XIII International PhD Workshop OWD 2011, October 2011 WPŁYW UŻYCIA FOLII TANTALOWEJ NA KSZTAŁT PRZETOPIENIA POWSTAŁEGO PODCZAS PROCESU SPAWANIA

Transkrypt

1 XIII International PhD Workshop OWD 2011, October 2011 WPŁYW UŻYCIA FOLII TANTALOWEJ NA KSZTAŁT PRZETOPIENIA POWSTAŁEGO PODCZAS PROCESU SPAWANIA THE INFLUENCE OF USE TANTALUM FOIL ON THE WELD PENETRATION SHAPE FORMED DURING WELDING LASER. mgr inż. Marta Garbala, Kielce University of Technology ( , dr hab. inż. Włodzimierz Zowczak prof. PŚk, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach) Abstract The experimental analysis of the influence of use tantalum foil on the weld penetration shape formed during welding laser for stainless steel X5CrNi1810 is presented. The aim of the research was to determine the influence foil onto the process and to elaborate analytical models. The experiment was carried out on TRUMPF TLF 6000 Turbo laser at Centre of Laser Technology of Metals (joint Kielce University of Technology and Polish Academy of Sciences unit) in Kielce (Poland). They were done two experiments, on variable of the rate of laser beam feed. In the first experiment specimen was melt with tantalum foil of 0.7 [mm] thickness, while in the second experiment without her. It has been found that tantalum foil has a significant influence on the course of the process, weld penetration shape changes slightly. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań oraz analizę wpływu użycia folii tantalowej na kształt przetopienia powstałego podczas procesu spawania. Doświadczenia przeprowadzono na laserze TRUMPF TLF 6000 Turbo w Centrum Laserowych Technologii Metali w Kielcach (wspólnej jednostce Polskiej Akademii Nauk i Politechniki Świętokrzyskiej). Materiałami użytymi w doświadczeniu były stal nierdzewna X5CrNi1810 oraz folia tantalowa. Przeprowadzono dwa doświadczenia przy zmiennej prędkości posuwu wiązki laserowej. W doświadczeniu pierwszym przetapiana była próbka z ukośnie umieszczoną folią tantalową o grubości 0.7 [mm], natomiast w drugim bez użycia folii. Wykazano, że folia ta ma znaczny wpływ na głębokość przetopienia, natomiast szerokość nie ulega większym zmianom. 1. Wiadomości wstępne Spawanie laserowe pod względem fizycznym jest bardzo złożonym procesem i stanowi temat licznych badań eksperymentalnych oraz analiz teoretycznych. Badania te dotyczą głównie efektów operacji spawania, natomiast mniej liczne są analizy samego procesu. Spawanie laserowe daje szereg korzyści w porównaniu z innymi metodami. Główną zaletą tej metody jest możliwość precyzyjnego sterowania dopływem energii do strefy obróbki oraz uzyskanie bardzo wysokich intensywności promieniowania. Umożliwia to powstanie kanału parowego, dzięki któremu wiązka może znacznie głębiej wniknąć w materiał niż przy metodach tradycyjnych. Kanał ten jest zatem istotnym czynnikiem odróżniającym spawanie laserowe od innych technologii. Badanie kanału parowego jest więc ważne dla zrozumienia przebiegu zjawisk zachodzących podczas laserowego spawania, jednakże określenie jego kształtu sprawia duże trudności. Znane są klasyczne doświadczenia Araty, w których kształt kanału uzyskano za pomocą specjalnej lampy rentgenowskiej oraz przetwornika obrazu, który przetwarzał promieniowanie rentgenowskie w promieniowanie widzialne rejestrowane na kamerze wideo. Metoda ta wymaga jednak kosztownej aparatury, a możliwe do zbadania konfiguracje połączeń ograniczone są możliwością uzyskania 358

