, ako v prípade tuholátkového aktívneho

prostredia. Na transport lúča sa využívajú odrazové zrkadlá, nie optické vlákna.

(www.linde.com)

Polovodičové lasery

Aktívne prostredie sa tu budí prevodom elektrónov z valenčného pásu

polovodiča do pásu vodivostného. Kedže tu nastáva veľké zosilnenie, postačujú ako

odrazové plochy rezonátorov len rovnobežné konce polovodičového kryštálu. Z tohoto

dôvodu sú rozmery typu polovodičových laserov veľmi malé a kompaktné, čím

nachádzajú široké uplatnenie.

Sú budené diodami a k vzniku žiarenia vlnovej dĺžky okolo 1,06 µm docháza v

špeciálnom optickom vlákne, ktoré obsahuje ytterbium. Výkony se pohybujú okolo 20

kW, čo je hodnota porovnateľná s CO2 lasermi. Účinnosť týchto laserov je niekoľkokrát

vyššia ako u CO2 laserov a zdroje sú pritom kompaktné. Napríklad zdroj s výkonom 20

kW s výstupom vo vlákne 200 µm so 70 kW na vstupe a účinnosťou cca 30 % má

hmotnosť 1200 kg. Nízka kvalitu lúča neumožňuje dosahovať vysokú hustotu energie

čo je nevýhodou pri zváraní, naopak pri technológií navárania je táto vlastnosť

prínosom, pretože nieje potrebný hlboký prievar, ale široká stopa dopadu lúča na

naváraný materiál. (Ševčovič, L. www.tuke.sk)

Chemické lasery

Budenie aktívneho prostredia tu zabezpečuje energia uložená v chemickej väzbe

molekúl alebo atómov. Vo všetkých chemických laseroch je hlavným a rozhodujúcim

budiacim mechanizmom chemická reakcia. Chemické lasery sa vyznačujú najväčšou

účinnosťou zo všetkých vymenovaných typov. Účinnosť laserov nedosahuje ani jedno

percento. (Ševčovič, L. www.tuke.sk)

Farbivové lasery

Aktívne prostredie tvoria roztoky organických farbív. Vyznačujú sa veľmi

vysokým pásmom preladiteľnosti. (Ševčovič, L. www.tuke.sk)

Fázové lasery

Pozostáva z budiaceho zdroja a optických vlákien, v ktorých je umiestnené

médium Ytterbium. Optické vlákna sú zároveň rezonátorom i transportným

médiom.Technológia navárania fázovým laserom je relatívne novou technológiou, no

v porovnaní s bežnými plynnými, polovodičovými alebo pevnolátkovými lasermi

ponúka radu vylepšených vlastností. (Ševčovič, L. www.tuke.sk)

3.3.4 Typy a možnosti navárania laseromLaserové naváranie práškových prídavných materiálov

Laserové naváranie je vytváranie velmi tenkých vrstiev materiálu so zvláštnymi

vlastnosťami na bežne používané materiály.

Technológiu možno použiť nielen na renováciu opotrebovaných funkčných plôch, čím

sa predlžuje životnosť, ale i na zvýšenie odolnosti voči opotrebeniu povrchových vrstiev

nových súčiastok.

Medzi najväčšie prednosti možno spomenúť napríklad :

- široké spektrum efektívnych návarových hrúbok

- dosahuje sa vysoká rovnomernosť a hladkosť povrchu

Samotný proces navárania je charakteristický extrémne strmým termickým cyklom.

Táto veľká rýchlosť ohrevu a ochladzovania dáva predpoklad ku vzniku extrémne

tvrdých i nových typov štruktúr návarov.

Laserové naváranie možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín a to podľa aplikácie

prídavných materiálov:

- technológie, pri ktorých sa materiál pridával nastriekaním na opracovaný povrch

a potom bol následne pretavený laserovým lúčom

- technológie, pri ktorých sa prídavný materiál podával do miesta navárania počas

procesu navárania (Strojárstvo Extra, 2006)

Laserové hybridné zváranie

Laserové hybridné zváranie spája laserové zváranie a zváranie svetelným

oblúkom.

