SPAWANIE LASEROWE

Spawanie laserowe należy do najnowocześniejszych metod spawania, swymi cechami konkuruje z procesami spawania elektronowego.  Jest to proces spawania o bardzo dużej efektywności i łączenia najrozmaitszych kształtów we wszystkich pozycjach spawania  przez co podnosi wydajność procesów produkcyjnych.

 

Proces spawania laserowego polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doporowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego o bardzo dużej gęstości mocy.

 

Zdjęcie spawania laserowego
Foto nr1:  Spawanie laserowe RUUKKI
Rys nr1:  Schemat spawania laserowego

Spawanie odbywać się może przez:

  • Tworzenie jeziorka spawalniczego
  • Z pełnym przetopieniem złącza w jednym przejściu lub wielowarstwowo bez lub z materiałem dodatkowym.

Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają że energie liniowe spawania są bardzo małe takie, które wymagane są do stopienia złącza, a SWC i strefa stopienia są bardzo wąskie. Odkształcenia złączy jest tak małe że po zakończeniu spawania nie jest wymagana żadna obróbka mechaniczna.

 

Laser to wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania.

 

Parametry spawania laserowego:

  1. Moc wiązki światła laserowego ciągłego w [kW],
  2. Energia impulsu światła laserowego w [kJ], czas jego trwania w [ms] i częstotliwość powtarzania przy spawaniu impulsowym w [Hz],
  3. Prędkość spawania w [m/min]
  4. Długość ogniska wiązki laserowej w [mm],
  5. Średnia wiązki laserowej w [mm],
  6. Położenie ogniska wiązki laserowej względem złącza w [mm]
  7. Rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego w l/min.

Moc wiązki - Czas trwania wiązki światła laserowego wpływa na głębokość przetopienia złącza. Przekroczenie określonej wielkości mocy dla danego rodzaju spawanego materiału i grubości powoduje początkowo tworzenie się pęcherzy w spoinie a następnie wklęśnięć i nierówności lica, aż do wycieku metalu z oczka.

 

Prędkość spawania - Wzrost prędkości spawania, przy stałej mocy wiązki sprawia, że maleje głębokość przetopienia. Równocześnie spoina staje się węższa i zmienia się zarys linii wtopienia z owalnego na grzybkowaty. Przy nadmiernej prędkości spawania metal stapia się i krzepnie zbyt szybko i nie zdąża rozpływać się i stopić ze sobą. Zbyt mała prędkość spawania powoduje, że znacznie zwiększa się szerokość spoiny, wzrasta SWC, a równocześnie może pojawić się porowatość, podobnie jak przy nadmiernej mocy wiązki lasera.

 

Wiązka światła laserowego - Musi być zogniskowana do małej średnicy za pomocą specjalnych układów optycznych w celu otrzymania dużej gęstości mocy wymaganej w procesie spawania laserowego. Średnice te mieszczą się w granicach od 0,04-2,0 [mm].

 

Średnia wiązki  wynosi około 0,3-0,4 [mm] (teleskop Cassegraina).

 

Długość ogniska wiązki – Głębokość ogniska wiązki laserowej jest z kolei wprost proporcjonalna do długości ogniska. Długość ogniska rzędu 38-75[mm] zapewnia większe głębokości przetopienia zależy w dużym stopniu od dokładności utrzymania stałego położenia ogniska Zwiększenie długości wiązki 125-2500[mm] pozwala na większą tolerancję układu prowadzącego wiązkę laserową wzdłuż linii spawania oraz zmianę odległości po między dyszą a przedmiotem spawanym.

 

W spawalnictwie wykorzystywane są najczęściej dwa typy laserów:

  • lasery impulsowe z krystalicznym elementem czynnym (YAG:Nd, szkło:Nd)
  • molekularne lasery CO2 o emisji ciągłej.

Wiązka laserowa przechodząc z lasera do przedmiotu spawanego poprzez system przesłon zwierciadeł i elementów optycznych jest ogniskowana w obszarze spawania. Wiązka światła laserowego padając na powierzchnię metalu ulega intensywnemu odbiciu w zależności od rodzaju metalu i jego stanu powierzchni. Efektywność spawania laserowego zależy głównie od absorpcji energii wiązki laserowej prze powierzchnię spawanego przedmiotu. Dlatego istotnym problemem przy spawaniu jest odpowiednie przygotowanie powierzchni poprzez zmatowienie lub poczernienie. Spoiny wykonane laserem o emisji ciągłej nie różnią się od spoin wykonanych wiązką elektronów, natomiast wykonane laserem impulsowym składają się ze zbioru częściowo pokrywających się spoin punktowych odpowiadających poszczególnym impulsom. Przy spawaniu cienkich blach <3[mm] ze stali niskowęglowej ze względu na duże prędkości spawania i krótki czas przebywania metalu spoiny w temperaturach utleniania możliwe jest zrezygnowanie z osłony jeziorka spawalniczego. W przypadku spawania materiałów reaktywnych konieczne jest zastosowanie osłony gazowej gazem obojętnym  jeziorka jak i grani złącza.

