DANIELEWSKI Hubert 1 ZOWCZAK Włodzimierz Badanie procesu oddziaływania dwuogniskową wiązką promieniowania laserowego na materiał w procesie spawania konstrukcji pojazdów WSTĘP Spawanie jest jedną z metod wykonywania trwałych połączeń konstrukcyjnych. Wśród metod spawania coraz częściej stosowana jest technologia wykorzystująca urządzenia laserowe. Technologia ta ze względu na charakter procesu w którym stosowanie materiału dodatkowego jako spoiwa nie jest wymagane, a także możliwość osiągnięcia bardzo wysokich temperatur pozwala na łączenie ze sobą materiałów dwuimiennych w tym również materiałów uważanych dotychczas za trudno spawalne. Ze względu na prędkość procesu, niewielką strefę wpływu ciepła skutkującą niewielkimi odkształceniami termicznymi, a także możliwość osiągnięcia głębokiego przetopu technologia ta znalazła zastosowanie w przemyśle samochodowym, stoczniowym oraz kolejowym do łączenia elementów karoserii oraz konstrukcji nośnych pojazdów [1]. Proces spawania laserowego odbiega od konwencjonalnych metod spawania, wiąże się z występowaniem bardzo dużych gradientów temperatur, relatywnie wąską strefą wpływu ciepła oraz rozkładem mocy wiązki oddziaływującej na materiał. Spawanie laserowe charakteryzuje się wąską strefą przetopu materiału, wiąże się to z koniecznością precyzyjnego planowania powierzchni łączonych. W przypadku spawania konstrukcji pojazdów mechanicznych eliminowanie wad z tym związanych jest szczególnie istotne. Wady te możemy w pewnym stopniu ograniczyć zwiększając strefę przetopu poprzez rozogniskowanie wiązki na powierzchni materiału. Niestety metoda ta wiąże się ze zwiększeniem strefy oddziaływania czego skutkiem jest zmniejszenie gęstości mocy a przez to również zmniejszeniem ilości mocy zaabsorbowanej przez powierzchnię []. Wpływ niedokładności przylegania powierzchni łączonych na jakość połączeń może zostać ograniczony również za pomocą układów dzielących wiązkę. Zaletą tego typu systemów jest brak zmiany rozkładu mocy. Do modelowania procesów spawalniczych, w tym również spawania laserowego mogą zostać wykorzystane ruchome pojemnościowe lub objętościowe źródła ciepła. 1 ODDZIAŁYWANIE WIĄZKI W UKŁADZIE DWUOGNISKOWYM Mechanizm działania układów wieloogniskowych polega na rozdzieleniu wiązki promieniowania laserowego za pomocą kilku połączonych ze sobą zwierciadeł skupiających, przesuniętych względem siebie. Wiązka padająca na zwierciadła jest rozdzielana i ogniskowana na powierzchni materiału z nieznacznym przesunięciem ognisk względem siebie. W przypadku spawania konstrukcji pojazdów mechanicznych zastosowanie układów wieloogniskowych pozwala na ograniczenie wad spawalniczych spowodowanych niedokładnym dopasowaniem powierzchni łączonych jak również uzyskanie stabilniejszego przebiegu samego procesu przetopu i krzepnięcia metalu. 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Centrum Laserowych Technologii Metali, 5-314 Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, hdanielewski@tu.kielce.pl Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Centrum Laserowych Technologii Metali, 5-314 Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, wzowczak@tu.kielce.pl 3007