V princípe sa pritom spájajú silné stránky oboch procesov a vyrovnávajú

nedostatky toho druhého. Svetelný oblúk pôsobí na povrch a stará sa o širší zvar a tým o

premostenie škáry. Okrem toho dopravuje prídavný materiál do taveniny. Pomocou

neho je možné cielene ovplyvniť metalurgické vlastnosti a súdržnosť zvaru. Zvárací

laser sa stará o hĺbku prevarenia a vysoké tempo procesu, znižuje prísun tepla a tak

redukuje tepelné ovplyvnenie oproti samotnému zváraniu svetelným oblúkom.

„Laserové hybridné zváranie je zaujímavé vtedy, keď chcete strojne zvárať hrubšie

konštrukčné časti vysokou rýchlosťou, minimálnym prívodom tepla a s vysoko

kvalitnými švami, ale okolnosti sú proti Vám.“ (Riedel, 2009). Narastajúci záujem o

laserové hybridné zváranie spočíva predovšetkým vo vývoji pevnolátkových laserov.

Kombinácia s novým zdrojom laserového lúča odhalila doteraz skrytý potenciál. Všetko

sa začalo v osemdesiatych rokoch, keď CO2-laser dosiahol výstupný výkon potrebný

pre hĺbkové zváranie často nazývané aj zváranie Keyhole. Pri ňom natavuje laserový lúč

materiál len čiastočne. Tak vzniká v kovovej tavenine v okolí lúča hlboká, tenká parná

kapilára. Na jednej strane je takto možné jedným ťahom prevariť aj veľmi hrubé plechy

krížom po celej styčnej ploche - čo je inými procesmi väčšinou po ekonomickej alebo

technickej stránke nemožné. Na druhej strane ale lúč potrebuje malý ohniskový bod,

aby dosiahol potrebnú hustotu výkonu. Škára spoja teda musí byť pripravená veľmi

precízne a zvárané komponenty musia byť presne upnuté, aby bola tolerancia spojov po

celej dĺžke obrobku v oblastiach desatín milimetrov. To sa oplatí len vtedy, keď sa

s konštrukčnými časťami dobre manipuluje a plechy sú tenké a ak zisk vyváži

náročnosť práce a potrebné vybavenie. Takto vznikol nápad skombinovať svetelný

oblúk s laserovým lúčom. Zváranie kovov v ochrannej atmosfére natavuje viac

materiálu do šírky, pridáva viac prídavného materiálu do zvaru a môže tak lepšie

premostiť škáry. Hĺbka prevarenia je ale porovnateľne malá. Ak sú plechy hrubšie,

neostáva nič iné, len zafrézovať styčné plochy do tvaru V a vzniknuté „údolie“

uzatvoriť zváraním v ochrannej atmosfére vo viacerých vrstvách viacerými zvarovými

húsenicami. Ale oblúkové zváranie prináša už pri jednej, dvoch vrstvách do obrobku

množstvo energie a pri ochladzovaní sa húsenice zmršťujú, čo vedie ku veľkým

deformáciám a vnútorným napätiam. Okrem toho sú tu náklady na výrobné časy a na

prídavný materiál.

Zatiaľ čo sa svetelný oblúk stará o lepšie prepojenie škáry, laser zväčšuje hĺbku

a rýchlosť prevarenia a tým výrazne znižuje prívod tepla. Zvarový šev je možné napriek

väčším toleranciám vytvoriť jedným ťahom. Okrem toho je pri vysokej rýchlosti

procesu natavený objem zvaru podstatne menší, takže sa do okolitého materiálu prisúva

omnoho menej tepla. Svetlo pevnolátkových laserov neionizuje kovové pary vôbec

alebo len minimálne. Tak či tak sa neabsorbuje plazmou, takže plazma tvorená

svetelným oblúkom už takisto nie je problémom. Okrem toho je možné rozdeliť ho

pomocou LaserNetwork a vzdialenosť obrábacej hlavy od zdroja lúča alebo dráhy

pohybu už tiež nezohrávajú žiadnu úlohu. (Trumpf, 2009)

