35/42. Jacek HOFFMAN Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN Świętokrzyska 21, Warszawa. l. WPROW ADZENIE

Transkrypt

1 35/42 Slidifiatin f Metal s and Allys, Year 2000, Vlume 2, Bk N 42 Krzepnięie Metali i Stpów, Rk 2000, Rznik 2, Nr 42 PAN-Katwie, PL ISSN POCHŁANIANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO W PROCESIE SPA W ANIA Jaek HOFFMAN Instytut Pdstawwyh Prblemów Tehniki PAN Świętkrzyska 21, Warszawa W pray pisan mehanizmy phłaniania prmieniwania laserweg w presie spawania metali wiązką prmieniwania lasera. Przedstawin prawany prgram kmputerwy mdelująy ddziaływanie wiązki z kanałem parwym pwstająym pdzas spawania. Zaprezentwan i przedyskutwan wyniki przeprwadznyh za pmą prgramu blizell dtyząe udziału pszzególnyh mehaniz1nów absrpji w phłanianiu pr1nieniwania laserweg. l. WPROW ADZENIE Pdzas spawania laserweg zgniskwana wiązka prmieniwania laserweg pada na pwierzhnię metalu. Działanie wiązki na pwierzhnię metalu pwduje jeg tpnienie, parwanie raz jnizaję par metalu i gazu słnweg. Jeżeli gęstść energii przekraza wielkść krytyzną, równą kł 30 kw/mm 2, następuje ufrmwanie kanału parweg ( keyhle' a ) w pstai kapilary [1-3]. Jest n utrzymywany dzięki dynamiznej równwadze napięia pwierzhniweg i iśniell związanyh z generają i przepływem par metalu [4]. Energia wiązki prmieniwania jest phłaniana bezpśredni przez metal w wielkrtnyh dbiiah d śianek kanału parweg (absrpja Fresnela) raz phłaniana przez plazmę wypełniająą kanał, a następnie przekazywana d jeg śianek, Rys. l. Wielkść phłaniania prmieniwania laserweg jest ważnym parametrem deydująym wynikah spawania. Względną rlę bu wyżej wymieninyh mehanizmów phłaniania mżna zbadać pprzez zmianę plaryzaji wiązki laserwej. Pnieważ absrpja Fresnela silnie zależy d plaryzaji, w przypadku gdy jest na mehanizmem dminująym, głębkść

2 320 przetpienia zwiększa się znaznie dla wiązki laserwej splaryzwanej równlegle. W rzezywistśi efekt ten jest bserwwany w przypadku większśi metali jeżeli tylk prędkść spawania przekraza kilka metrów na minutę. Jednakże w przypadku niektóryh materiałów jak np. aluminium efekt zmiany plaryzaji wiązki jest praktyznie niezauważalny [5] wskazują na zwiększną rlę absrpji w plazmie. W prezentwanej pray przeprwadzna jest analiza teretyzna phłaniania wiązki laserwej w kanale parwym. 2. ABSORPCJA FRESNELOWSKA Zjawisk bezpśrednieg phłaniania energu prmieniwania elektrmagnetyzneg przez pwierzhnię metalu nazywane jest absrpją Fresnela. Część energii fali padająej zstaje dbita, a zęść phłnięta przez metal; fala przehdząa w rzważanym przypadku jest pmijalna. Zależnśi wiążąe ze sbą natężenia fal padająyh i dbityh są złżne ale mżliwe jest ih uprszzenie [6] gdy spełniny jest tzw. warunek dbreg przewdnitwa =~<<l (l) gdzie a - znaza przewdnitw elektryzne metalu, w = 27if - zęstść padająeg prmieniwania ( dla lasera 2 (L) = lis ), a E = AsNm -przenikalnść dielektryzną próżni. Dla pdanyh pwyżej warunków absrpja prmieniwania plaryzaji k~wej padająeg na pwierzhnię metalu pd kątem e jest kreślna wzrem A= l-o.s (RP +R,) (2) gdzie współzynniki dbiia dla prmieniwania plaryzaji równległej p i prstpadłej s d płaszzyzny padania są równe dpwiedni s 2 e+ (- s8) 2 l+ (l- s8) 2 Rp = 2 R. = 2 (3) s 2 8+(+s8) ' l+(l+s8) Dla żelaza w temperaturze tpnienia E= , dla aluminium E= Kąt padania 8 mierzny jest d prstpadłej d pwierzhni metalu. Na Rys.2a przedstawin zależnść d kąta padania absrpji prmieniwania lasera 2 plaryzaji kłwej padająeg na pwierzhnię wybranyh metali w temperaturze wrzenia. Generwane przez lasery przemysłwe wiązki prmieniwania harakteryzują się plaryzają liniwą. Plaryzaja liniwa jest jednak przyzyną zależnśi phłaniania d wzajemnej rientaji płaszzyzny plaryzaji wiązki i śianki kanału parweg (współzynniki dla plaryzaji s i p są różne ). Zależnść taka niekrzystnie wpływa na efekty ięia i spawania laserweg. W elu jej uniknięia, plaryzaja liniwa jest zamieniana na kłwą za pmą układów ptyznyh.