` Rys. 1. Schemat budowy układu dwuogniskowego Zakładamy, że rozdzielone i zogniskowane na powierzchni wiązki nie ulegają rozproszeniu a suma ich mocy jest równa mocy pojedynczej wiązki zogniskowanej na powierzchni materiału. Wiązki łączą się ze sobą dopiero w kanale parowym w strefie roztopionego metalu a więc ich interferencja nie ma istotnego wpływu na proces absorpcji promieniowania, jedynie na kształt strefy przetopu wewnątrz materiału. Kształt ten jesteśmy w stanie kontrolować poprzez odpowiedni dobór mocy oraz prędkości spawania. Głębokość strefy przetopu w układzie dwuogniskowym w stosunku do układu jednoogniskowego ulega zmniejszeniu, spowodowane jest to zmniejszeniem gęstości mocy w punkcie centralnym oddziaływania wiązki. 1.1 Eksperymentalne badanie mechanizmu oddziaływania wiązki z głowicy dwuogniskowej W celu dokładniejszej analizy oddziaływania wiązki z układu dwuogniskowego (rys.1) przeprowadzono dwa eksperymenty. Miały one na celu zbadanie czy rozdział mocy dla obu wiązek jest równomierny oraz w jaki sposób oddziaływują one na materiał. Pierwszy z eksperymentów polegał na zbadaniu przy pomocy analizatora wiązki lasera CO PRIMES FM-10 talii oraz rozkładu mocy dla poszczególnych wiązek. W tym celu ustawiono odpowiednio zorientowane rozogniskowane wiązki z systemu dwuogniskowego w punkcie centralnym układu pochłaniania analizatora, ustawiono laser TruFlow 6000 o mocy maksymalnej 6 kw w tryb pracy ciągłej z minimalną osiągalną mocą pracy rezonatora wynoszącą 10 % i wykonano analizę wiązek. Na rysunku zaprezentowano stanowisko pomiarowe. 3008
Rys.. Widok stanowiska do badania analizatorem PRIMES FM-10 wiązki z głowicy dwuogniskowej Wyniki analizy wraz z rozkładem oddziaływania wiązki przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wyniki z analizatora wiązek dla układu dwudzielnego. Przedstawione wyniki odnoszą się do mechanizmu oddziaływania rozdzielonej wiązki w przestrzeni pomiarowej, w celu lepszego zbadania mechanizmu przetopu głowicą tego typu przeprowadzono drugie doświadczenie polegające na zbadaniu wpływu wiązki na materiał. Eksperyment ten polegał na oddziaływaniu na powierzchnię materiałów o niskich współczynnikach przewodności cieplnej takich jak: drewno, guma oraz szkło akrylowe pojedynczymi impulsami zogniskowanymi powyżej powierzchni materiału, pod jego poziomem a następnie na powierzchni w celu zbadania pola oddziaływania. Rys. 4. Efekty oddziaływania wiązki z głowicy dwuogniskowej na szkło akrylowe, ogniska ustawione powyżej materiału: a) 5 mm nad materiałem, b) 15 mm nad materiałem Wyniki przedstawione na rysunku 4 potwierdzają założenie o interferencji rozdzielonych wiązek poniżej punktu zogniskowania. 3009
` Następnie punkt ogniskowania obu wiązek zorientowano 50 mm poniżej powierzchni materiału i powtórzono eksperyment. Otrzymane wyniki przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Efekty oddziaływania wiązki z głowicy dwuogniskowej na szkło akrylowe zogniskowanej 50 mm poniżej powierzchni materiału Proces spawania laserowego z wykorzystaniem układów wieloogniskowych może być modelowany, w tym celu jednak niezbędne jest wyznaczenie obszaru oddziaływania rozdzielonych wiązek. Aby tego dokonać ustawiamy punkt ogniskowania na powierzchni materiału, a następnie dokonujemy pomiaru strefy oddziaływania. Rys. 6. Obszar oddziaływania wiązki z układu dwudzielnego, zogniskowanej na powierzchni materiału W przypadku zorientowania ogniska na powierzchni interferencja wiązek jest prawie niezauważalna, co oznacza, że zjawisko to ma miejsce poniżej powierzchni materiału, nie skutkuje więc na zmianę pola oddziaływania. Efekt ten z całą pewnością będzie miał wpływ na mechanizm tworzenia się ruchów konwekcyjnych ciekłego metalu oraz zmianę napięcie powierzchniowe jednak do rozważań analitycznych może zostać