Obr. 15 Laserové hybridné zváranie

Pulzné zváranie

Pulzné zváranie s nízkou opakujúcou sa frekvenciou medzi jednotlivými

pulzami, pri ktorom dôjde k ztuhnutiu tavného kúpeľa. Zvarová húsenica je potom

tvorená mnohými za sebou idúcimi a vzájomne sa prekrývajúcimi bodami.

Výhody pulzného režimu pri interakcií s materiálom:

- impulz má vysokú energetickú hustotu, čím sa zvyšuje absorpcia žiarenia pri

práci s materiálmi, ktoré majú vysokú odrážanlivosť

- znížený objemový ohrev materiálu pri spracovaní laserom v dôsledku krátkej

doby interakcie laserového lúča s materiálom

- možnosť prevádzania rôznych vysokorýchlostných operácií, čo je dôsledkom

rýchleho ohrevu a následného zhasínania lúča.

V porovnaní s kontinuálnym režimom, kedy je výstupný výkon ekvivalentný

celkovému menovitému výkonu daného typu lasera, je laser v pulznom režime

elektronicky modulovaný k emisii impulzu o výkone niekoľkonásobne vyššom, ako pri

kontinuálnom režime. Maximálny výkon navýstupe v impulze je závislý na opakovacej

frekvencií impulzov. Čím vyššia je hodnota opakovaciej frekvencie, tým nižší je potom

výstupný výkon. (www.kme.elf.stuba.sk)

Laserová prášková fúzia

Výskum okolo používania laserových technológií viedol k objaveniu unikátnej

metódy nanášania zložitých kovových zliatin pri upravovaní povrchu pomocou

laserových lúčov ako zdroja energie. Táto technológia, ktorá je v priemysle známa pod

skratkou LPF, sa vyznačuje širokou škálou možných aplikácií v oblasti zvárania a

navárania. Technológia LPF bola prijatá i poprednými svetoznámyni výrobcami

motorov a automobilov ako sú General Electric alebo Rolls-Royce. V ranných fázach

vývoja turbínových pohonov bola techonológia použitá ako aktívny komponent

využívajúci plný potenciál jadrovej syntézy. Ich dizajn a konštrukcia požadovali nízky

tepelný príkon, vysoké rýchlosti depozície a presné rozmerové tolerancie. Turbíny

všetkých motorov obsahujú kritické a citlivé súčasti, ako sú turbínové lopatky, rotačné

tesnenia, ktoré je po určitom čase potrebné renovovať alebo opravovať, vyúžívajúc

práve túto technológiu vzhľadom na ich sofistikované metalurgické spracovanie a

vysoké nadobúdacie náklady.

Laserové práškové technológie jadrovej syntézy poskytuje inovatívnu metódu

využitia intenzívnej enegrie v plyne oxidu uhličitého alebo v pevnom skupenstve YAG

laser vstreknutím prúdu jemnýho kovového prášku do lúča a následného ukladania

roztaveného zvarového kúpeľa na voľný stály základný materiál.

Úzky zväzok fotónov v laseri taví častice v zlomku sekundy, čo umožňuje roztavenému

kovu ukladať sa na základný materiál vo vrstvách v rozmedzí od 0,13 až po 0,76 mm.

