Coherent nahlédl pod pokličku laserového svařování

Laserové svařování vláknovým laserem bylo v minulosti podrobně studováno pomocí vysokorychlostního videa. Video umožňuje studovat dynamiku taveného kovu a páry (nazývané "klíčová dírka"), která vzniká během svařování. Obvykle je kamera umístěna nad výrobkem a sleduje dění na povrchu. To, co se ale děje v uvnitř klíčové dírky bylo až dosud tajemstvím. 

Jak můžeme nahlédnout dovnitř? V minulosti se pro tento účel používala rentgenová videa, ta ale nikdy neposkytovala dostatečné podrobnosti, protože zdroje rentgenového záření nebyly dostatečně výkonné. Výzkumná spolupráce mezi skupinou Production Technology Group z Technické univerzity Ilmenau a Coherent Applications Lab v Hamburku si představovala použití mnohem výkonnějšího zdroje rentgenového záření než kdy předtím. Myšlenkou bylo použít rentgenové záření dostatečně silné, aby procházelo pevným kovem.

To by umožnilo získat záběry svařovacího procesu s vysokým rozlišením z bočního pohledu. Boční pohled by odhalil mnohem užitečnější informace - konkrétně přesný tvar a vývoj klíčové dírky během svařování.

Vylepšení laserového svařování ARM vláknovým laserem

Výzkumná skupina chtěla tímto přístupem konkrétně zkoumat přesný způsob fungování laseru Coherent Adjustable Ring Mode (FL-ARM). Již víme, že laser FL-ARM přináší úžasné výsledky při svařování vysokopevnostní oceli bez trhlin, svařování hliníku bez přídavného drátu a úspěšné svařování mědi. A víme, že to vychází z schopnosti ARM laseru precizně kontrolovat ohřev a ochlazování materiálu během svařovacího procesu. Ale ne vždy rozumíme každému detailu, jak se to všechno děje. Tým se proto zaměřil zejména na některé z nejkritičtějších a nejnáročnějších aplikací vláknových laserů v různých svařovacích úlohách v elektromobilitě. Konkrétně na svařování mědi, hliníku a dalších tradičně "obtížně" svařitelných materiálů - a často s velmi tenkými plechy citlivými na teplo. Zajímali se také o studium tzv. "profilového svařování". Tento postup se často používá k výrobě trubek.

Cílem tohoto výzkumu bylo získat větší porozumění tomu, jak tyto procesy fungují, vizualizováním procesů a dynamiky klíčové dírky a pozorováním vlivu různých distribucí výkonu ARM laseru na tvorbu rozstřiku materiálu při svařování měděných materiálů. Cílem bylo samozřejmě zlepšit výsledky a vyvinout spolehlivější výrobní metody.

Evropské zařízení pro synchrotronové záření

Ve světě existuje jen několik zařízení, která dokáží generovat dostatečně výkonné rentgenové záření pro provádění požadovaného druhu zobrazování. Jedním z těchto míst míst je Evropské zařízení pro synchrotronové záření Extremely Brilliant Source (ESRF-EBS) ve francouzském Grenoblu. Bylo postaveno speciálně pro potřeby výzkumníků v oblastech zdravotnictví, čisté energie, materiálové vědy, umění a antropologie. 

Samotný synchrotron je trubka o obvodu 844 metrů s vakuem uvnitř. Elektrony obíhají uvnitř a jsou urychlovány téměř na rychlost světla. Magnety kolem okruhu slouží k rychlé změně směru letu elektronů. Při této změně elektrony vysílají mimořádně silné rentgenové záření. Toto rentgenové záření je pak nasměrováno do jedné nebo několika z 44 různých "světelných linií". Světelné linie obsahují laboratoře a přidružené přístroje používané k provádění skutečného výzkumu.

Experimentování mimo běžné mantinely

Tým výzkumníků ze společnosti Coherent Labs sestavil svařovací soupravu, která zahrnovala 8 kW vláknový laser HighLight FL-ARM. Výzkumná skupina z Technické univerzity Ilmenau navrhla a sestavila zařízení pro držení a pohyb součástí během svařování, stejně jako optiku a systém pro dodávku pomocného plynu. Veškeré toto vybavení bylo umístěno v "experimentální kabině" (místnost zcela obklopena olověným pláštěm o tloušťce 75 mm) na jedné ze světelných linií. Svařování bylo prováděno pod počítačovou kontrolou, zatímco bylo vystaveno rentgenovému záření. Kamerový systém, který převádí rentgenové záření na viditelné světlo, zaznamenával dění rychlostí až 50 000 snímků za sekundu. Tým 14 lidí pracoval ve čtyřech směnách po dobu sedmi dnů a provedl několik set individuálních svařovacích testů na různých kovech, včetně nerezové oceli, mědi a hliníku.

Výsledkem testování bylo 14 TB dat k analýze. Jejich vyhodnocení tak bude ještě nějakou dobu trvat. Již první výsledky ale ukázaly, že s vhodnou distribucí výkonu (přibližně stejný výkon ve středových a okrajových paprscích) je klíčová dírka stabilizována a na základně není žádné zužování. Naopak, když je výkon ve středovém paprsku příliš vysoký, kapilára se zužuje na základně. To má za následek rozstřik materiálu a vznik pórů. Pokud je příliš vysoký v okrajovém paprsku, tavený materiál se valí do klíčové dírky, zde se prudce odpařuje a způsobuje vystřikování materiálu.

Dále byl zkoumán vliv ochranných plynů na tvorbu kapiláry. Tyto poznatky poskytují lepší porozumění procesům při svařování, což by mohlo vést k vylepšením v oblasti vláknového laserového svařování a rozšíření jeho aplikací v průmyslové výrobě.

Celkově řečeno, tato spolupráce mezi výzkumníky z Technické univerzity Ilmenau a Coherent Applications Lab v Hamburku umožnila lépe porozumět procesům při laserovém svařování vláknovým laserem, zejména při použití laseru Coherent Adjustable Ring Mode (FL-ARM). Výsledky tohoto výzkumu by mohly vést k vylepšeným metodám svařování a rozšíření možností využití vláknových laserů v průmyslové výrobě.