pominięty. Istotna będzie natomiast sama wielkości pola oddziaływania. WPŁYW ZORIENTOWANIA OGNISK NA KSZTAŁT STREFY PRZETOPU W zależności od orientacji ognisk kształt strefy przetopu będzie odmienny. W przypadku ognisk zorientowanych prostopadle do kierunku przetopu szerokość strefy przetopu, szczególnie na powierzchni będzie nieco większa od układu zorientowanego równolegle. Wpływa na to szerokość strefy oddziaływania wiązki na powierzchnię. Natomiast w przypadku orientacji ognisk równolegle względem trajektorii spawania strefa ta będzie węższa a zarazem talia strefy przetopu będzie bardziej równomierna. Proces ten spowodowany jest tak zwanym wtórnym przetopem materiału przez wiązkę 3010
poruszającą się za wiązką prowadzącą, skutkuje to stabilniejszym i bardziej równomiernym procesem krzepnięcia materiału w kanale parowym..1 Przetop materiału głowicą dwuogniskową dla dwóch wariantów orientacji ognisk W celu zapoznania się z mechanizmem spawania laserowego głowicą dwuogniskową został przeprowadzony eksperyment polegający na przetopieniu stali nierdzewnej 0H18N9 w dwóch układach orientacji ognisk na powierzchni. Do przetopu został wykorzystany wysokiej mocy laser CO Trumph TruFlow 6000, moc lasera została ustawiona na 6 kw, gazem osłonowym procesu był hel, częstotliwość lasera została ustawiona na 50 khz, a jedynym parametrem zmiennym oprócz orientacji ognisk była prędkość która wynosiła odpowiednio 600 i 1500 mm/min. Próbki następnie zostały przecięte przy pomocy obróbki hydro-ściernej w celu uniknięcia wpływu ciepła dla dalszych analiz, a następnie zeszlifowane i wytrawiona przy pomocy odczynnika Mi19Fe. Rys. 7. Profil przetopu z prędkością 600mm/min dla układu ognisk zorientowanych: a) prostopadle, b) równolegle do kierunku przetopu. Rys. 8. Profil przetopu z prędkością 1500mm/min dla układu ognisk zorientowanych: a) prostopadle, b) równolegle do kierunku przetopu Jak można zauważyć na rysunkach 7 i 8 orientacja ognisk ma wpływ na kształt spoiny w szczególności przy małych prędkościach procesu, natomiast przy większych prędkościach kształt ten staje się bardziej równomierny a jedynie sama wielkość wypływki ulega zmianie. Poniżej zestawiono zależności szerokości i głębokość spoiny dla obu układów ustawienia ognisk zmierzonych eksperymentalnie dla zadanych prędkości przetopu. 3011
` Rys. 9. Zależność głębokości spoiny od rodzaju głowicy Rys. 10. Zależność szerokości spoiny od rodzaju głowicy. Zastosowanie głowicy dwuogniskowej do spawania konstrukcji pojazdów mechanicznych Przedstawione powyżej doświadczenia wskazują zależność kształtu spoiny od zorientowania ognisk układu. Przeprowadzone eksperymentalnie przetopy wskazują na zalety oraz wady obu wariantów położenia ognisk. Efekty te możemy wykorzystać na przykład podczas łączenia konstrukcji samochodowych, okrętowych lub kolejowych. Stale stopowe stosowane w konstrukcjach pojazdów mechanicznych uznawane są za materiały średnio i trudno spawalne, wynika to z dużej zawartości pierwiastków stopowych takich jak molibden, nikiel, mangan, chrom, magnez a także innych dodatków w postaci wanadu, tytanu oraz niobu które wpływają na topliwość oraz krzepnięcie materiału. Technologia spawania laserowego pozwala na uzyskanie dobrej jakości złączy tych materiałów, jak również pozwala na spawanie karoserii pojazdów opartych na stopach aluminium [3]. W przypadku spawania konstrukcji pojazdów w których mamy do czynienia z wysokimi restrykcjami odnoszącymi się do poziomu bezpieczeństwa konstrukcji