Laserová prášková fúzia je schopná uložiť po sebe idúcich vrstvách kovu na povrchu

komplexu komponentov s minimálnym prenosom tepla.Dnešné LPF systémy umožňujú

vďaka počítačovému naprogramovaniu presne riadiť rýchlosť a umiestnenie kovu a tiež

merať vstrekovanie práškov do lúča. Aby bol tento systém ešte dokonalejší, bolo

vyvinuté a integrované do systému laserové kontroly s vysokým rozlíšením určené na

sledovanie tvaru návarov, ktoré prispeli k zvýšeniu schopnosti maximálne presne

ovládať geometriu pohybu laserového lúča. (David Kaser, www.huffmancorp.com)

3.3.5 Ochranné plynyK naváraniu, takisto ako aj k rezaniu laserom sa tiež používajú asistenčné plyny.

Na rozdiel od rezania neslúžia k vyfukovaniu, prípadne oxidácií roztaveného kovu, ale

k jeho ochrane pred oxidáciou. Okrem toho musí systém plynovej ochrany zebezpečiť

tak isto ochranu optiky lasera pred znečistením. Pomocou ochranných plynov tiež treba

regulovať množstvo vytvorenej plazmy nad klúčovou dierou, ktoré bráni priechodu lúča

do klúčovej diery, čím sa zhoršuje efektivita celého procesu.

Z dôvodu vysokého ionizačného potenciálu vytvára hélium najmenej plazmového

plynu. Pretože je hélium lahké a drahé, dosahuje sa optimálna ochrana zmesou hélia

s dusíkom alebo argónom. Oxid uhličitý a kyslík majú nízky ionizačný potenciál,

a preto sa nepoužívajú. Platí pravidlo, že u vyšších výkonov sa musí použiť ochranný

plyn s vyšším obsahom hélia. Naopak u malých výkonov sa v niektorých prípadoch dá

navárať počas celého technologického procesu aj bez hélia.

Vplyv ochranných plynov na tvorbu plazmy

Po dopade energetického laserového lúča na materiál sa časť energie odrazí a

časť je absorvovaná materiálom. Absorvovaná energia spôsobí intenzívne zahrievanie

materiálu, pri čom koeficient absorpcie s rastúcou teplotou narastá. Skokových nárastov

potom dosiahne pri prekročení teplôt tavenia a odparovania materiálu. Laserový lúč

potom postupne preniká do materiálu, ktorý je tavený a odparovaný počas vzniku

kapiláry (kľúčovej dierky). Vytvorenie kapiláry je spravádzané ionizáciou kovových

výparov – vznikom plazmy. Plazma je ionizovaným skupenstvom hmoty, elektricky

neutrálnym, dosahujúcim vysokých teplôt.

Typ plazmy, ktorý sa vytvára pri laserovom zváraní pohlcuje iba malé množstvo

energie laserového lúča a nevyvoláva tak zretelné zmeny šírky a hĺbky závaru.

Laserový lúč dopadá na materiál zaostrený optickým systémom, pričom poloha ohniska

sa može nachádzať nad povrchom zváraného dielu, na jeho povrchu alebo pod

povrchom materiálu. Priemer dopadajúceho lúča a veľkosť výkonu priamo ovplyvňujú

dosahovanú energetickú hodnotu. Pri určitej hodnote hustoty energie dochádza k

ionizácií ochrannej atmosféry nad povrchom materiálu a vzniku plazmy ochranného

plynu. Táto plazna pohlcuje podstatnú časť energie laserového lúča v závislosti na

hustote energie, typu ochranného plynu a tiež jeho množstva. Energia potrebná na vznik

plazmy a spotrebovaná absorciou plazmy sa potom dostane do materiálu a chýba pri

tvorbe kapiláry. V takomto prípade je závar širší na povrchu, ale oveľa menej

preniknutý do hĺbky materiálu. Z toho vyplýva, že prítomnosť plazmy ochranného

plynu je podstatnou zložkou pri procese navárania, kde nieje cieľom získať maximálnu

hĺbku závaru pri danej zváracej rýchlosti. Tvorba plazmy je jedným zo základných

faktorov pri laserovom zváraní.

