Gépesített kézi lézeres hegesztés gyakorlati tapasztalatai – CLOOS – Óbudai Egyetem együttműködésében. – I. rész.

„Dr. Gáti József, Dr. habil Kovács Tünde, Nagy Balázs – Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar, Gépészeti és Technológiai Intézet Anyagtechnológiai Intézeti Tanszék – A cikk megjelent a Hegesztéstechnika – 2024. évi 4. számában!”

 

1.    Bevezetés

Az elmúlt években számos hír látott napvilágot a kézi lézersugaras hegesztő és tisztító berendezésekről, illetve keltettek feltünést a YouTube platformokon közzétett kisfilmek. Ez utóbbiak különösen az alkalmazás szempontjából kerültek az érdeklődés középpontjába, többségében az elmaradt biztonsági intézkedések miatt [1].

A 2000-es évek elején publikált kézi lézeres cikkek többségében orvosi eszközök, ékszerek, gépjármű karosszériák hegesztési alkalmazásait mutatta be [2], [3], [4]. Azóta a lézeres áramforrások és az átvitelek fejlődése eredményeként alacsonyabb költségű, kompakt berendezések kerültek kifejlesztésre, melyek többsége 3-5 kW teljesítményű alkalmazást kínál megfizethető áron [7], [8].

A kézi lézeres hegesztőberendezéseket forgalmazó kereskedőházak előnyként fogalmazzák meg, hogy a három, illetve négy munkafolyamat – a hegesztés, a vágás és a tisztítás, hegesztési varrat tisztítás – egy géppel elvégezhető. A berendezéseket széleskörben ajánlják az alábbi területekre

• olyan lakatos műhelyek számára, akik költséghatékonyan akarnak dolgozni,
• olyan gépjavító üzemek (karosszériások, autósműhelyek) számára, akik profi gépre vágynak,
• olyan ipari acélszerkezet gyártók számára, akik hatékonyságot akarnak növelni [5].

A kézi lézeres hegesztés során hegesztőnek megfelelő védelmet nyújtó egyéni védőfelszerelést kell használnia az eljárás során: nem gyúlékony, hosszú ujjú, a lézer hullámhosszának megfelelő munkavédelmi ruházatot, hegesztőkesztyűt és lézerpajzsot kell viselnie.

Gondoskodni kell a lézeres munkaállomás elhatárolásáról, a szórt sugárzás lehatárolásáról megfelelő védettséget biztosító paravánokkal, függönyökkel, illetve zárt kabinban való elhelyezéssel. Megoldást jelentenek az un. aktív védelmi rendszerek kialakítása [10]. 

• A kézi lézeres hegesztés alkalmazása

Az elmúlt évek során számos kézi lézeres hegesztési és felülettisztítási alkalmazást szemléltettek ajánlásaikban, illetve szakcikkekben a berendezéseket forgalmazók. A 3. ábra ezek közül szemléltet néhányat.

A kézi lézeres hegesztés a gyártási területeken (járműipar, háztartási berendezések, tartályok és fémbútorok, korlátok stb.) túl jelentős szerepet tölt be a szerszámacélok, gőzturbinák, gépjármű-alkatrészek és repülőgép-hajtóművek javításánál is, a szerkezeti-, és a korrózióálló anyagok mellett az alumínium- és a titánötvözetek esetében is.

Az eljárás terjedését – más védőgázos hegesztési eljárásokhoz viszonyítva is – kedvező jellemzői is elősegítik (1. táblázat).

1. táblázat A kézi lézeres hegesztés alkalmazásának előnyei és hátrányai

Előnyök	Hátrányok
Koncentrált hőbevitel	Nagyobb méretű és tömegű energiaforrás az inverteres áramforrásokkal szemben
Nagy hegesztési sebesség és beolvadási mélység más eljárásokhoz viszonyítva	Fokozott figyelmet igényel az optikai kábel kezelése, a kábel, illetve a hegesztőfej sérülése esetén azok cseréje szükséges
Az energiafogyasztás alacsony	Class 4 lézeres biztonsági osztály, fokozott egyéni és kollektív védelem szükséges, „Laser Safety Officer” alkalmazása
Kismértékű deformáció	–
A hegesztési varrat egyenletes, sima felületű	–
Alacsony előkészítési- és utólagos megmunkálási igény	–
Alacsony beruházási költség, rövid megtérülési idő	–
Az eljárás alkalmazása könnyen elsajátítható, a hegesztő személyzettel szembeni követelmények szintje alacsony	–

További előnyt jelent a szálas lézeres berendezések üzemi automatizálási rendszerbe illesztésének lehetősége a robottechnika igénybevételével. A robot rugalmassága a kézi lézeres hegesztési technológia lehetőségeivel kombinálva, alkalmassá teszi kisebb volumenű gyártmányok esetében az alkalmazást, mely tovább javítja a lézeres hegesztés termelékenységét.