3 321 Jak mżna zabserwwać na wykresie, dla kątów padania nie mniejszyh d 90 występuje stre maksimum phłaniania. Z teg pwdu, pierwsze dbiie, przy którym kąt padania leży w zakresie maksimum ma znaząy wkład w phłanianie. 3. ABSORPCJA PLAZMOW A Kanał parwy wypełniny jest plazmą - zjnizwanymi parami metalu ( i ew. gazu słnweg ) iśnieniu bliskim 1 atm. Oblizenia teretyzne raz badania spektrskpwe błku plazmweg pjawiająeg się nad ujśiem kanału wskazują, że plazma siąga temperaturę K na si kanału i temperaturę wrzenia metalu na śiane. Knentraja elektrnów siąga ne ::::: m- 3. Dkładne kreślenie składu plazmy w lkalnej równwadze termdynamiznej jest mżliwe na drdze rzwiązania układu równań Sahy dla pszzególnyh pierwiastków i klejnyh krtnśi jnizaji uzupełnineg praw Daltna i warunek neutralnśi elektryznej plazmy. Mają kreślny skład plazmy mżna blizyć współzynnik phłaniania prmieniwania laserweg. Na Rys.2b przedstawin zależnść d temperatury współzynnika phłaniania prmieniwania lasera C0 2 w plazmie różnyh metali przy iśnieniu atmsferyznym. W zakresie niskih temperatur współzynnik phłaniania jest praktyznie równy zeru rsną gwałtwnie p przekrzeniu pewnej temperatury graniznej rzędu K, którajest prprjnalna d ptenjału jnizaji. Znajdująa się wewnątrz kanału parweg plazma ma pzytywny udział w presie spawania absrbują energię i przekazują ją d śianek kanału. Pjawiająy się nad wejśiem kanału błk plazmwy ma działanie negatywne, gdyż phłnięta przez nieg energia nie bierze udziału w presie spawania i rzpraszana jest na zewnątrz. Współzynnik phłaniania w plazmie siąga wartśi p= 3 m- 1 Obłk plazmwy grubśi d phłnie zęść energii wiązki padająej równą 1 - exp( -pd ). Dla d= 0.5 m wartść ta wyniesie 78 %. Oznaza t, że błk plazmwy grubśi kilku milimetrów mże ałkwiie zablkwać wiązkę. Stswane są różne metdy walki z tym zjawiskiem. Najprstszym spsbem uniknięia pwstawania błku plazmweg jest zwiększenie prędkśi wypływu gazu słnweg z dyszy pwyżej prędkśi graniznej. Metda ta psiada jednakże granizenia wynikająe ze speyfiki rzważaneg presu bróbki; wypływająy z dyszy gaz nie mże pwdwać wydmuhiwania stpineg pdzas spawania metalu. W przypadku dużej my lasera, jedynym spsbem uniknięia generaji błku plazmweg w gazie słnwym jest zastąpienie argnu (ptenjał jnizaji 15,75 ev) gazem wyskim ptenjale jnizaji zyli helem ( 24,58 e V). Przy mniejszej my mgą być także stswane tańsze mieszaniny hel- argn.

