34/42 Soidification of Metais and Aoys, Year 2000, Voume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metai i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 P AN-Katowice, PL ISSN 0208-9386 MONITOROWANIE JAKOŚCI SPOINY PODCZAS SPA W ANIA LASEROWEGO Jacek HOFFMAN, Jacek KURZYNA, Zygmunt SZYMAŃSKI, Instytut Podstawowych Probemów Techniki P AN Świętokrzyska 21, 00-049 Warszawa Jerzy JAKUBOWSKI, Andrzej KOLASA, Instytut Technoogii Materiałowych PW Narbutta 85, 02-524 Warszawa. WPROW ADZENIE Spawanie aserowe stosowane jest w ceu uzyskania połącze'1 wysokiej jakości. Szczegónego znaczenia nabiera więc kontroa jakości spoiny. Kontroa wykonywana po spawaniu wydłuża proces technoogiczny nie umożiwiając korekty parametrów spawania na bieżąco, tj. w trakcie spawania. Datego poszukiwane są metody, które dzięki anaizie rejestrowanych sygnałów pozwaałyby na ocenę jego jakości podczas procesu. Proponowane są metody oparte na pomiarach promieniowania własnego pazmy powstającej przy spawaniu, promieniowania asera pomiarowegdbitegd jeziorka spawaniczego, rejestracji sygnałów akustycznych generowanych podczas spawania itp. Sygnały optyczne i akustyczne towarzyszące spawaniu aserowemu w sposób złożony związane są z procesami fizycznymi zachodzącymi podczas spawania. Oddziaływanie wiązki asera C0 2 o natężeniu prze kraczającym 10+30 kw/cm 2 z powierzchnią metau prowadzi do powstania kanału parowego ( keyhoe'a) w postaci cyindrycznej kapiary, za pośrednictwem którego następuje penetracja wiązki asera w głąb materiału. Roztopiony meta tworzący jeziorko spawanicze opływa kanał parowy i zestaając się za nim tworzy spoinę. Kanał parowy wypełniony jest zjonizowanymi parami metau - pazmą. Ciśnienie wywierane przez strumień pazmy wypływający z kanału na jego ścianki oraz ciśnienie abacyjne (związane z parowaniem metau ze ścianek) są odpowiedziane za uformowanie kanału i zapobiegają jego zamknięciu pod wpływem ciśnienia wynikającego z napi ęc ia powierzchniowego. Ciśnienia te znajdują się w dynamicznej równowadze czemu towarzyszyć mogą róż norodne oscyacje
310 kapiary. Z oscyacjami kanału parowego i przepływem pazmy zwtązane są sygnały akustyczne oraz oscyacje promieniowania pazmy. Jedną z metod monitorowania jest obserwacja promieniowania pazmy w zakresie widzianym pbu stronach spawanej próbki. Promieniowanie pazmy po stronie przeciwnej do padania wiązki Jaserowej ( "z dołu" ) pojawia się tyko w przypadku pełnej penetracji, a jego natężenie zaeży od stopnia otwarcia kanału. Brak sygnału wskazuje więc, że przetopienie nie jest pełne. Jednakże nasze eksperymenty pozwaają na stwierdzenie, że dobra spoina jest uzyskiwana tyko wtedy, gdy promieniowanie z dołu nie przekracza pewnego, niewiekiego w porównaniu z promieniowaniem po stronie padania wiązki Jasera, poziomu. Powyżej tego poziomu spoina jest przegrzana i zawiera zbyt dużą iość porów. Wzrostowi promieniowania od dołu towarzyszy spadek promieniowania obłoku pazmowego z góry próbki. Obserwowany efekt związany jest z dynamiką kanału parowego. Gdy kanał otwiera się na doe wtedy ciśnienie wewnątrz kanału raptownie spada. Kanał kurczy się i może się zamykać na górze. Powyższa metoda nie może być zastosowana wtedy, gdy dostęp do próbki możiwy jest wyłącznie od strony padania wiązki Jasera ub gdy spawanie ceowo jest prowadzone bez uzyskiwania pełnej penetracji, jak to ma miejsce np. w przemyśe stoczniowym podczas spawania bach poszycia do konstrukcji szkieetu. Metody bazujące na monitorowaniu sygnałów rejestrowanych tyko po stronie ica powstającej spoiny opisano w []. W metodach tych anaizowany jest sygnał optyczny pochodzący z obłoku pazmowego nad wejściem do keyhoe'a ub sygnał akustyczny abo też oba te sygnały łącznie. Poszukuje się takich cech sygnałów, które nie są funkcjami czasu, natomiast