kluczowe jest uzyskanie połączenia o jak najlepszej jakości. Niedokładność przylegania powierzchni przed łączeniem możemy w pewnym stopniu ograniczyć stosując układ ognisk zorientowanych prostopadle do kierunku spawania, metoda ta jest skuteczna szczególnie w przypadku łączenia stali o średnim poziomie spawalności. Jak zostało wspomniane wcześniej zorientowanie ognisk równolegle do kierunku przetopu pozwala na stabilizację procesu krzepnięcia, proces ten ma kluczowe znaczenie jeżeli chodzi o rekrystalizację, w szczególności stali o dużej zawartości niklu, która ma tendencję do kruchego pękania podczas krzepnięcia. 3 ANALITYCZNE SZACOWANIE SZEROKOŚCI STREFY PRZETOPU W celu ograniczenia ilości eksperymentalnych przetopów drogich materiałów stosowanych jako elementy konstrukcyjne pojazdów możemy oszacować wielkość strefy przetopu wykorzystując do tego celu proste modele oparte na ruchomych źródłach ciepła. Jedną z wielkości szacowanych może być szerokość strefy przetopu. Pozwoli to na zawężenie zakresu parametrów procesu pozwalających otrzymać spoinę o wymaganej szerokości. Proste szacowanie opiera się na ruchomych liniowych lub punktowych źródłach ciepła uwzględniających przewodność cieplną stałej fazy metalu [4]. W procesie spawania laserowego występuje również konwekcja ciekłego metalu wewnątrz kanału parowego oraz radiacja powierzchni 301
nagrzanego materiału. Zjawiska te również mają wpływ na proces przekazywania energii cieplnej wewnątrz materiału jednak uwzględnienie ich wymaga stosowania czasochłonnych metod numerycznych [5]. W modelu przedstawionym poniżej zaproponowano kombinację dwóch ruchomych źródeł ciepła, źródła liniowego ze zmodyfikowanym rozkładem mocy opisującego przekazywanie ciepła wewnątrz kanału parowego wykorzystując do tego parametry termofizyczne dla ciekłej fazy metalu oraz źródła punktowego odwzorowującego przekazywanie energii zaabsorbowanej przez powierzchnię dla stałej fazy metalu [6]. l T l P 4 K v x y ( z ) x v x y 1 ( l ) P x y ( z ) l e d e 4 KR z x (1) gdzie: T temperatura [K], ρ gęstość materiału przyjęto ρ = 6900 kg/m 3 dla fazy ciekłej, a ρ = 7900 kg/m 3 dla fazy stałej, K współczynnik przewodnictwa cieplnego przyjęto K = 3 W/(m K) dla fazy ciekłej i K = 17 W/(m K) dla fazy stałej, c p ciepło właściwe, przyjęto c p = 84 J/(kg K) dla fazy ciekłej oraz c p = 450 dla fazy stałej, c p dyfuzyjność cieplna, P moc wiązki zaabsorbowana przez materiał dla obu rozdzielonych wiązek równa mocy wyjściowej źródła promieniowania (6 kw), α współczynnik określający jaka część całej mocy jest absorbowana na powierzchni materiału, v [m/s] prędkość spawania, x, y, z współrzędne (x kierunek ruchu wiązki, z głębokość), l długość liniowego źródła ciepła. Rys. 11. Profil izotermy temperatur oszacowany analitycznie Zaprezentowany model uwzględnia parametry termofizyczne dla stałej i ciekłej fazy metalu dla stali 0H18N9 wykorzystanej do wizualizacji strefy przetopu. Prędkości przetopu w szacowanym modelu wynoszą odpowiednio v 1 =600 mm/min oraz v =1500 mm/min. Linia pozioma określa izotermę równą temperaturze topnienia badanej stali, która wynosi 118 K. Szerokości oszacowane oraz otrzymane eksperymentalnie przedstawia tabela 1. 3013