4 MODEL KANAŁU PAROWEGO W elu kreślenia sumaryznej wielkśi phłaniania raz wkładu pisanyh pwyżej mehanizmów absrpji prawan prgram, w którym analizwane jest phłanianie wewnątrz kanału parweg przy załżeniu, że błk plazmwy na zewnątrz zstał usunięty ałkwiie. Przyjęt, że kanał parwy ma przekrój kłwy prmieniu zależnym d współrzędnej z dmierzanej d pwierzhni w głąb materiału. Pwierzhnię śianek kanału pisan pniższym równaniem F (X, Y, Z) = X 2 + l - f (Z) = 0 (4) Funkja f pisująa zależnść prmienia kanału d zagłębienia dbierana była w zależnśi d załżneg kształtu kanału. Większść blizeń wyknan dla kanału w kształie zwężająeg się d dłu śięteg stżka, któreg dnem była gładk ( tzn. z zahwaniem iągłśi funkji i jej pierwszej phdnej ) dpaswana zasza kulista. Załżenie takim kształie kanału jest spełnine przy małyh prędkśiah spawania [7]. Wiązkę lasera przedstawin w pstai zbiru prmieni - wiązek elementarnyh pmijalnyh rzmiarah pprzeznyh. Każdemu prmieniwi przypisan pzątkwy kierunek i płżenie na wejśiu d kanału parweg raz pzątkwą m jednstkwą. Następnie analizwan bieg indywidualnyh prmieni przy zastswaniu reguł ptyki gemetryznej. Wyznazan zmiany kierunku i energii prmienia przy dbiiah fresnelwskih d śianek kanału raz pdzas prpagaji przez plazmę. Określenie biegu prmieni w plazmie wymaga rzwiązania równania prmieni w śrdku zmiennym współzynniku załamania [8]!!_(n dr J =V n ds ds r -jest wektrem płżenia bieżąeg punktu na prmieniu, ds - przyrstem drgi prmienia; n- współzynnikiem załamania w punkie kreślnym przez r. Przekształają d układu dwu równań trzymujemy zagadnienie pzątkwe (5) dr -=a ds ' da= K =V lg n -a(a V lg n) d s (6) gdzie a-jest wektrem kierunkwym dinka jednstkwej długśi, a K - krzywizną prmienia. Mają dane pzątkwe wartśi r raz a klejne punkty leżąe na prmieniu mżna znaleźć ałkują pwyższy układ równań. Długść łuku s jest naturalną parametryzają krzywej prmienia. Jeżeli zstanie pminięte zakrzywienie prmieni spwdwane zmianami współzynnika załamania plazmy ( K = O ), t mżna przyjąć, że prmienie są dinkami prstyh biegnąymi pmiędzy

5 323 punktami klejnyh dbić. Odinki te również wyznazne są w pstai parametryznej przez pwyższy układ równań przy załżeniu, że pmiędzy punktami dbić a= nst. W elu kreślenia wpływu refrakji na bilans energii blizenia mgły być wyknywane dla bu wymieninyh przypadków. Wyknują ałkwanie wzdłuż biegu prmienia kreślan także zmianę energii prmienia na skutek phłaniania przez plazmę krzystają z zależnśi de ds = -Ef.l(x,y,z) (7) E- energia prmienia, J.l- współzynnik phłaniania przez plazmę. Współzynnik phłaniania raz współzynnik załamania plazmy kreślan krzystają z mdelweg rzkładu temperatury wyznazneg na pdstawie pmiarów temperatury błku plazmweg nad wejśiem kanału parweg i blizeń numeryznyh. W punktah dbiia prmienia d śianki kanału parweg krzystają z reguł ptyki wyznazan kąt padania prmienia raz nwy wektr kierunkwy prmienia dbiteg \!F n=-- IIVFII sb=n a a 1 =a- 2nse (8) gdzie n - znaza jednstkwy wektr nrmalny d śianki, F - funkję kształtu kanału parweg z równania (4) zaś a 1 - wersr kierunkwy prmienia dbiteg. Zmianę energii prmienia przy dbiiu blizan za pmą pdanyh uprzedni wzrów. 5. WYNIKI OBLICZEŃ D blizeń przyjęt głębkść kanału h= 2 mm, średnię wejśiwą d= 0.4 mm Padająa współsiw wiązka prmieniwania rzkładzie energii pisanym funkją Gaussa miała średnię równą średniy wejśiwej kanału. Rzkład temperatury plazmy wewnątrz kanału parweg wyznazny numeryznie był zgdny z przytznymi wyżej wynikami pmiarów. Absrpja plazmwa w głównej mierze zależy d rzmiaru bszaru, w którym jest przekrzna temperatura granizna natmiast w niewielkim stpniu d detali rzkładu temperatury. Na wykresah przedstawin zależnść phłaniania d prmienia kanału parweg najeg dnie dpwiedni dla aluminium (Rys. 3a) i żelaza (Rys. 3b ). Górne krzywe iągłe przedstawiają wartść phłaniania ałkwiteg, natmiast dlne krzywe iągłe phłanianie Fresnela. Różnia między nimi jest wię równa phłanianiu w plazmie. Krzywe przerywane brazują wielkść phłaniania Fresnela przy pierwszym dbiiu. Zmiany dlneg prmienia kanału parweg są równznazne zmianami kąta nahylenia śianek. Różnia górneg i dlneg