 

Spawanie laserowe może odbywać się z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa, w jednym przejściu lub wielowarstwowo. Spawanie laserowe pozwala łączyć przy porównywalnej lub wyższej jakości wszystkie metale , które łączone są za pomocą spawania elektronowego.

 

Przy spawaniu laserowym stosujemy gazy ochronne takie jak :

  • Hel
  • Argon
  • Azot
  • Dwutlenek węgla

Hel

Zalety:

  • Bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu i tytanu
  • Wysoka energia jonizacji
  • Kontrolowanie plazmy tworzącej się w kapilarze
  • Wysoka gładkość i jednorodność spoiny

Wady:

  • Duży koszt

 

Argon

 Zalety:

  • Bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromoniklowych oraz stopów na bazie niklu i tytanu
  • Umiarkowany koszt

 

Wady:

  • Stosowanie dyszy o średnicy 1,5-2,5 mm przez co zwiększa się prędkość wypływu gazu
  • Złe ustawienie dyszy względem promienia powoduje powstawanie nierównej i chropowatej spoiny
  • Nadmierna ilość plazmy może utrudniać uzyskanie głębokiego przetopienia.

 

Azot

Zalety:

  • Przy wysokich prędkościach spawania można uzyskać głębsze przetopienie niż w przypadku helu
  • Niski koszt

Wady:

  • Stosowanie dyszy o średnicy 1,5-2,5 mm przez co zwiększa się prędkość wypływu gazu
  • Spoina bywa nierówna

Dwutlenek węgla

Zalety:

  • Równa i gładka powierzchnia spoiny
  • Dobre rezultaty przy spawaniu stali niskowęglowych
  • Niski koszt

Wady:

  • Nie chroni przed utlenianiem stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie tytanu
  • Stal odpuszczona wykazuje wzrost twardości w obrębie szczeliny.

Zalety spawania laserowego:

  • Wysoka gęstość mocy
    • Małe dystorsje
    • Wąska spoina
    • Wąska SWC
  • Wysoka prędkość procesu
  • Nie wymaga spoiwa
  • Spawanie z wysoką precyzją
  • Wysoka czystość procesu
  • Możliwość łączenia materiałów trudnospawalnych
  • Łatwość automatyzacji

 

Spawanie laserowe stosowane jest do spawania bardzo dużej gamy materiałów takich jak  stale konstrukcyjne , stale stopowe, duplex, Cr/Ni, wysokowytrzymałe stale niskostopowe, stale węglowe, metale trudnotopliwe, metale aktywne chemicznie, aluminium, tytan, nikiel i magnez.

 

Podstawowym problemem który należy uwzględnić przy wyborze technologii laserowych sa procesy metalurgiczne które charakteryzują się miejscowym bardzo silnym i krótkotrwałym nagrzewaniem > 10 000˚C/sek, a następnie bardzo szybkim chłodzeniem. Zjawiska te często powodują zaporowacenia i pęknięcia. Dlatego w przypadku spawania materiałów , które są skłonne do tworzenia struktur hartowniczych i porowatości należy przewidzieć takie zabiegi jak podgrzewanie wstępne czy wygrzewanie po spawaniu.

 

Spawanie laserowe jest metodą wysokowydajną w produkcji wielkoseryjnej, zautomatyzowanej lub zrobotyzowanej, a szczególnie do łączenia niewielkich cienkościennych elementów , gdzie coraz pełniej są wykorzystywane zalety tej metody.

 

Literatura:

[1] – Poradnik Inżyniera Spawalnictwo tom2 – WNT 2005

[2] – Spawanie i zgrzewanie i cięcie metali  - Andrzej Klimpel WNT 1999

[3] - http://www.truckauto.pl/dzial-pojazdy-inne/spawanie-laserowe-ruukki

[4] - http://technologialaserowa.cba.pl/T_Spawanie.html

Kategorie

Najnowsze artykuły