zaeżą od warunków spawania i pozwaają oceniać te warunki z punktu widzeniajakości spoiny. Wiekością char.akteryzującą sygnały zaeżne od czasu jest ich widmo częstotiwościowe. W praktyce stosowane jest gęstość widmowa mocy sygnału ( PSD ), która okreśa rozkład mocy sygnału w funkcji częstotiwości. Nowoczesne agorytmy obiczania szybkich transformat Fouriera ( FFT) i szybkie komputery pozwaają na wyznaczanie gęstości widmowej w czasie rzeczywistym trwania procesu. W pracy [2] pokazano, że dobre warunki spawania w przypadku cienkich miimetrowych bach charakteryzuje występowanie pojedynczego piku przy częstości 3.5-4.5 khz w gęstości widmowej zarówno sygnału optycznego jak i akustycznego. Niestety w omawianej pracy nie zostały sprecyzowane warunki spawania; materiał spawanej próbki, gaz osłonowy czy moc asera. Niniejsza praca przedstawia niektóre wyniki anaizy fourierowskiej sygnałów akustycznych i optycznych zarejestrowanych przy spawaniu bach ze stai ST3 i OH18N9. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE Spawanie wykonano aserem C0 2 przy mocy 1750 W (praca ciągła w modzie TEM 10 ). Wiązkę asera ogniskowano na powierzchni próbek za pomocą
311 głowicy zwierciadanej gniskowej 150 mm. Spawano próbki ze stai węgowej St3S oraz ze stai austenitycznej OH18N9 o grubości odpowiednio 0.8 i 2 mm. Jako gaz osłonowy stosowano argon i he. W większości wypadków da wygody badano przetapianie bach zamiast ich spawania unikając żmudnego mocowania obu spawanych części. wiązka aserowa światłowód do fotopowieacza promieniowanie termiczne /mikrofon -f faa akustyczna ::::\ promieniowanie pazmy przechodzące promien asera i pazmy Rys.. Zjawiska towarzyszące spawaniu aserowemu. Sygnały akustyczne zbierano za pomocą szerokopasmowego mikrofonu eektretoweg dookónej charakterystyce kierunkowej (bez wyróżnionego kierunku największej czułości). Promieniowanie pazmy w zakresie długości fai 300-c-800 nm światłowodem doprowadzano do monochromatora, który pozwaał na seekcję zadanego fragmentu widma w ceu obserwacji na iniach charakterystycznych da spawanego metau ub gazu osłonowego. Promieniowanie przechodzące przez monochromator było rejestrowane za pomocą fotopowieacza. W ceach porównawczych zastosowano także detektory na fotodiodach rejestrujące całkowite promieniowanie pazmy w zakresie światła widzianego i biskiej podczerwieni. Sygnały z fotopowieacza, fotodiody oraz mikrofonu rejestrowano za pomocą karty do akwizycji danych (OSO 2200) współpracującej z komputerem. Następnie zarejestrowane sygnały poddawanbróbce
312 numerycznej wyznaczając ich gęstość widmową oraz współczynniki koreacji. Sygnał optyczny jest proporcjonany do energii wypromieniowywanej w jednostce czasu przez obłok pazmowy. Natomiast rejestrowany za pomocą mikrofonu sygnał akustyczny jest proporcjonany do zmian ciśnienia wokół wartości stałej ciśnienia atmosferycznego i w odróżnieniu od sygnału optycznego występują w nim zarówno wartości dodatnie i ujemne. Energia promieniowania akustycznego w jednostce czasu jest proporcjonana do kwadratu ampitudy, zatem sygnał akustyczny przed obiczeniem gęstości widmowej podnoszono do kwadratu. Dzięki temu w przypadku obu sygnałów anaizowano strumień energii. 3. WYNIKI BADAŃ Spawając bachy o grubości 0.8 mm ze stai węgowej St3S w argonie wiązką asera o mocy 1750 W najepsze efekty uzyskano przy prędkości 3-4 m/min. Przy mniejszej prędkości następowało przegrzanie spoiny i nadmierne jej poszerzenie, natomiast przy większej występowały miejsca niedospawane. Zmianom jakości spoiny odpowiadały zmiany charakteru rozkładów gęstości widmowej zarówno sygnału z fotopowieacza jak i sygnału akustycznego. Przy dobrych warunkach spawania, w obu widmach występują charakterystyczne dobrze okreśone maksimum o częstości około 4 khz (patrz rys.2 b). Szerokość