Pre uvedenie plynu do stavu plazmy je jeho najdôležitejšou vlastnosťou

ionizačný potenciál. Čím vyššia je hodnota ionizačného potenciálu, tým menej plazmy

vzniká. Nízke hodnoty ionizačného potenciálu znamenajú jednoduchý vznik

plazmatického stavu a veľké množstvo plazmy. Konkrétne hodnoty ionizačného

potenciálu vybraných plynov sú uvedené v tabuľke. Tieto plyny sa najčastejšie

používajú na tvorbu ochranných atmosfér pri laserovom zváraní. (www.airliquide.cz)

Plyn

Hélium Argón Dusík CO2 Kyslík

24,5 eV 15,7 eV 15,5 eV 14,4 eV 12,5 eV

Tab. 1 Ionizačný potenciál vybraných plynov

Pri použití hélia vzniká iba malé množstvo plazmy tvorenej ionyzovanými kovovými

výparmi, naopak pri použití argónu je oblasť plazmy ochranného plynu rozsiahla.

Kľúčová dierka – keyhole (ang.)

Vplyvom vypareného materiálu a tlaku prúdiacich metalických pár vzniká

v materiáli kapilára nazývaná keyhole. Vyparený materiál absorbuje energiu laserového

lúča. Vzniknutá kapilára je naplnená ionizovanými kovovými výparmi vysokej teploty a

vytvára plazmu. Steny kapiláry sú tvorené roztaveným kovom. Kapilára má významnú

úlohu, pretože umožňuje prenášať energiu priamo do vnútra materiálu pozdĺž zváraných

plôch a je presúvaná medzi materiálmi určenými na spojenie rýchlosťou zvárania. Pri

posuve lúča v smere zvárania dochádza vplyvom povrchového napätia roztaveného

kovu k opätovnému spojeniu zváraného kovu za kľučovou dierkou. Tento efekt

umožňuje zváranie tupých zvarov rôznych hrúbok bez úprav zváraných plôch, bez

prídavného materiálu a na jeden prechod s plným alebo čiastočným prievarom.

Jednoduchá kontrola prievaru spoločne s úzkou tepelne ovplyvnenou oblasťou zaisťujú

vysokú kvalitu spoja. (www.engineering.sk, www.airliquide.cz)

4 Predpokladaný prínos práceV každom odvetví strojárskych technológií je hlavným cieľlom dosiahnutie

vysokej úrovne kvality výrobku. Progresívne technológie navárania spĺňajú tieto

podmienky bez pochybností.

V dnešnej dobe, už nieje podmienkou len vysoká úroveň kvality spracovania,

kladie sa vysoký dôraz na finančnú stránku, v ktorej je obsiahnutá nákladovosť na

samotnú výrobu, jako aj náklady spojené s nadobúdaním použitých materiálov,

nevyhnutne potrebných na proces spracovania súčiastok. Progresívne technologie

navárania, tým že sa neustále vyvíjajú v laboratórnych podmienkach dokážu výrazne

ovlpyvniť náklady spojené s používanými materiálmi. Vďaka presnosti a dokonalosti

naváracieho procesu výrazne šetria objem použitých prídavných materiálov a časy

potrebné na spracovanie, náklady spojené s výrobou sby sa mali neustále znižovať.

Progresívne technologie navárania tiež riešia i otázku spojenú s ochranou

životného prostredia. Tým, že sa skracujú časy procesu navárania a tiež už spomenutá

úspora materiálov, mali by byť ovplyvnené negatívne dopady na životné prostredie

z globálneho, aj energetického hladiska.

5 ZáverGlobálne napredovanie a vplyv technológií neobyšlo ani sféru strojárskych

technológií, ktoré sa v posledných rokoch vyvinuli na takú úroveň, že z mnohých

experimentálne testovaných sa stali časom vysoko spoľahlivé a dnes už bežne

používané pre svoj pozitívny vplyv na životnosť súčiastky, ako aj energetickú a

ekonomickú úsporu zdrojov. Veľkým prínosom je nepochybne i naváranie, ktoré patrí

medzi najprogresívnejšie metódy renovácie. Toto nanášanie prídavného materiálu na

povrch základného materiálu sa prevádza z dôvodu zrenovovania pôvodných rozmerov

funkčnej plochy na súčiastke. Využíva sa aj v  prípade, kedy je potrebné dosiahnuť

lepších vlastností povrchu či už ide o tvrdosť, žiaruvzdornosť, odolnosť voči korózií a

chemicky agresívnym látkam alebo iným opotrebovaniam.

