L4-spawanie.pdf

(1053 KB) Pobierz
Technologie laserowe – Spawanie laserowe
Jakub Kędzia (jakub.kedzia@pwr.wroc.pl)
Laboratorium - Spawanie laserowe
1. Wstęp.
Spawanie z wykorzystaniem lasera najczęściej wykorzystuje się w przemyśle
motoryzacyjnym oraz lotniczym, czyli tam gdzie istotna jest wysoka jakoś wykonanych
spoin. W procesie tym zasadniczo stosowane są lasery o mocy ciągłej z gazowym (CO
2
) i
stałym (Nd:YAG) ośrodkiem aktywnym. Lasery diodowe z powodu ich gorszej jakości
wiązki i natężenia wykorzystywane są jedynie w spawaniu przewodnościowym. Lasery o
działaniu impulsowym również używa się do spawania, a właściwie do zgrzewania
punktowego. Laserowe zgrzewanie punktowe znalazło zastosowanie szczególnie tam, gdzie
niezwykle ważne jest niebezpieczeństwo cieplnego uszkodzenia struktury elementu w
bezpośrednim sąsiedztwie zgrzeiny, np. w elektronice, w produkcji przyrządów
półprzewodnikowych, oraz układów mikroelektronicznych.
Do głównych zalet laserowego procesu spawania należy:
Wysoki stosunek głębokości do szerokości, od 3:1 do 10:1.
Mała strefa wpływy ciepła, która powoduje minimalne zniekształcenia.
Bezkontaktowość procesu.
Łatwy dostęp do strefy roboczej, możliwość łatwego kierowania wiązką.
Możliwość sterowania gęstością mocy.
Łatwość zautomatyzowania procesu.
Proces jest stosunkowo szybki. Szybszy od większość konwencjonalnych
procesów spawalniczych.
8. Występuje relatywnie wysoka wytrzymałość spoiny w porównaniu do spawania
konwencjonalnymi metodami.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Do głównych wad laserowego procesu spawania należy:
1.
2.
3.
4.
Wysoka szybkość chłodzenia, która może powodować utwardzenie spoiny.
Wysokie gradienty temperatur, które mogą powodować mikropęknięcia.
Zapotrzebowanie na dokładne dopasowanie elementów.
Wysoki koszt inwestycji początkowych.
1
Technologie laserowe – Spawanie laserowe
2. Idea procesu.
Tak jak proces cięcia laserowego, spawanie opiera się na zogniskowaniu wiązki w celu
osiągnięcia odpowiedniej gęstości mocy, a dzięki niej otrzymuje się odpowiednią głębokości
penetracji. Jedynym wyjątkiem jest tutaj fakt, że w procesie spawania używa się szerszej
wiązki, dzięki czemu jest ona łatwiejsza do kontroli oraz śledzenia.
Rysunek 1.
Schemat układu wykorzystywanego w procesie spawania laserowego [1].
Gdy promień lasera pada na metalową powierzchnie ma miejsce odpowiednia
sekwencja zdarzeń. Znaczna część wiązki zostaje odbita. Niewielki procent energii
zaabsorbowanej podgrzewa materiał i powoduje wzrost jego temperatury. Wraz z jej
przyrostem zwiększa się absorpcja, co znowu wpływa na powiększenie temperatury.
Powoduje to miejscowe topienie materiału i możliwe odparowanie metalu. Takie parowanie
może spowodować powstanie plazmy. Jest to powód podziału spawania laserowego na:
1. Spawanie przewodnościowego (ang. heat conduction welding).
2. Spawanie głębokiego (ang. keyhole welding).
Spawanie przewodnościowe używane jest do spawania materiałów cienkich (do 2
mm) natomiast głębokie dla grubych (do 40 mm).
3. Spawanie przewodnościowe.
W procesie przewodnościowego spawania metali materiał jest ogrzewany powyżej
temperatury topnienia poprzez wiązkę laserową, ale tylko do poziomu wystąpienia
nieznacznego parowania materiału. Kształt ciekłego jeziorka i głębokość przetopu zależy od
przewodności cieplnej materiału. W jeziorku przetopiony metal ulega silnemu mieszaniu
spowodowanemu występowaniu sił Marangoniego wynikających z różnicy napięć
powierzchniowych w zależności od temperatury (rys. 2). Proces spawania
2
Technologie laserowe – Spawanie laserowe
przewodnościowego dla stali oraz aluminium jest stabilny i cichy. Widoczna jakość spoiny od
strony lica jest zazwyczaj bardzo dobra (w szczególności dla austenitycznej stali
nierdzewnej).
Rysunek 2.