2 wyraźnego obrazu. W innych eksperymentach używano materiału przezroczystego (szkła) dla wizualizacji kanału. Inną metodę, którą możemy spotkać w literaturze zastosował Beyer w swojej monografii pt: Schweiβen mit Laser. Do wyznaczenia kształtu kanału parowego użył folii z trudnotopliwego materiału, którego temperatura topnienia jest bliska temperatury wrzenia spawanego materiału. Kształt przetopienia foli podczas obróbki obrazuje kształt powstałego wskutek działania wiązki kanału parowego. Metoda ta jest znacznie prostsza i nie wymaga kosztownego oprzyrządowania, równocześnie pozwalając na badanie spawania różnych materiałów oraz różnych konfiguracji połączeń. Celem tej pracy było zbadanie, czy w metodzie Beyer a umożliwiającej wizualizację kształtu kanału parowego mogą pojawiać się ewentualne błędy spowodowane wykorzystaniem foli z trudnotopliwego materiału. Pierwszym zadaniem było wykonanie doświadczeń, których efektem byłyby próbki z widocznym kształtem przetopów (próbka z folią tantalową, oraz bez foli), natomiast kolejnym zbadanie czy folia ta ma wpływ na kształt powstałego podczas spawania przetopu oraz na przebieg procesu. 1.1 Doświadczenie I. Doświadczenie pierwsze zostało przeprowadzone na maszynie TRUMPF TLF 6000 Turbo w Centrum Laserowych Technologii Metali (wspólnej jednostce Polskiej Akademii Nauk oraz Politechniki Świętokrzyskiej) w Kielcach. Jest to laser w którym ośrodkiem czynnym jest dwutlenek węgla, pracuje on w trybie impulsowym i ciągłym, osiąga maksymalną moc równą 6 [kw] a jego długość fali wynosi 10.6 [µm]. Materiałem wykorzystanym w doświadczeniu była stal nierdzewna X5CrNi1810. Jest to powszechnie stosowania stal martenzytyczna zawierająca 18 % chromu oraz 9 % niklu. Dla uzyskania kształtu kanału parowego wykorzystana została metoda Beyera. Jako materiału trudnotopliwego użyto tantalu, ponieważ jego temperatura topnienia (3269 [K]) zbliżona jest do temperatury wrzenia stali nierdzewnej (3133 [K]). Założono, że folia ulegnie przetopieniu tylko w obszarze, w którym stal nierdzewna znajdzie się w temperaturze wrzenia. W doświadczeniu tym folia tantalowa o grubości 0.7 [mm] umieszczona została między dwoma spawanymi płytkami stalowymi wykonanymi z płaskownika o grubości 10 [mm]. Sfrezowano je na kształt klinowy, a następnie umieszczono miedzy nimi ukośnie folię. Rys.1. Płytki stalowe o kształcie klinowym. Fig.1. Steel plates on wedge shape. Rys.2. Folia tantalowa umieszczona między płytkami stalowymi. Fig.2. Tantalum foil placed between two steel plates. W zależności od położenie folii umieszczonej ukośnie między górną, a dolną powierzchnią spawaną, uzyskano informacje na temat przekroju kanału parowego na różnych jego głębokościach. Rys.3. Sposób ułożenia folii tantalowej między dwoma spawanymi płytkami stalowymi. Fig.3. Method of arrangement of tantalum foil between two welded steel plates. Po przygotowaniu próbki wykonane zostało pięć przetopów przy różnych wartościach prędkości posuwu wiązki. Były to kolejno:1500, 1200, 1000, 900, 700 [mm/min]. Średnia moc wynosiła 6250 [W]. Gazem roboczym użytym w doświadczeniu był hel a jego wydatek wynosił 10 [l/min]. Ognisko położone 359

3 na powierzchni blachy. Na zdjęciach poniżej przedstawiona została próbka po wykonaniu przetopów. Fig.6. The example of measured specimen. Rys.7. Wygląd powierzchni próbki po wykonaniu przetopów. Rys.4. Na zdjęciu przedstawiono próbkę po wykonaniu przetopów. Fig.4. On the picture sample was introduced after penetration. Kolejnym krokiem było poprzecinanie próbki tak, aby uzyskać jak największą ilości pomiarów. Rys.5. Sposób przecinania kolejnych próbek. Fig.5. Method of cutting successive specimens. Po wykonaniu przecięć otrzymano 11 próbek na których można było wykonać pomiary i uzyskać informacje na temat przekroju kanału na różnych jego głębokościach. Następnie próbki poddano szlifowaniu i wytrawiono je w 50% kwasie solnym. Fig.7. Appearance of surface of example measuring sample 1.2 Doświadczenie II. Celem kolejnego doświadczenia było otrzymanie próbki wykonanej przy tych samych parametrach, ale bez użycia folii tantalowej. Próbka taka umożliwiłaby porównanie wyników, a co za tym idzie sprawdzenie wpływu użycia foli na kształt przetopu. Założono, że jeśli kształt przetopu nie ulegnie zmianie, nie zmieni się również kształt kanału parowego. Wykonana została seria przetopów na laserze TRUMPF TLF 6000 Turbo, na płaskowniku o grubości 10 [mm]. Parametry zadane w doświadczeniu nie uległy zmianie. Średnia moc 6250 [W], gaz roboczy hel (wydatek 10 [l/min]), ognisko na powierzchni blachy, prędkość posuwu wiązki 1500,1200,1000,900 oraz 700 [mm/min]. W tym przypadku również próbkę poddano kolejnym obróbkom. Została ona sfrezowana, wypolerowana a następnie wytrawiona w kwasie solnym, dla uzyskania widocznych śladów kształtu przetopu. Rys.8. Próbka z widocznym kształtem przetopów. Rys.6. Wygląd przykładowej próbki pomiarowej. Fig.8. Specimen with visible weld penetration shapes. 360

