ZASTOSOWANIE LASERA W TECHNOLOGIACH SPAWALNICZYCH

1. ZASTOSOWANIE LASERA W TECHNOLOGIACH SPAWALNICZYCH Przygotował: Cezary Roczniak Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

2. plan prezentacji Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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

3. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Słowo LASER oznacza: Wzmocnienie Światła Przez Wymuszoną Emisję Promieniowania

4. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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.

5. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 W skład wszystkich laserów wchodzą trzy podstawowe elementy: ośrodek czynny (wzmacniający światło), układ pompujący, układ luster tworzący komorę rezonatora optycznego.

6. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Ośrodek czynny – Materiał aktywny lasera (Laser-AktivesMaterial LAM) Zdolność magazynowania energii przez nanosekundy (inwersja) Zdolność emisji promieniowania (emisja stymulowana)

7. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Metody wzbudzania (pompowania) lasera Elektryczne wyładowanie gazowe (DC lub AC) Naświetlanie promieniowaniem Pole elektryczne (Niskie napięcie DC)

8. co to jest laser Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Właściwości wiązki laserowej duża gęstość mocy monochromatyczność równoległość spójność (koherencja) polaryzacja liniowa

9. historia rozwoju technologii laserowej Teoria procesu emisji i absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez atomy (Albert Einstein) Maser (microwaveamplificationbystimulatedemission) (Charles H. Townes) Laserrubinowy (693 nm) działający w trybie impulsowym (Theodore Harold Maiman) Laser He-Ne (A. White) l = 633nm Laserneodymowy (L.F. Johnson)9 Pierwszy laser gazowy CO2 (C. Kumar N. Patel) Pierwszy polski laser He-Ne skonstruowany przez WAT 1954 1960 1962 1963 1917 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

10. 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 Pojawia się nowy standard płyt Blue-ray Pierwszy laser o mocy 10 Peta Watów (1015) zbudowany w Kalifornii na potrzeby eksperymentalnego reaktora termojądrowego 1972 1983 2006 2010 1965 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

11. 11 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

12. 12 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

13. 13 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 Wady układy mechaniczne prowadzenia wiązki mała średnica ogniska wiązki laserowej prowadzenie promienia przez lustra konieczność intensywnego chłodzenia brak mobilności wysokie koszty eksploatacji 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 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

15. 15 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

16. 16 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

17. 17 lasery na ciele stałymLASERY PRĘTOWE Elementem czynnym laserów jest kryształ Y3Al5O12 – YAG (YttriumAluminumGarnet)lub szkło kwarcowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich T r Paraboliczny profil temperaturowy Lasery prętowe pompowane lampowo lub diodowo Pmax=4 kW 6 kW, sprawność ok. 26 %,  = 1060nm Chłodzenie boczne pompowanie boczne • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

18. 18 lasery na ciele stałymLASERY DYSKOWE Pompowanie quasi doczołowe T r Lasery dyskowe pompowane diodowo Pmax 16 kW, sprawność ok. 25%,  = 1030nm Płaski profil temperaturowy • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

19. 19 lasery na ciele stałymLASERY 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 Procesy wynikają ze złożenia czasu i intensywności promieniowania Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Jonizacja 108 106 104 Plazma Wiercenie Odparowanie Topienie CięcieSpawanieStapianie Strumień mocy [W/cm²] (Moc, jakość wiązki, długość fali) Podgrzanie Hartowanie 10-8 10-6 10-4 10-2 100 Czas oddziaływania [s] (posuw, długość pulsu)

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. 22 cięcie laseroweMODEL PROCESU Cięcie z odparowaniem 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 Gaz tnący 0,2-25 bar promień lasera kanał gazodynamiczny obszar stopiony strefa wpływu ciepła Stopiony materiał • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

23. cięcie laseroweZALETY duże prędkości i precyzja cięcia możliwość cięcia większości materiałów cięcie 2D i 3D wysokiej jakości powierzchnia po cięciu grubość cięcia do 45 mm. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 wydrążony laserowo poliamid stal konstrukcyjna - skala możliwości

24. 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. 25 cięcie laserowePRZYKŁADY 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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.