Przepływ ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym podczas procesu spawania
przewodnościowego. [2]
W porównaniu do innych metod laserowe spawanie przewodnościowe zapewnia mniejszy
pobór energii podczas obróbki, czego rezultatem jest mniejsze zniekształcenia detalu oraz
większa efektywność procesu.
Spawanie przewodnościowe można realizować poprzez zastosowanie trzech
komercyjnych źródeł wiązki: lasera gazowego CO
2
, lasera diodowego oraz lasera o stałym
ośrodku aktywnym Nd:YAG. Natężenie wiązki podczas procesu musi być wystarczająco
wysokie, aby rozgrzać materiał do temperatury topnienia, ale niższa od intensywności
granicznej - „intensywności progowej” (ang. „threshold intensity”). W literaturze próg ten
nazywany jest granicą powstawania plazmy. Jeśli wartość natężenia przekroczy ten próg
spawanie przewodnościowe zamienia się na głębokie. Poniżej tego progu wzrost mocy lasera
powoduje nieznaczne zwiększenie głębokości spawania, która w głównej mierze zależy od
przewodności cieplnej materiału. Przekroczenie intensywności granicznej powoduje
gwałtowne zwiększenie głębokości spawania, ponieważ w trakcie procesu następuje
parowanie stopionego metalu oraz gazów osłonowych. Konsekwencją tego jest powstanie
plazmy. Wymagany próg intensywności mocy powstania plazmy zależy od wielu
parametrów. Największy wpływ ma na niego ma rodzaj gazu osłonowego (np. hel, argon). Od
jego rodzaju zależy wielkość plazmy.
Próg intensywności mocy powstania plazmy przy wykorzystaniu lasera Nd:YAG podczas
procesu spawania stali w osłonie helu mieści się w przedziale od 1x10
6
W/cm
2
do 2x10
6
W/cm
2
.
3
Technologie laserowe – Spawanie laserowe
Rysunek 3.
Różnica pomiędzy spawaniem przewodnościowym, a spawaniem głębokim.
Materiał - stal, Prędkość posuwu - 10 mm/s, Laser – Nd:YAG, Gaz ochronny – hel. [3]
Wartość „progu intensywności” zależy od przewodności cieplnej materiału, jego absorpcji
promieniowania laserowego oraz od rodzaju wiązki (rodzaju źródła, długości fali, mocy,
kształt plamki). W przeciwieństwie do lasera gazowego CO
2
i o stałym ośrodku aktywnym
Nd:YAG, wysokiej mocy lasery diodowe wykorzystywane są tylko do spawania
przewodnościowego z powodu ich mniejszej jakości wiązki i natężenia promieniowania, co
uniemożliwia przekroczenie progu granicznej intensywności.
Proces spawania przewodnościowego z małą wartością natężenia mocy jest stabilny, cichy
i bez problemu może być monitorowany. Generuje on małe spoiny o licu w postaci łusek.
Gdy natężenie promieniowania podczas procesu wzrasta proces zaczyna być niestabilny,
objawia się to w postaci widocznych odprysków i rozwojowi bardzo nieregularnej spoiny.
Dalszy wzrost intensywności powoduje powstanie oparów metalu (plazma) i przejście do
spawania głębokiego.
Zmniejszenie prędkości spawania przy zachowaniu pozostałych parametrów procesu
stałych powoduje zwiększenie głębokości penetracji. Kolejnym parametrem mającym na nią
wpływ jest różna przewodność cieplna materiałów K. Kiedy jest ona mała energia (ciepło)
przemieszcza się znacznie wolniej od strefy interakcji między promieniowaniem laserowym a
detalem wewnątrz materiału i powoduje wzrost akumulacji ciepła, umożliwiając osiągnięcie
większej prędkości oraz głębokości spawania.
4
Technologie laserowe – Spawanie laserowe
Rysunek 4.
Głębokość spawania w funkcji prędkości dla różnych materiałów [3].
Rysunek 4 przedstawia doświadczalnie i teoretyczne obliczoną funkcję głębokości
penetracji w zależności od prędkości spawania dla blachy o grubości 2 mm. Stal Cr-Ni
posiadająca najniższy współczynnik przewodności cieplnej K=27,5 W/(m*k), osiąga
najwyższą prędkość spawania 1 m/min, przy wystąpieniu pełnej penetracji materiału.
Przewodności cieplna stali miękkiej jest większa niż 40 W/(m*K) powoduje to możliwość
osiągnięcia pełnej głębokości spawania przy prędkości 0,9 m/min. Przewodność cieplna
aluminium (99,5-235 W/(m*K) jest największa. W tym przypadku pełna penetracja osiągnięta
może zostać przy prędkości spawania 0,8 m/min.
Rysunek 5.
Spawanie aluminiowej karoserii AUDI A8 z wykorzystaniem lasera Nd:YAG. [4]
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin