Lasersko zavarivanje ili TIG zavarivanje: koji postupak odgovara obradi metala?

Ovo poređenje prolazi kroz tačke koje u praksi odlučuju o izboru: unos toplote i deformacija, izgled šava, brzina, veličina zazora i priprema spoja, materijali, uvođenje u rad i zaštita na radu.

Ovaj tekst ne zamenjuje ni procenu rizika, ni pravni savet, ni zavarivačko-tehničku ocenu konkretnog radnog komada.

Dva izvora toplote, dva načina rada

Kod TIG zavarivanja struja se dovodi preko volframove elektrode koja se ne topi; zavaruje se u zaštitnom gasu. Dodatni materijal se dodaje odvojeno. EWM ističe da su time dodavanje dodatnog materijala i jačina struje razdvojeni.

Kod ručnog laserskog zavarivanja vlaknasti laser fokusira svoje zračenje u bliskoj infracrvenoj oblasti na malu fokusnu tačku. Za ručne uređaje koje sam koristi, ifw Jena navodi prečnike fokusa između 50 i 150 µm. Savremeni ručni nastavci osciluju snop poprečno na šav, prema ifw u širini do 7 mm, i dodaju žicu.

Iz toga proizlazi drugačiji način rada. Kod TIG zavarivanja ruka upravlja toplotom i dodatnim materijalom. Kod lasera, prema proceni ifw, tehnika preuzima deo toga, a dodavanje žice diktira brzinu.

Unos toplote i deformacija

Fraunhofer ILT opisuje lasersko zavarivanje metalnih materijala kao postupak koji se odlikuje „posebno malim i kontrolisanim unosom toplote u radni komad“. ifw Jena praktični efekat za ručne uređaje sažima ukratko: brže zavarivati, manje ravnati.

Koliko toplote po dužini šava dospeva u radni komad zavisi od snage i brzine pomeranja, a pored toga i od materijala, debljine lima i oblika šava. Iz toga se ne može izvesti opšte važeći procenat za „manju deformaciju“.

Razlika postaje relevantna pre svega tamo gde deformacija prouzrokuje dodatne troškove:

• tanki limovi koji se lako deformišu
• sklopovi koji posle zavarivanja moraju da budu dimenziono tačni
• delovi kod kojih ravnanje čini osetan deo radnog vremena

Izgled šava, provar i naknadna obrada

TIG je sinonim za čiste šavove. Fronius kao prednosti navodi da ne nastaju prskotine pri zavarivanju i da su šavovi vizuelno posebno kvalitetni; EWM opisuje postupak kao „čist“ i kao posebno pogodan za korenske slojeve.

Kod ručnog lasera snaga je pre u provaru. ifw Jena na dupleks čeliku 1.4462 pokazuje da je potpuno provaren spoj moguć sa jedne strane. Istovremeno navodi potrebu za prilagođavanjem crteža — potpuno provaren spoj umesto a-mere — a za izgradnju šava dvostruku žicu kao pristup. ifw i kod standarda vidi potrebu za prilagođavanjem, kako bi duboki provar mogao da se ostvari ne samo automatizovanim i mehanizovanim sistemima.

Ujednačen izgled šava još nije dokaz kvaliteta. Koja ispitivanja šav mora da prođe proizlazi iz zahteva za radni komad — nezavisno od postupka.

Brzina i stvarno protočno vreme

Fronius navodi male brzine zavarivanja kao nedostatak TIG postupka, a EWM opisuje učinak topljenja kao „ne naročito veliki“. ifw Jena navodi brže zavarivanje kao prednost ručnog lasera.

Za isplativost, međutim, ne računa se samo vreme za gorionikom. Tome se dodaju:

• Uspostavljanje i obezbeđivanje laserske zone
• Oblačenje zaštitne opreme
• Postavljanje odsisavanja
• Priprema i stezanje delova
• Naknadna obrada i ispitivanje

Pouzdano je tek protočno vreme izmereno na sopstvenim delovima.

Veličina zazora i priprema spoja

Fokusna tačka meri samo delić milimetra. Ručni uređaji dodatno nude oscilovanje snopa i dodavanje žice; dodavanje žice prema ifw Jena služi, između ostalog, boljem premošćavanju zazora.

