36/27 Solidification oc Metais and Alloys, No.J6, 1998 Krzepaięc:ic Mdali i SIOp6w, Nr 36, 1998 PAN - Oddział Katowia: PL ISSN

Transkrypt

1 36/27 Slidificatin C Metais and Allys, N.J6, 1998 Krzepaięc:ic Mdali i SIOp6w, Nr 36, 1998 PAN - Oddział Katwia: PL ISSN DYSTORSJE W LASEROWEJ OBRÓBCE MATERIAŁÓW MUCHA Zygmunt, HOFFMAN Jacek Instytut Pdstawwych Prblemów Techniki PAN ul. Świętkrzyska 21, Warszawa STRESZCZENIE W pracy mówin cztery mechanizmy prwadzące d defrmacji laserw nagrzewanych płyt. W przypadku laserweg spawania, cięcia lub mdyfikacji warstwy wierzchniej jest t efekt szkdliwy, który mże zstać wykrzystany w spsób zamierzny w przypadku laserweg frmwania Krzystając z własnych wyników teretycmeg mdelu gięcia płyt mechanizmem gradientu temperaturweg przedstawin zakres parametrów laserwych i materiałwych, dla których trzymuje się maksymalne defrmacje raz zakres parametrów z zerwym kątem zagięcia czyli bszar spawania laserweg bez dystrsji. Przedstawin zależnść krzywimy płyty ze strefą wpływu ciepła na jednym brzegu, która pzwala kreślić dystrsje p laserwym cięciu, spawaniu i gięciu. W przypadku spawania i gięcia zinterpretwan "efekt bananwy" czyli krzywiznę grzbietu zagięcia. WPROWADZENIE Na gół laserwa bróbka materiałów plega na dstarczaniu ciepła przez ruchmą wiązkę laserwą zgniskwaną w różnym stpniu zależnym d rdzaju tej bróbki. Przy skanwaniu wiązką pwierzchni metalwej d elementu zawsze wprwadza się naprężenia cieplne i w rezultacie defrmacje. Najczęściej zjawiska te należą d efektów szkdliwych i tak wywłane dształcenia nazywane są dystrsjami. Najsiln.:ej występują ne przy spawaniu, gdzie w przypadku płyt następuje zagięcie wzdłuż spawu a pnadt linia spawu ulega zakrzywieniu twrząc łuk. Zauważalne defrmacje płyt bserwuje się przy ich pwierzchniwym przetapianiu jak i bróbce cieplnej. Dzięki efektywnej metdzie lkalneg dstarczania ciepła za pmcą wiązki laserwej i ze względu na dyfuzyjny charakter chłdzenia - strefa wpływu ciepła w technlgiach laserwych (cięcie, spawanie) jest k. l O-krtnie mniejsza niż przy bróbce techniką płmieniwą lub plazmą. Z teg pwdu efekty dystrsji są przy

2 210 technlgiach laserwych dpwiedni słabsze. Z drugiej strny, precyzja dstarczania ciepła w czasie i przesttzeni pzwala na fnnwanie (kształtwanie) elementów metalwych w z góry zamierznym celu. Laserwe frmwanie dwu i trójwymiąrwe są jednak także skażne pewnymi szkdliwymi defi'iiulcjami rdzaju dystrsji.. Rzpmanie mechanizmów foimwania płyt i ich teretyczny pis pzwala na minimalizację bądź redukcję niektórych dystrsji lub na ptymalizację przy zamierznym kształtwaniu. MECHANIZMYPROWADZĄCE 00 TERMICZNEJ DEFORMACJI Mżna wyróżnić cztery mechanizmy prwadzące.d gięcia płyt wzdłuż ścieżki laserwej. Mechanizmy te w czystej pstaci występują tylk w wyidealizwanych warunkach, a w praktyce mamy d czynienia z kmbinacją tych mechanizmów. l. Mechanizm gradientu temperatury [l, 2, 3, 4] plega na skanwaniu metalwej płyty wiązką laserwą średnicy mniejszej lub prównywalnej z grubścią płyty i z taką prędkścią, by W7.dłuż prz:rekrju grubści płyty wystąpił gradient temperatury. Dzięki temu w fazie nagrzewania laserwa plamka twrzy lkalny bszar, gdzie metal zwiększa swą bjętść raz uplastycznia się a w skrajnym przypadku przetapia. W fazie chłdzenia (które zachdzi wlniej niż grzanie) wzdłuż linii skanwania uplastyczniny bszar kurczy się wywłując mment gnący. Płytka zagina się w strnę, na którą pada wiązka laserwa. Mechanizm ten ilustruje Rys. l. 2. Mechanizm spęczeniwy [5] prwadzi d zwiększenia grubści płyty wzd..łuż ście7.ki skanwania bez zagięcia w którąklwiek strnę. Rzmiary wiązki są prównywalne z grubścią płyty z tą różnicą, że prędkść skanwania jest tak dbrana by nie występwał gradient temperatury na grubści płyty. Spęczenie nastepuje wskutek rzszerzalnści cieplnej materiału, która nie wywłuje mmentu gnąceg natmiast płyta ulega skróceniu w kierunku prstpadłym d ścieżki skanwania. 3. Mechanizm wybczeniwy [6] prwadzący d efektywneg gięcia płyt występuje jeśli skanująca wiązka ma średnicę macznie większą d grubści płyty. Defrmacja płyty zachdzi już w fazie nagrzewania, gdyż pdgrzany materiał rzszerzając się ulega bifurkacyjnemu wybczeniu, które prww.ne jest przez wiązkę wzdłuż płyty wywłując efekt glbalneg zagięcia. Rys. 2 ilustruje klejne fazy teg prcesu. Kierunek zagięcia jest przypadkwy i wynika z pczątkweg stanu materiału. 4. Mechanizm gięcia wywłany jest również przemiana fazwą np. hartwaniem [7]. Jeśli w nagrzanej warstwie metalu zachdzi przemiana fazwa, przy której mrienia się gęstść materiału t w przypadku wzrstu gęstści następuje zagięcie d lru;era, alb - gdy gęstść maleje - w kierunku przeciwnym. Opisane metdy kształtwania płyt mgą być przyspieszne przez?..astswanie w fazie chłdzenia ddatkweg schładzania wdą bądź strumieniem gazu.