6 324 prmienia kanału parweg pdzielna przez głębkść kanału jest równa tangenswi płówkweg kąta rzwaria stżka a. Z szawań i badal'1 dświadzalnyh wynika, że zazwyzaj wartść a wynsi kł 4. Dla tej wartśi kąta ( Rl = 0.06 mm ) w przypadku żelaza trzyman, że ałkwita absrpja Fresnela wynsi 57% natmiast plazma wewnątrz keyhle'a phłania 25% padająeg prmieniwania. Dla aluminium wartśi te wynszą dpwiedni 45% raz 30%. Uzyskane lizby w dużym stpniu tłumazą bserwwaną słabą zależnść głębkśi penetraji d plaryzaji wiązki w przypadku aluminium jak również większe trudnśi związane z jeg spawaniem. prmień Nyhdząy padająy prmień elementarny wiązki dbiia wielkrtne i absrpja w plazm i e Rys. l. Shemat kanału parweg i mehanizm absrpji. = 0.4 N ;< ~ 0.3 Q) : ~ LL ttl 0.2 ue , 4.00, , / ;: /.' /,' -- ' ~ 3.00 :g (/) ~ : >- tl :g_ 1. ~ l ~ l. D f,'\ l l,. : \ l ',' \ \, l 1; '~ l /,'... ~-= '' f f: i i u 1 s kąt padania wiązki (st) , , empera1ura (K) Rys.2 Współzynniki absrpji dla różnyh metali; a. Fresnela przy plaryzaji kłwej, b. plazmy równwagwej przy iśnieniu l atm.

7 ~ 60 ;. ~... ~ 40.., w 20 ;F. - ; e ~... :!l 40 '., w R1 [mm] R1 [mm ] Rys.3 Zależnść pszzególnyh składników phłaniania d dlneg prmienia kanału parweg, górny prmień RO = 0.20 mm, głębkść H = 2 mm, z lewej dane dla aluminium, z prawej dla żelaza. Praa zstała wyknana w ramah prjektu badawzeg KBN 7 T08C LITERATURA [l] E.Beyer: Shweissen mit Laser, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 [2] W.W.Duley Laser welding, Jhn Wiley & Sns In.,New Yrk, 1999 [3] J.Hffman, W.Kalita, Z.Muha: Zjawiska twarzysząe spawaniu i ięiu laserwemu, Przegląd Mehanizny nr 7-8, [4] T.Kiein, M.Vianek and G.Simn: Fred sillatins f the keyhle in penetratin Jaser beam welding, J.Phys.D: Appl.Phys.29, 322, [5] S.Sat, K.Takahashi, B.Mehmetli, J.Appl.Phys.79 (1996) [6] J.A.Strattn: Eletrmagneti Thery, MGraw-Hill 1941 [7] J.Dwden, P.Kapadia, A mathematial investigatin f the penetratin depth in keyhle welding with ntinuus C0 2 lasers, J.Phys. D: Appl.Phys.28, , 1996 [8] D.Maruse: Light Transmissin Optis, Van Nstrand Reinhld C. 1972