A lézeres hegesztési eljárások technológiai paraméterei az alábbiakban foglalhatók össze

• a lézer sugárforrás típusa,
• a lézer sugárforrás teljesítménye,
• a lézer sugárforrás gerjesztési frekvenciája,
• a lézer sugárforrás energiaeloszlása,
• a fókuszpont elhelyezkedése,
• a hegesztőfej dőlésszöge,
• a védőgáz típusa, mennyisége,
• a hegesztési sebesség,
• a hegesztési él előkészítése,
• illesztési hézag.

Jelen összeállításban vizsgáltuk a kézi lézeres hegesztés technológiai paramétereinek hatását a hegesztett kötésre.

• Hegesztési kísérletek

A hegesztési kísérleteket a CLOOS Magyarország, Crown International Kft. nagytarcsai telephelyén folytattuk, a cég által rendelkezésre bocsájtott DXTECH CCW30 típusú szálas kézi lézeres hegesztő berendezéssel. A kísérletek során alkalmazott hegesztő berendezés jellemzőit a 2. táblázat szemlélteti.

2. táblázat A kísérleti berendezés jellemzői

Megnevezés	Adat
Lézertípus	Szálaslézer 1070 nm
Lézer teljesítmény	1.000-3.000 W
Biztonsági osztály	4. osztályú lézerrendszer
Lézer frekvencia	1.000-20.000 Hz
Nyaláb oszcilláció	Hossza 0-5 mm, frekvencia 1-60 Hz
Hűtés módja	Vízhűtés
Villamos hálózat	220±10% V 50/60 Hz
Méret (Sz-Ho-Ma)	410×610 mm
Tömeg	40 kg

A hegesztési kísérletek során alkalmazott lézeres energiaforrás és a kapcsolódó FWS-01A típusú huzalelőtoló berendezést a 4. ábra szemlélteti.

A kísérletek során alkalmazott DXTECH CCW30 típusú szálas kézi lézeres hegesztőberendezés és a FWS-01A típusú huzalelőtoló

A hegesztőberendezéshez az FWH20-S10A típusú lézeres hegesztőpisztoly került alkalmazásra, melyhez csatlakoztatható a huzaladagoló kiegészítés.

A CLOOS Magyarország telephelyén végzett hegesztési kísérletek során – figyelembe véve az előkészületek során végzett kézi próbahegesztések tapasztalatait, – a nagy sebességű pisztolyvezetés biztosítása, illetve a hegesztési sebesség állandó értéken tartása érdekében Dobot CR10A típusú intelligens kollaboratív robot alkalmazására került sor.

6. ábra A hegesztési elrendezés: Dobot CR10A típusú kobotra illesztett FWH20-S10A szálas lézeres hegesztőpisztoly

A kísérletek során az elsődleges lézersugárzás elleni alapvető védelmet ˗ a megfelelő védőruházat, és az elhatárolás mellett ˗ a kobot kar által virtuálisan felvehető biztonsági és munkazónák adták, ezek a térben szabadon felvehetőek és akár alkatrészenként módosíthatók is. Dobot esetén egy vagy akár több összefűzhető téglalap alakú térhálóban, különböző formák is felvehetők a térben a cél érdekében.

Ezeket a zónákat kapcsolható biztonsági relékkel hangoltuk össze, hogy a lézernyaláb csak a térben felvett zónákon belül üzemeljen. Így amennyiben a programozó véletlenül hibát követ el programozás közben; pl. nem kapcsolta le a csökkentett sebességű hegesztés után a lézert és tengelymozgásokkal a lézer kijuthatna a fizikai munkaterületről, a lézer automatikusan leáll. Emellett külön biztonsági relét kapott a kollaboratív kar vezérlőjétől a STOP státusz, ami ugyancsak garantálja az elektromos bekötések által, hogy a lézer ne legyen indítható semmilyen olyan esetben sem amikor a program nem fut a vezérlőn.

• Hegesztési kísérletek, alkalmazott paraméterek

Az előzőekben bemutatott kobot rendszer alkalmazásához kísérleti tervet állítottunk össze, melynek alapvető célja a hegesztési paraméterek hatásának elemzése a hegesztett kötésre, a varrat geometriájára.

A kísérletek során 40×20 mm felületű, S355 jelű, általános rendeltetésű, szerkezeti acélt alkalmaztunk, melynek összetételét az alábbi táblázat tartalmazza.

3. táblázat Az S355 jelű szerkezeti acélt összetétele

Jel	Összetétel, max.
	C, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %	N, %	Cu, %
S355J0	0,20	0,55	1,60	0,030	0,030	0,012	0,55

4. táblázat Az S355 jelű szerkezeti acélt mechanikai jellemzői

Jel	Mechanikai jellemzők
	ReH, MPa	Rm, MPa	KV, J, 0 °C-on
S355J0	355	510…680	27

• A lézerteljesítmény-változás hatásának vizsgálata

Vizsgálataink első körben a lézerteljesítmény hatásának elemzésére terjedt, 5 mm vastagságú munkadarabokon, az alábbi kísérleti terv alapján.