Koliko zazor sme da bude veliki zavisi od uređaja, širine oscilovanja, žice, materijala i debljine lima. Kao orijentacija iz drugog okruženja: za automatizovanu ćeliju za lasersko zavarivanje sa dodavanjem žice Trumpf navodi da može da zatvori zazore širine do 1 milimetra. To izričito nije orijentaciona vrednost za ručne uređaje.

Za pripremu spoja to znači:

1. Proveriti sečenje i naleganje ivica pre nego što se šav isplanira.
2. Stegnuti delove tako da se zazor pri zavarivanju ne otvara.
3. Ostatke, nečistoće i premaze u zoni šava po mogućnosti ukloniti. DGUV u FBHM-135 navodi uklanjanje ostataka i nečistoća sa površina radnog komada kao meru pri TIG zavarivanju; pri zavarivanju preko organskih premaza mogu nastati proizvodi pirolize.
4. Granične vrednosti za sopstveni zazor utvrditi probnim zavarivanjima.

Materijali i debljine limova

TIG pokriva širok spektar materijala. EWM to formuliše ovako: ako je metalni materijal uopšte pogodan za zavarivanje topljenjem, može se spajati ovim postupkom. DGUV navodi nelegirane, nisko- i visokolegirane čelike, kao i aluminijum, bakar, nikl, titan i njihove legure. Donja granica prema EWM kod čelika iznosi oko 0,3 mm, a kod aluminijuma i bakra 0,5 mm. Za velike debljine radnog komada TIG prema Fronius nije pogodan.

Kod lasera ulogu igra refleksija. Fraunhofer ILT označava bakar i aluminijum pri talasnoj dužini oko 1 µm kao visokoreflektujuće. To se odnosi na proces i — preko reflektovanog zračenja — na zaštitu od lasera.

Beamlux mašina za lasersko zavarivanje je prema podacima proizvođača predviđena za čelik, nerđajući čelik, pocinkovani lim i aluminijum.

Uvođenje u rad i kvalifikacija zavarivača

TIG se smatra zahtevnim postupkom. EWM govori o veštoj „ruci“ i dobroj obuci, a Fronius kao nedostatak navodi visoku potrebnu veštinu.

Kod ručnog lasera, prema proceni ifw Jena, tehnika nadoknađuje deo iskustva, pre svega dodavanje žice i oscilovanje snopa. U sopstvenim testovima sa studentima institut poredi nedelju dana TIG obuke sa pola dana na ručnom laseru. Kao prednost navodi prihvatljive rezultate zavarivanja i uz malo iskustva.

Uz to idu dva ograničenja:

• Veoma iskusni TIG zavarivači prema ifw nisu uvek i najbolji laserski zavarivači. Moraju da zavaruju brže, a vid, zvuk i osećaj procesa su drugačiji.
• Kraće uvođenje u rad ne znači rad bez obuke. ifw nudi trodnevni kurs koji se završava ispitom za zavarivače prema DIN EN ISO 9606-1 na CrNi čeliku.

Nezavisno od dokaza o kvalifikaciji, § 8 OStrV kod opasnosti od veštačkog optičkog zračenja zahteva obuku na osnovu procene rizika, i to pre početka rada, a zatim najmanje jednom godišnje.

Zaštita od lasera: šta klasa 4 znači u pogonu

Ručne laserske mašine su prema podacima BG ETEM uglavnom laseri klase 4. Opasnosti nastaju usled direktnog ili reflektovanog snopa; kod snažnih uređaja prema BG ETEM u najgorem slučaju već difuzna refleksija iz zone procesa može ugroziti nezaštićene oči. Zračenje u bliskoj infracrvenoj oblasti nije vidljivo.