Zoznam použitej literatúry

1. BALOG, J. – ČIČO, P.: Spoľahlivosť strojov 1,2. ES SPU v Nitre,

Nitra 2002.

2. BENKO, B. – FODREK, P.: Laserové technológie, monografia. SjF STU

Bratislava, 2000.

3. JANKURA, Daniel – VARGA, Vojtech: PRE-CHE-MA, Košice 1999.

4. JANOTA, Martin: Odporové zváranie. Bratislava 2003

ISBN 80-88734-03-7.

5. HRIVŇÁK, I.: Laserové technologie, laserové zváranie. Košice 1995.

6. HODÚLOVÁ, Erika: Ostatné procesy zvárania, Bratislava 2003

ISBN 80-88734-03-7.

7. KOLENIČ, F. - BLAŽÍČEK P. – KOSEČEK, M.: Nová metóda navárania pulzným

elektronovým lúčom s pridáváním drôtu. In Zvárač III, 2006, č.1. ISSN 1336-5045.

8. KOLENIČ, F. – BLAŽÍČEK, P. - MACHOVIČ, M.: Laserové hybridné zváranie

- nová perspektívna technika produktívneho zvárania v priemysle.

Zvárač č. 2, 2005.

9. KOVACÓNY, P. - JANÍKOVÁ, D.: Eurowellding Revue. 1998.

10. KOTUS, Martin: Aplikácia pulzných zváracích zdrojov

pri renovácií súčiastok. Nitra 2008.

11. KUBÍČEK, Jaroslav: Technologie svarování a zarízení. Praha 2006

ISBN 80-85-771-81-0.

12. KVASNA, L.: Porovnanie laserov použitých v praxi.

Zborník prednášok vedeckej konferencie Akademická Dubnica Dubnica nad

Váhom 2003.

13. ORSZÁGH, P. - ORSZÁGH, V.: Zváranie oblúkom obalenou elektródou.

Bratislava 2003.

14. RATAJ, Vladimír a kol.: Metodika písania záverečných prác na SPU

v Nitre. Nitra 2006. ISBN 80-8069-328-5.

15. READY, J.F.: LIA Handbook of laser materials processing. Orlando LIA

2001.

16. RUBEŠ, Ladislav a kol.: Technológia opráv II. Praha 1980.

17. STEEN, W.M.: Laser Material Processing. Londýn 2003.

18. STN 05 0000: Zváranie kovov, Základné pojmy.

19. Strojárstvo EXTRA v tribológií a zváraní 11/2006.

20. SUCHÁNEK, Zdenek a kol.: Prevádzková spoľahlivosť strojov. Bratislava

1990 ISBN 80-07-00320-7.

21. TOLNAI, Rudolf 2000.: Strojárenská technológia 1. Nitra: SPU, 2000

ISBN 80-7137-669-8.

22. TURŇA, Milan - KOVACÓNY, P.: Zváranie laserovým lúčom. Bratislava

2003. ISBN 80-227-1921-8.

23. TURŇA, Milan a kol.: Špeciálne metódy zvárania. Bratislava 1989

ISBN 80-05-00097-9.

24. www.airliquide.cz

25. www.strojarskatechnológia.info

26. www.engineering.sk

27. www.esab.com

28. www.kme.elf.stuba.sk

29. www.huffmancorp.com, Kaser Huffman Corporation

30. www.sk.esab.net, ESAB 2007 Zváracie procesy

31. www.tuke.sk/sevcovic, ŠEVČOVIČ Ladislav

32. www.twi.co.uk