5. táblázat A lézerteljesítmény változásának vizsgálatára szolgáló kísérletterv

Azono-sító	Lézer teljesít-mény, W	Hegesztési sebesség, mm/s	Védőgáz	Lézer- frekvencia, Hz	Lengetési frekvencia és mértéke
H1	200	8	nitrogén, 0,2 MPa	3000	35 Hz, 2,5 mm
H2	300
H3	600
H4	900
H5	1000
H6	1200
H7	1400
H8	1600
H9	1800
H10	2000

A H2-es jelű hernyóvarrat 300 W lézerteljesítményű hegesztését a lézeres berendezés kijelzőjével a 7. ábra szemlélteti.

7. ábra A H2-es hernyóvarrat hegesztése 300 W lézerteljesítménnyel

A hegesztési varratokat metallográfiai vizsgáltnak vetettük alá az Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Metallográfiai Laboratóriumában. Jellemző keresztmetszet kimunkálása lemezollóval történt, majd hidegbeágyazással, kétkomponensű műgyantával (Demotec 20) rögzítettük a mintákat. Az ily módon előkészített vizsgadarabokat mintaelőkészítő gépen (Struers LaboForce-50) a metallográfiában ismeretes módon több fokozatban csiszoltuk (P80, P160, P240, P500, P600, P1200, P2500 fokozatszámú) vizes csiszolópapírokon (SiC), majd 3µm-es gyémánt szuszpenzió segítségével posztón políroztuk.

A mintákat vízzel és etanollal lemosva szárítottuk. A polírozás után az anyagából fakadóan a csiszolatokat 10 másodpercig marattuk 2%-os nitálban (salétromsav + etanol), majd vízzel és etanollal lemosva szárítottuk. Az elkészült mintákat Olympus DSX1000 digitális mikroszkópon vizsgáltuk és mértük a varratszélességet és beolvadási mélységet változó paraméterek függvényében. A H1…H10-ig terjedő hegesztési sorozat varratainak képét a 8. ábra mutatja.

8. ábra A H1…H10-ig terjedő hegesztési varratok mikroszkópi felvételei

A metallográfiai vizsgálat során feltárt hernyóvarratok mért geometriai eredményeit a 10. ábra diagramja foglalja össze.

9. ábra H1-H10 varratok varratszélességei és beolvadási mélységeinek értékei

• A hegesztési sebesség hatásának vizsgálata

A kísérlet második sorozatban a vizsgálatok a hegesztési sebesség hatásának elemzésére szolgáltak az alábbi kísérleti terv alapján.

6. táblázat A hegesztési sebesség változásának vizsgálata

Azonosító	Lézer teljesít-mény, W	Hegesztési sebesség, mm/s	Védőgáz	Lézer frekvencia, Hz	Lengetés frekvencia és mértéke
H11	1200	25	nitrogén, 0,2 MPa	3000	35 Hz, 2,5 mm
H12		23
H13		21
H14		20
H15		18
H16		16
H17		14
H18		12
H19		10
H20		8
H21		6
H22		4
H23		3
H24		2
H25		1

A H11…H20-ig terjedő hegesztési sorozat varratainak képét a 10. ábra mutatja.

10. ábra H11-H25 varratok varratszélességei és beolvadási mélységeinek értékei

A hernyóvarratok mért geometriai méreteit a 11. ábra diagramja szemlélteti.

11. ábra H11-H15 varratok varratszélességei és beolvadási mélységeinek értékei

• Összegzés

Napjaink kézi lézersugaras hegesztőberendezéseknek komoly relevanciája van fejlett társadalmunkban. Multifunkcionalitásuk, könnyű beszerzési lehetőségük, kedvező árfekvésük, és hegesztési jellemzőik mind hozzájárulnak rohamos elterjedésükhöz. Biztonságos üzemeltetésükhöz az alkalmazási paraméterekre optimalizált védőeszközöket kell beszerezni és alkalmazni.

Kísérletsorozatunk első lépései a technológia megismerésére irányultak, melynek során az elsődleges lézersugárzás elleni védelmet a kobot kar által virtuálisan felvehető biztonsági és munkazónák adták. Ezen alkalmazás lehetővé tette a megbízható és reprodukálható parametrizálást hernyóvarratok segítségével.

A kísérletsorozat továbbfejlesztése során tompa-, és merőleges lemezkötésekkel, valamint hegesztett csőkötésekkel kívánunk kísérleteket folytatni ötvözetlen szerkezeti-, majd korrózióálló acélon, az Egyetem nagy energiasűrűségű CLOOS Laboratóriumában, kobot, illetve precíziós körvarrathegesztő célberendezés alkalmazásával.

 

Irodalomjegyzék