Iz toga proizlaze organizacione posledice koje kod TIG zavarivanja ne postoje u tom obliku:

• Laserska zona: Prema TROS Laserstrahlung to je zona u kojoj granične vrednosti izloženosti mogu biti prekoračene. Ona ne mora da se poklapa sa radnom zonom.
• Lice zaduženo za bezbednost lasera: Prema § 5 OStrV poslodavac je dužan da pre puštanja u rad laserskih uređaja klasa 3R, 3B i 4 pismeno imenuje lice zaduženo za bezbednost lasera, ukoliko sam ne raspolaže potrebnim stručnim znanjem. TROS kao primer prenetih ovlašćenja navodi isključivanje laserskog sistema pri utvrđenim nedostacima. Odgovornost za procenu rizika i zaštitne mere ostaje na poslodavcu.
• Bezbednosni uređaji: Kod sistema koje opisuje ifw Jena, u njih spadaju nadzor kontakta sa radnim komadom, indikator na ručnom nastavku, treći element kao što je nožni prekidač ili senzor plazme, kao i prekidač sa ključem.
• Zaštitna oprema: Same zaštitne naočare za laser ifw ne smatra pogodnim za duže radove, jer ne štite lice. Ako se u istoj zoni zavaruje električnim lukom i laserom, preporučuje hibridnu masku.

Kao pomoć pri proceni rizika služi DGUV Information 203-093. Ako se poslodavac pridržava TROS, može da pođe od toga da su odgovarajući zahtevi uredbe ispunjeni; druga rešenja moraju da postignu najmanje isti nivo bezbednosti. Ovaj odeljak daje pregled i ne zamenjuje procenu rizika za sopstveno radno mesto.

Dim, gasovi i sekundarno zračenje

Ni TIG nije bez emisija. DGUV u FBHM-135 opisuje da TIG zavarivanje oslobađa opasne materije u obliku čestica i gasova. Treba uzeti u obzir, između ostalog, ozon pri zavarivanju aluminijumskih materijala i visokolegiranih čelika, kao i volframove elektrode sa torijumom; po pravilu treba koristiti elektrode bez dodatka torijuma. Prema BGHM, zona zavarivanja mora biti izabrana ili zaklonjena tako da su lica u okolini zaštićena od zračenja i letenja varnica.

Ni lasersko zavarivanje nije bez emisija. Prema BG ETEM pri interakciji snopa sa materijalom po pravilu se oslobađaju opasne materije u obliku čestica i gasova, a pored toga kao sekundarno zračenje mogu nastati UV zračenje i vidljivo plavo svetlo. Istraživački projekat DGUV utvrdio je da titan kao materijal ima najjače emisije sekundarnog zračenja pri pulsnom laserskom zavarivanju. Pre svega kod titana granična vrednost izloženosti u blizini zone procesa delimično je dostignuta za manje od jednog minuta. Preporučuju se rukavice i odeća nepropusne za svetlost.

Zato za oba postupka važi: odsisavanje na mestu nastanka, zaštita kože i zaklanjanje okoline spadaju u planiranje.

Kada je TIG i dalje bolji izbor

ifw Jena ručno lasersko zavarivanje izričito ne vidi kao zamenu za postupke sa električnim lukom, već kao dopunu. TIG može ostati bolji izbor kada:

• se zavaruju korenski slojevi, za koje EWM opisuje ovaj postupak kao posebno pogodan
• geometrija, deonica šava ili zahtev za šav ne odgovaraju ručnom laseru — granica koju ifw izričito navodi
• se obrađuju materijali koje postojeći laserski uređaj prema podacima proizvođača ne pokriva
• su crteži i kvalifikacije usmereni na TIG, a prilagođavanje nije isplativo
• u pogonu još nema lasera i zavaruje se samo povremeno, pa bi lice zaduženo za bezbednost lasera, laserska zona i zaštitna oprema morali da se uspostave tek za nekoliko šavova
• se radi na mestima na kojima se laserska zona ne može bezbedno uspostaviti

Kada mašina za lasersko zavarivanje dolazi u obzir

Mašina za lasersko zavarivanje može da se isplati kada deformacija i ravnanje prouzrokuju osetne troškove, kada nastaje mnogo istovrsnih šavova koji odgovaraju ručnom laseru ili kada nedostaje stručnjaka za zahtevno TIG zavarivanje. ifw izričito navodi nedostatak stručne radne snage kao jedan od pokretača.

