--Spawanie laserowe --

Cięcie laserowe:

1. Wstęp

2. Możliwości spawania laserowego

3. Możliwe konfiguracje łączonych elementów

4. Gazy stosowane podczas spawania laserowego

5. Parametry spawania laserowego

6. Zalety spawania laserowego

WSTĘP:

Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l0² do 10¹¹ W/mm² . Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny, jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie. Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na gotowo, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kW) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery CO₂ jak i Nd:YAG.
Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Głównym obszarem ich zastosowania jest łączenie elementów karoserii samochodowych.
Zasada procesu spawania polega na lokalnym podgrzaniu materiału poprzez skupienie promienia. Wskutek parowania otrzymuje się kapilarę względnie oczko, którego średnica odpowiada 1,5 - 2 razy średnicy punktu skupienia. Zamknięciu sie kapilary zapobiega ciśnienie oparów. Do spawania laserami CO₂ najczęściej stosuje się gazy: Ar, N2, CO2 lub He, które wspomagają ten proces, dzięki nim można osiągnąć głębokość spoiny do 25mm, służą one jednocześnie do ochrony wytopu przed skutkami utleniania.

Zasadniczo za pomocą lasera można łączyć wszystkie materiały, dla których dotychczas wykorzystywano konwencjonalne metody, osiągając przy tym większą jakość i prędkoć posuwu podczas spawania. Udział węgla w materiałch nie powinien być większy niż 0,2%.

Tabela przedstawia możliwości łączenia różnych materiałów

Do obecnej chwili zbudowano wiele generacji laserów stałych, półprzewodnikowych, cieczowych i gazowych znajdujących zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i technologii. Do celów spawalniczych wykorzystuje się lasery o działaniu impulsowym (rubinowe, Nd:Glass, YAG) lub ciągłym (CO₂). 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 stanu jego powierzchni. Współczynnik absorpcji energii kwantów promieniowania wynosi tylko 1-5% dla laserów CO₂ i 2-30% dla laserów stałych. Efektywność spawania laserowego zależy więc od absorpcji energii wiązki laserowej przez powierzchnie spawanego przedmiotu. Dlatego też istotnym problemem przy spawaniu laserowym jest odpowiednie przygotowanie (zmatowienie,poczernienie) powierzchni, na którą pada wiązka laserowa. Spoiny wykonane spawarką laserową o działaniu ciągłym nie różnią się od spoin wykonanych wiązką elektronów, natomiast wykonane spawarką impulsową składają się ze zbioru częściowo pokrywających się spoin punktowych odpowiadających poszczególnym impulsom. Przy spawaniu cienkich blach ze stali niskowęglowej (poniżej ) ze względu na duże prędkości spawania i krótki czas przebywania metalu spoiny w temperaturach utleniania możliwe jest zrezygnowanie z osłony jeziorka spawalniczego. W innych przypadkach, a w szczególności przy spawaniu metali reaktywnych konieczne jest zastosowanie osłony gazu obojętnego od strony wiązki laserowej i od strony grani złącza. Spawanie laserowe może odbywać się z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa, w jednym przejściu lub wielościegowo. Złącza o małych grubościach oraz złącza metali bardzo dobrze spawalnych wiązką laserową spawa się w jednym przejściu, bez materiału dodatkowego. Spawanie laserowe pozwala łączyć przy równej lub nawet wyższej jakości wszystkie metale i stopy spawane elektronowo. Niska energia liniowa spawania laserowego jest korzystna przy spawaniu stopów aluminium, gdyż większość tych stopów umacniana jest wydzieleniowo lub przez odkształcenie plastyczne. Wąska spoina i SWC zapewniają, że własności mechaniczne złączy stopów aluminium spawanych laserowo są znacznie wyższe niż złączy spawanych łukowo.

widok spoiny wykonanej laserem , łączone elementy o grubości :

Możliwe konfiguracje łączonych elementów:

Głowica do spawania laserowego):

Wykres przedstawia zależność prędkości spawania w zalezności od różnych konfiguracji urządzenia ( zmiana mocy) oraz od grubości materiału:

(wykres pochodzi z oficjalnej strony producenta laserów TRUMPF)