4 2. Analiza wyników: Tab.1. Zdjęcia oraz wykresy przedstawiające kształt przetopu dla kolejnych prędkości posuwu wiązki dla próbek bez folii tantalowej oraz z folią tantalową. Graphs and photos present the weld penetration shape which was obtain during two experiments (on the left with tantalum foil, on the right without it) [mm/min] 1500 [mm/min] 1200 [mm/min] 1200 [mm/min] 1000 [mm/min] 1000 [mm/min] 361

5 900 [mm/min] 900 [mm/min] 700 [mm/min] 700 [mm/min] Po otrzymaniu próbek z dwóch kolejnych doświadczeń wykonano wykresy oraz zdjęcia. Podczas wykonywania połączeń materiałów metodą spawania laserowego czy konwencjonalnego, duży nacisk stawia się na to, aby spoina była mocna oraz jak najwęższa. Ponieważ zatem kanał parowy jest istotnym czynnikiem odróżniającym spawanie laserowe od innych technologii, a także decyduje o charakterze oraz przebiegu procesu należy zwrócić szczególna uwagę na jego kształt oraz na wpływ jaki ma na wielkość powstałej podczas spawania spoiny. Podsumowując, eksperyment Beyera jest najprostszą z technik uzyskiwania kształtu kanału parowego powstałego podczas procesu spawania, a także najłatwiejszą metodą do wykonania w warunkach uczelnianych. Technika ta umożliwia wizualizację kształtu kanału parowego. Umieszczona w materiale folia z trudnotopliwego materiału w nieznacznym stopniu zaburza proces spawania, rozważana metoda jest dogodnym narzędziem analizy wpływu parametrów technologicznych na przebieg i wyniki tego procesu. Conclusion: How to be visible on place above graphs and photos width weld penetration does not submit larger changes. They have hesitated from hundredth to thousandth millimeter. If however it concerns about weld penetration depth to be visible, that to specimen without tantalum foil follow penetrate laser beam throughout, however to specimen with tantalum can observe, that together with growth rate of laser beam feed the weld penetration depth grows up. This is the most probably bring about with this, that tantalum foil temporarily blocks laser beam welding causing, that the laser power was accumulated in grounds of placed foil before her melting will follow. To sum up, putting tantalum foil between two steel plates in order to research the shape keyhole, do not have real influence on changes in weld penetration shapes. The differences noticed in 362

6 the measurements are so small that are still in the limits of error. Wnioski: Jak widać na zamieszczonych zdjęciach oraz wykresach szerokości przetopów nie ulegają większym zmianom. Wahają się one od setnych do tysięcznych milimetra. Jeśli natomiast chodzi o głębokości przetopów widać, że dla próbek bez foli tantalowej następuje przepalenie na wskroś, natomiast w próbkach z folią można zaobserwować, że wraz ze wzrostem prędkości posuwu wiązki głębokość przetopów maleje. Jest to najprawdopodobniej spowodowane tym, że folia tantalowa chwilowo blokuje wiązkę laserową powodując, że moc kumuluje się w obrębie zamieszczonej folii zanim nastąpi jej stopienie. Umieszczenie foli tantalowej pomiędzy dwoma płytkami stalowymi w celu zbadania kształtu kanału parowego nie ma znacznego wpływu na zmiany kształtu przetopu. Różnice występujące w pomiarach są tak niewielkie, że mieszczą się w granicach błędu Project agreement: UDA-POKL / Literatura: 1. Arata Y.: Plasma, Electron & Laser Beam Technology, American Society for Metals, Metals Park, Ohio 44073, Beyer E.: Schweiβen mit Laser, Springer-Verlag, Berlin. 3. Garbala M.: The influence of the rate of laser beam feed on the keyhole shape, formed during welding laser. 1 st international students conference, Young Technologists Day 2010, Presov, Słowacja. 4. Garbala M.: The influence tantalum placed foil between two steel plates on the weld penetration shape formed during welding laser. 9 th European conference of young research and scientific workers, Żilina 2011, Słowacja 5. Myśliwiec M.: Cieplno-Mechaniczne Podstawy Spawalnictwa, WNT, Warszawa Steen W.: Laser Material Processing, Springer- Verlag, London, Szymański Z.,Hoffman J.: Fizyka spawania laserowego, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa Artykuł ten powstał dzięki projektowi Unijnemu o nazwie: Program rozwoju potencjału dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej: Kształcenie w Nowoczesnych Obszarach Techniki, umowa: UDA- POKL / This paper was treated with support of European Union, project name: Program rozwoju potencjału dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej: Kształcenie w Nowoczesnych Obszarach Techniki, Adres służbowy: mgr inż. Marta Garbala Politechnika Świętokrzyska al. Państwa Polskiego Kielce tel. (48) martaaa7@o2.pl 363