BL mašina za lasersko zavarivanje kompanije Beamlux je pokretna, vodeno hlađena i radi sa vlaknastim laserom u kontinuiranom režimu. Dostupna je u izvedbama od 1500, 2000, 3000 i 6000 W, ima dvostruko zakretnu glavu za zavarivanje i predviđena je za zavarivanje, sečenje, čišćenje zavarenog šava i uklanjanje rđe. Izvedbe od 1500 do 3000 W počinju od 12.600 € bez PDV-a, a izvedba od 6000 W dostupna je na upit.

Cenu uređaja dopunjuju zaštita od lasera, odsisavanje, zaštitna oprema i uvođenje u rad. Da li se nabavka isplati zavisi od toga koliko šavova zaista ima koristi od lasera.

Zaključak: dopuna, a ne zamena

Lasersko zavarivanje ili TIG zavarivanje nije načelno pitanje, već pitanje šava. Poređenje pokazuje:

1. Laser može da zavaruje sa manjim unosom toplote, manjom deformacijom i većom brzinom.
2. TIG ostaje jak kod korenskih slojeva, širokog spektra materijala i šavova bez prskotina.
3. Laser zahteva pažljivu pripremu spoja i organizovanu zaštitu od lasera klase 4.
4. Oba postupka oslobađaju opasne materije i zahtevaju odsisavanje.

Koji postupak odgovara sopstvenoj obradi metala najpouzdanije se može razjasniti probnim zavarivanjima na sopstvenim delovima i potpunom računicom koja uključuje i zaštitu na radu.

Izvori

• Fraunhofer ILT – spajanje metala — Lasersko zavarivanje sa malim i kontrolisanim unosom toplote; visoka refleksija bakra i aluminijuma pri talasnim dužinama oko 1 µm.
• ifw Jena – „Ručno lasersko zavarivanje – opasnosti i zaštitne mere: iskustva iz obuke zavarivača“ — Materijal sa predavanja, objavljen na dguv.de u okviru stručne oblasti za drvo i metal; prednosti, granice, bezbednosni uređaji, zaštitna oprema i obuka.
• DGUV – Fachbereich AKTUELL FBHM-135 „Gefährdungen durch Gefahrstoffe beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) – Präventionsmaßnahmen“ — Opasne materije, ozon, elektrode sa torijumom i zaštitne mere pri TIG zavarivanju.
• BGHM – Arbeitsschutz kompakt 042 „TIG zavarivanje“ — Zaklanjanje od zračenja i letenja varnica, odsisavanje, zaštita od požara.
• BG ETEM – etem magazin „Potcenjeni rizici“ o ručnim laserskim mašinama — Klasa lasera, refleksija, sekundarno zračenje i opasne materije kod ručnih mašina za lasersko zavarivanje.
• IFA/DGUV – istraživački projekat FF-FP 0439 o UV zračenju kod procesa ručnog laserskog zavarivanja — Sekundarno zračenje, granična vrednost izloženosti kod titana, preporuke za zaštitu kože i očiju.
• DGUV Information 203-093 — Pomoć pri proceni rizika kod rada sa otvorenim laserskim uređajima za obradu materijala sa ručnim vođenjem ili ručnim pozicioniranjem.
• OStrV – nemačka uredba o zaštiti na radu od veštačkog optičkog zračenja, § 5 i § 8 — Imenovanje lica zaduženog za bezbednost lasera i obuka zaposlenih.
• TROS Laserstrahlung – deo Opšte odredbe (BAuA) — Pojam laserske zone, zadaci i ovlašćenja lica zaduženog za bezbednost lasera, pretpostavka usklađenosti.
• EWM – osnove TIG zavarivanja — Princip postupka, materijali, minimalne debljine limova, korenski slojevi i zahtevi u pogledu ručne veštine.
• Fronius – Šta je TIG zavarivanje? — Prednosti i nedostaci TIG postupka.
• Trumpf – saopštenje za medije o TruLaser Weld 5000 — Premošćavanje zazora dodavanjem žice u automatizovanoj ćeliji za lasersko zavarivanje.

Povezani sadržaji