Istnieje także laserowe spawanie kondukcyjne (LASER CONDUCTING WELDING) które polega na tym iż energia przenoszona przez wiązkę laserową oddziaływuje na powierzchnię i przenika w głąb materiału zgodnie z prawem przewodnictwa cieplnego ,następuje topienie materiału ale nie występuje zjawisko parowania metalu, cały proces odbywa się poniżej temperatury parowania . Metal stopiony wskutek oddziaływania wiązki tworzy jeziorko w obrębie którego występuje wysoki gradient temperatury. Proces spawania kondukcyjnego nazywany jest także spawaniem przewodnościowym. Do tego procesu używa się częściej laserów Nd:YAG niż CO₂. To jest, spowodowane tym że stały metal wchłania dużo więcej światła lasera Nd:YAG niż CO2 . Przykładowo można podać że, niczym nie poczerniona stal wchłania około 25% światła lasera Nd:YAG a światło lasera CO₂ około 5%. Gdy metal ulega topnieniu wówczas wchłanianie światła zarówno lasera CO₂ i Nd:YAG wynosi około 50%.Moc wchłaniania pochodząca z wiązki lasera CO₂ może nie wystarczyć do stabilnego spawania kondukcyjnego .W metodzie kondukcyjnej spawa się na głębokość około w przypadku stali i od 0,5 do w przypadku aluminium.

schemat spawania kondukcyjnego:

Poniżej przedstawiam wykres zależności głębokości penetracji od mocy i prędkości (dla Aluminium.):

Z wykresu wynika że, głębokość spawania kondukcyjnego nie wynika tylko z mocy wiązki laserowej ale także min.od prędkości.

Przeznaczenie spawania kondukcyjnego :

• spawanie kondukcyjne stosuje się w przypadku wymagania bardzo dobrej powierzchni spawanej,

• do spawania cienko ściennych rur,

• gdy nie może dojść do parowania metalu,

• mikrospawanie, np. elementy zegarków.

GAZY OCHRONNE UŻYWANE PRZY SPAWANIU LASEROWYM:

1. Hel
   zalety:

   • bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu i na bazie tytanu

   • wysoka energia jonizacji ułatwia

   • kontrolowanie plazmy tworzącej się w kapilarze

   • spoina jest gładka i jednorodna
     wady:

   • wysoki koszt

2. Argon
   zalety:<

   • bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu i na bazie tytanu

   • umiarkowany koszt wady:

   • stosowanie dyszy o średnicy 1,5 do przez co zwiększa się predkość wypływu gazu

   • złe ustawienie dyszy względem promienia powoduje powstawanie nierównej i chropowatej spoiny

   • nadmierna ilość plazmy może utrudniać uzyskanie głębokiegu przetopienia

3. Azot
   zalety:

   • przy wysokich predkościach spawanie można osiągnąć głębsze przetopienie niż w przypadku helu

   • niski koszt wady:

   • stosowanie dyszy o średnicy 1,5 do przez co zwiększa się predkość wypływu gazu

   • spoina bywa nierówna

4. Dwutlenek węgla
   zalety:

   • równa i gładka powierzchnia spoiny

   • daje dobre rezultaty przy spawaniu stali niskoweglowych

   • niski koszt; wady:

   • nie chroni przed utlenianiem stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie tytanu

   • stal odpuszczona wykazuje wzrost twardości w obrębie szczeliny

PARAMETRY SPAWANIA LASEROWEGO:

• moc wiązki światła laserowego ciągłego w kW,

• energia impulsu światła laserowego w kJ,czas jego trwania w ms i częstotliwość powtarzania impulsu w Hz,

• prędkość spawania w m/min,

• długość ogniska wiązki laserowej w mm,

• średnica wiązki laserowej w mm,

• położenie ogniska wiązki laserowej względem złącza w mm,

• rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego w l/min.

ZALETY SPAWANIA LASEROWEGO:

• Wysoka gęstość mocy (spawanie typu kapilarnego)

  • małe dystorsje,

  • wąska spoina,

  • wąska strefa wpływu ciepła.

• Wysoka prędkość procesu,

• Nie wymaga spoiwa,

• Spawanie z wysoką precyzją,

• Wysoka czystość procesu,

• Możliwość łączenia materiałów trudnospawalnych,

• Łatwość automatyzacji.