` Tab. 1 Wyniki oszacowane analitycznie oraz otrzymane eksperymentalnie Lp. Prędkość v[mm/min] Szerokość oszacowana analitycznie [mm] Szerokość zmierzona eksperymentalnie [mm] 1 600 5,4 6,6 1500,8 3,61 WNIOSKI Wykorzystywanie wieloogniskowych układów skupiających pozwala na zwiększenie strefy przetopu bez spadku intensywności promieniowania, określanej jako gęstość mocy zaabsorbowana przez materiał jak ma to miejsce w przypadku rozogniskowania wiązki. Dwuogniskowe układy skupiające można skutecznie wykorzystywać do spawania stali w tym stali stopowych stosowanych w konstrukcjach pojazdów mechanicznych. Orientacja ognisk układu ma wpływ na szerokość strefy przetopu oraz stabilność procesu spawania. Wykorzystując proste modele analityczne oparte na ruchomych źródłach ciepła z wykorzystaniem parametrów termofizycznych stałej i ciekłej fazy metalu możemy oszacować szerokość spoiny ograniczając ilość badań eksperymentalnych. Modelowanie spawania laserowego jest procesem złożonym, wymagającym uwzględnienia wielu trudno identyfikowalnych czynników takich jak zmiany współczynników termofizycznych pod wpływem wzrostu temperatury, a także występowanie konwekcji oraz radiacji w procesie przekazywania energii cieplnej. Wykorzystując pewne założenia upraszczające możemy pominąć analizę tych zjawisk i z pewnym przybliżeniem oszacować analitycznie wielkość strefy przetopu. Czynnikiem mogącym wpływać na przebieg samego procesu oraz kształt przetopu przy użyciu głowicy dwuogniskowej może być zjawisko interferencji obydwu części wiązki wewnątrz kanału parowego. Stanowi to sugestię do dalszych analiz. Streszczenie W artykule opisano dwuogniskowy układ optyczny skupiający wiązkę laserową i pokazano oddziaływanie tak ukształtowanej wiązki na materiał. Zaproponowano wykorzystanie technologii spawania laserowego z zastosowaniem dwuogniskowej głowicy spawalniczej do łączenia stali stopowych średnio i trudno spawalnych wykorzystywanych w produkcji pojazdów mechanicznych. Zaproponowany został również analityczny model szacowania szerokości strefy przetopu z użyciem kombinacji ruchomych źródeł ciepła pozwalający na ograniczenie ilości eksperymentalnych przetopów. Model zakłada uwzględnienie współczynników termofizycznych dla stałej oraz ciekłej fazy materiału w celu dokładniejszego oszacowania rozkładu temperatur. Investigation of bifocal laser beam effect on the welded material used in vehicle construction Abstract The bifocal optical system for focusing laser beam has been described and the results of so formed beam affecting the material has been shown. The welding with the use of such laser head of medium and hard weldable steels used in construction of motor vehicels has been proposed. Analytical model of estimation of the width of the melted zone has been also proposed. This model uses combination of point and linear moving heat sources and different thermopysical parameters for solid and liquid zone and it may be useful in holding down the number of experimental trials. BIBLIOGRAFIA 1. Antoszewski B., Gradoń R., Trela P., A study of laser-beam welding conducted at Centre for Laser Technologies of Metal, Proceedings of SPIE - Aplication of Lasers, pp. 8713-8743. Steen W.M., Mazunder J., Watkins K.G. Laser Material Processing, Springer-Verlag, London 010. 3014
3. Hirose A., Kobayashi K. F., Laser Beam Welding of Automobile Materials for Lightweight 4. Car Body, Materials Science Forum, 005, vol. 50, s. 487 49 5. J. M. Dowden, The mathematics of thermal modelling, Chapman&Hall 001 6. W. Zowczak, On the modelling of laser subtractive manufacturing, Proceedings of Kielce University of Technology, Electricity 40, pp. 163-17, 00 7. H. S. Carslaw, J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Oxford at the Clarendon Press 1960 3015