27. napawanie laserowePRZYKŁADY Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

28. 28 spawanie laseroweMODEL 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 procesu produkcyjnego Elastyczność (geometria, materiał) Niskie koszty przy wysokiej produktywności Wysoka jakość (brak dodatkowej obróbki) Automatyzacja Pewność pracy Możliwość integracji w istniejące linie produkcyjne Proste sterowanie przez CNC Proste systemy mocowania (obróbka bez naprężeń) Minimalne zanieczyszczenia Możliwość łączenia z innymi metodami spawania Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Zalety technologii Duża prędkość spawania Minimalna strefa oddziaływania Wąski spaw przy dużej głębokości Minimalne obciążenie termiczne detalu Mała strefa oddziaływania cieplnego Minimalne odkształcenie dzięki małej ilości ciepła Obróbka bezkontaktowa, bez oddziaływania siły Możliwość uzyskania nieutlenionych krawędzi Bez materiału dodatkowego Elastyczność łączenia

30. 30 22 TLF 20000 Uwaga: Jakość spawania zależy 20 TLF 12000 od materiału i urządzenia TLF 8000 18 Warunki spawania: TLF 6000 Spoina TLF 5000 Gaz ochronny: Ar , He Prędkość spawania [m/min] 16 Bez drutu TLF 4000 TLF 3200 14 TLF 2700 12 TLF 2000 TLF 1500 10 TLF 700 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Głębokość spoiny (grubość blachy) [mm] spawanie laseroweDOBÓR PARAMETRÓW URZĄDZENIA • Moc laserawkW x 2 = głębokość spawu wmm przy przesuwie 1 m/min Czynniki wpływające na głębokość przetopu: • moc lasera • jakość promienia • ogniskowa • posuw • materiał • spoina • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

31. spawanie laseroweSPAWANIE LINIOWE I PUNKTOWE Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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

32. spawanie laseroweSPAWANIE Z GŁĘBOKIM WTOPIENIEM Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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

33. spawanie laseroweROBOTY SPAWALNICZE Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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.

34. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – MOTORYZACJA Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 karoseria zespół napędowy przekładnie wały napędowe układ jezdny bezpieczeństwo poduszki powietrzne układy wydechowe elektronika

35. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – MOTORYZACJA Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Spawanie tłumików materiał: stal kwasoodporna do 6 zespawanych powłok spawanie do 4 mm prędkość spawania do 6 m/min

36. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – KONSTRUKCJE NOŚNE Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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

37. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – HYDRAULIKA Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 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

38. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – WYMIENNIKI Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 Zalety: wytrzymałość na rozciąganie wysoka prędkość spawania spoina wielokrotna szczelność spawu minimalne odkształcenia Obszary zastosowania: przemysł spożywczy przemysł chemiczny przemysł petrochemiczny

39. spawanie laserowePRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ – BRANŻE Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57 samochody pojazdy szynowe stocznie lotnictwo przemysł ciężki AGD petrochemia budownictwo klimatyzacja, wentylacja telekomunikacja przemysł elektroniczny technika medyczna budowa maszyn

40. 40 inne obszary zastosowań laseraWIERCENIE • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

41. 41 inne obszary zastosowań laseraZNAKOWANIE • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

42. 42 inne obszary zastosowań laseraUTWARDZANIE POWIERZCHNII • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

43. 43 inne obszary zastosowań laseraTECHNOLOGIA BLU RAY • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

44. 44 inne obszary zastosowań laseraZBROJENIA • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

45. 45 inne obszary zastosowań laseraMEDYCYNA • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

46. 46 inne obszary zastosowań laseraCIEKAWOSTKI • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

47. 47 zakończenie Dziękuję za uwagę. 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… • Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57