3 211 l X " z Rys. l Fazy gięcia laserweg wywłaneg mechanizmem gradientu temperarury a - faza grzania b - faza chłdzenia pczątek Laser grzania LJlł~ 7 ~ c;. "'! h 4' :d- 1 - wybczenie ś Etft-termiczna defrmacja Ed-sprętysta " wią~-:ł... ~ rzwój defrma c]~ E. l-plastyczna defrmacja, wybczenia j ~ zagięcie ~- l\) Rys.2 Fazy gięcia mechanizmu wybczeniweg

4 212 WYNIKI MODELU TEORETYCZNEGO Mechanizm gradientu temperatury (MGT) ma największe zastswanie przy laserwych bróbkach. przy których. występują dystrsje. Przy pewnych załżeniach upraszczajacycb wiążąc ze sbą bszar uplastycmieia z dbranym kształtem izterm autrzy pracy [8] uzyskali analitycme zależnści słusme przy dść szerkim zakresie mriennści parametrów. Kąt prsteg zagięcia mżna wyrazić wzrem: a = 6 "'~AIQ (1-.!. f2q) es 3tr f ;s gdzie Q i S są bezwymiarwymi parametrami kreśldymi przez: (l) AP Q = 2.1tAA11J S= vh 2K (2, 3) gdzie a r - współczynnik rzszerzalnści tennicmej, A T - przyrst temperatwy w bszarze uplastycmienia., h - grubść płyty, v - prędkść skanwania wiązką, P - mc lasera, A - w~czynnik absrpcji prmieniwania przez materiał, A. - współczynnik przewdzenia ciepła, K - współczynnik dyfuzji ciepła. Zależnść ta jest słuszna, jeśli spełniny jest warunek: QS»e:2,7l8... (4) i wówczas kąt zagięcia jest zależny d energii liniwej tj. energii dstarczanej przez laser na jednstkę długści drgi skanwania Dla dstateczme małej energii liniwej spełnina jest zależnść liniwa: ( 5) gdzie p jest gęstścią materiału, a c p jest ciepłem właściwym. Diagram na Rys. 3 przedstawia w płaszczyźnie (Q, S) pla bwiązywania pwyższych równań. Krzywa ciągła przedstawia paramet:jy, w których występują ptymalne warunki dla maksymalneg kąta gięcia. Obszar, w którym kąt gięcia jest równy zeru pzwala czekiwać spajania bezdystrsyjneg. Na Rys. 4, 5 i 6 pkazan krzywe teretycme z naniesinymi danymi dświadczalnymi. Otrzymane zależnści pzwalają na kreślenie dystrsji występującej przy laserwym spajaniu pza bszarem a = O na Rys. 3 raz przy pwierzchniwym przetapianiu lub stpwaniu raz pmagają dbierać bszary parametrów, gdzie efekt ten jest najrnniejszy.

5 u S =vh/(2k) Rys.3 Diagram zależnści kąta zagięcia d mcy lasera i prędkści skanwana wyrażnych przez liczby bezwymiarwe Q i S. Linia ciągła dpwiada maksymalnemu IĆątwi zagięcia. ~~ ~ Q= /,2 «,1 s :: S=Vh/(2k) ~L-L ~ ~ AP Q-~ OL-~--_ ~ 0.~ t 10 1.JO 1.50 Rys.4 Zależnść kąta gięcia d prędkści skanwania wyrażnej przez liczbę bezwymiarwą S przy stałej mcy lasera. Linia ciągła - teria, punlcty - dane dświadczalne. Rys.S Zależnść kąta gięcia d mcy lasera wyrażnej przez liczbę bezwymiarwą Q przy stałej prędkści. Linia ciągła - teria, punlcty - dane dświadczalne.

6 214 DYSTORSJA PRZY LASEROWYM CIĘCW, SPAWANIU I GIĘCIU Pt.YT Pdczas laserweg cięcia raz spawania z wykrzystaniem efektu twrzenia się kana..'u. parweg laawędzie brabianych elementów psiadają na pewnej grubści uplastyczniną warstwę ds. tzw. strefę wpływu ciepła. Wzdłuż tej krawędzi lia skutek zjawiska kntrakcji termiemej przy chłdzeniu następuje pewne skrócenie tej krawędzi. Rys. 7. Stsując analgicme rzumwanie jak przy prblemie laserweg gięcia. w mdelu MGT (8] trzyman analityczną zależnść na prmień krzywimy: (6) gdzie ds - grubść strefy wpływu ciepła., l - szerkść płyty. Krzywizna płyty silnie (kwadratw) zależy d jej szerkści. Dlateg przy laserwym dcinaniu wąskieg paska zawsze występuje pewna krzywizna. Pmiar krzywimy krawędzi ze strefą wpływu ciepła za pmcą wzru (6) pzwala na prste kreślenie uśredninej grubści tej strefy uzysbne metdą nienisżczącą. Przy spawaniu lub gięciu płyty ufrmwane jak na Rys. 7 są wzdłuż tej krawędzi płączne. Analiza pkazuje, że dwie takie płyty (skrzydła) mżna ze sbą płączyć na pwierzchniach przecinajacych się stżków (Rys. 8). Wypadkwa krzywima wyrazi się wzrem: (7) gdzie a - kąt zagięcia przy spawaniu lub gięciu. Uwzględniając sztywnść skrzydeł, z warunku minimalizacji energii sprężystej, uzyskujemy ściślejszą zależnść: (8) która w przypadku h/l = O redukuje się d wzru (7). Analiza pkazuje, że jeśli przy spawaniu lub gięciu a * O t krzywima również nie będzie zerwa Krzywizna grzbietu siąga maksimum przy kącie zagięcia: h a ::: - 21 (9) Pwyższe zależnści pmagają kreślić przed spawaniem kąt ułżenia płyt taki, aby p spawaniu uzyskać kąt zagięcia i lazywimę grzbietu równe zeru.

7 215 ul. as c:t.eh~t LO J Rys.6 Zależnść kąta zagięcia d energii liniwej wyrażnej przez bezv.ymiarwy parametr Q/S. Linie ciągłe - teria, punkty - dane dświadczalne. Rys. 7 Zmiana kształtu płyty prstkątnej na skutek działania naprężeń w strefie W'tJływu ciepła na jednej krawędzi. Rys.8 Pwierzchnie przecinających się stżków brazują kształt płyt p ich laserwym spajaniu lub gięciu.

8 216 Tabela przedstawia przykładwe dane dświadczalne dystrsji gięcia lub spawania (tzw. efekt bananwy). WNIOSKI h(mrn) 4 l,s s l (mm) a. (O) d. (mrn) l s 0,14 0,16 R.,(m) ,2 R(m) IS Rtl'lf1rO!ł(m) IS 20, Klasyfikacja mechanizmów prwadzących d dystrsji występujących w różnych metdach laserwej bróbki metali pzwala na jakściwy a czasem i ilściwy pis tych defrmacji. Znajmść zależnści teretycmych na kreślenie kątów zagięcia przy spawaniu i mdyfikacji warstwy wierzchniej pzwala na taki dbór parametrów bróbki aby te efekty minimalizwać. Mżliwy jest taki dbór parametrów, aby spawanie laserwe zachdził bez dystrsji. Zależnść krzywimy krawędzi płytki d grubści strefy wpływu ciepła pzwala na kreślenie dystrsji p laserwym cięciu i głębkim spawaniu. I dwrtnie, pmiar prmienia krzywimy płyty pzwala na kreślenie średniej grubści strefy wpływu ciepła metdą nieniszczącą. LITERATURA [ l ] Y. Namba : Laser frming in space, Int. Cnf. n Lasers '85; ed: C.P.Wang (1986) p [ 2 ] H.Frąckiewicz, Z.Mucha, W.Trąmpczyński, A.Baranwski, A.Cybulski: A metbd f bending metal bjects, Eurpean Patent A2 ( 1987) [ 3 ] M. Geiger, F.Vllertsen: The Mechanism f Laser Frming. CIRP Annals vl.42, 1(1993) p [ 4] F.Vllertsen: An analytical mdel fr laser bending, Laser in Engineering vl.2, (1993) p [ 5] F.Vllertsen: Laserstrahlungfrmen Lasergestutzte Frmgebung: Verfahren Mechanismen, Mdellierung. Mesenbach Bamberg (1996) [ 6 ] F.Vllertsen: Mechanisms and mdels fr laser frming, Prceedings f LANE'94, eds. M.Geiger and F.Vllertsen, Mesenbach Bamberg (1994) p [ 7 ] RF.Arnldy: Metbd f cntrlling distrtin, straightening distrted bjects, and r altering the shape f metal bjects. United States Patent N. 2,428,825, zgłszny 27luteg [ 8 ] Z.Mucha, J.Hffman, W.Kalita, S.Mucha: Laser frming f thick free plates, Prceedings flane'97, p