piku wynosi około kikuset Hz, przy zdoności rozdzieczej metody wyznaczania gęstości widmowej około 50 Hz. Zmniejszeniu prędkości do 1.5 rn/min (rys.2a) i związanemu z nim przegrzaniu spoiny towarzyszy zanik piku. Znikanie piku następuje także przy zwiększeniu prędkości do 7m/min (rys.2 c) przy której przetopienie nie jest pełne. Takie zachowanie widm sygnałów jest zgodne z wcześniejszymi wynikami zamieszczonymi w pracy [2]. Wyniki uzyskane podczas spawania bach o grubości 2 mm ze stai OH18N9 nie są już tak jednoznaczne. Najepsze wyniki uzyskano stosując he jako gaz osłonowy. Da stałej mocy asera równej 1750 W optymana prędko ść spawania jest równa 2-2.5 m/min, natomiast najwyraźniejsze piki na wykresie gęstości widmowej można zao bserwować przy prędko śc i dwukrotnie mniejszej + 1.5 m/ min (patrz rys.3). Częstość charakterystyczna pików obserwowanych przy małej prędkości wynosi ok..8 khz. Przy prędkościach spawania 2-2.5 rn/min pojawiają się nieduże piki przy częstości ok. 4 khz. Spoiny badano metodami metaograficznymi. Przykładowe zdjęcia spoin uzyskanych przy przetapianiu bachy nierdzewnej pokazujące różnice szerokości spoiny przedstawione są na rys.4. We wszystkich przypadkach gdzie uzyskano pełne wykazuje wad mimo zmiany szerokości. przetopienie spoina nie
313 35 30 -'-25 20 :;: 15 010 o 5 '-"ń i vvi.\..v- a 6 5! j JJ '' 'f\6.1 n f 1 t T/ v \v Y.!\ w\ a 5000 10000 częstość Hz 15000 5000 10000 częstość- Hz 15000 15 r : 5 m. O N..,, 1\. vvu,/ i'! f\,#11 b 19I : 8 -m,2 O )\ i ' j! i v tiv ' VJ:, N w\v 14. ' i i ' 'v.rą,.h b 1SXX 25 -ą20 15 g :;:10 : o ł.s O i! \ \ 5000 1 ()()()() częstość Hz c 15()( o------------------ o 5000 10000 15000 częstcść- Hz Rys.2. Gęstość widmowa sygnału optycznego (ewa strona) i akustycznego (prawa strona) przy spawaniu aserowym. Materiał spawany sta ST3 0.8 mm, moc asera 1.75 kw, prędkość spawania a)1.5 m/min, b) 3 m/min, c)7 m/min. Gaz osłonowy argon
314 30. 25 20 o E - 15 U (/) o u; 10 Q)' O 5 -'+1 A j_ V'v ""- - --,..--... 5000 10000 15000 częstość - Hz a 6.----------------.-------- a OL----------------L-------- o 5000 10000 15000 częstość- Hz 3,-------.--------,-------. b L 20 -- L L :s. 8!- : i 2 O 10,-------.-------.------- b... - - - - - - - - - - -.L- - - - - - - --- - - - - - - - - -L--- - - - ------ - - ----- - -- --- - j [ [ _ '3:XJJ 1 OOX 1'3:XJJ częstcść- Hz 5000 10000 15000 częstość- Hz 20,-------,-------,------. 6,--,----,--------,-------. c O SXX 100X 1SXO częstffić-- Hz 14 g 3 -- ----- - '0 ;; U 2 m ---- ---! -------- -- ------- 1,,,.,.,,..,, m t --- QL--------------L------ o 5000 1 0000 15000 częstość - Hz
315 -------.-------.-------. 15 10 : "M-s--ti':- d : --- -------.. o o---------------- o SXXJ 10COO 1:a:o czę;tcść- Hz 6 5 4 3 j : 2!1 50C() 1<XXX 150C() częstcść- Hz d,------.-------.-------. e 15 10f-----+------- m, 0:==- 0 Ero) 10Cffi 15m częstcść- Hz --------.-------.----- f :g_ 15 ----+ [ - j -6 10 - -----t-------- t ------------ s.4 5.--------.--------.------- 3 - ;: 2 łł m-+---+ j e-; U i 11- - ---- - ----- -' - -- - - "-IJ! -- s. o-------l--------l------- o 5000 10000 15000 częstcść - Hz 5.--------.--------.--------, f 4 - - - ----- - - - ------ - - - - - - ------- ---- - -- - ----- - i:-- o SXXJ 10COO 1SXXJ czę;tcść - Hz OL--------L-------------- o 5000 10000 15000 częstcść - Hz Rys.3. Gęstość widmowa sygnału optycznego (ewa strona) i akustycznego (prawa strona) przy spawaniu aserowym. Materiał spawany sta nierdzewna OH18N9T, 2 mm, moc asera 1.75 kw, gaz osłonowy he, prędkość spawania koejno a) 0.3 m/min, b) m/min, c) 1.5 m/min, d) 2m/min, e) 2.5 m/min, f) 4 m/min.
316 Naeży zaznaczyć, że gęstość widmowa jest pewną średnią charakterystyką spoiny uzyskaną da okreśonegdcinka długości spoiny. W opisywanym eksperymencie próbkowano sygnały z czę s tością 00 khz, tzn. przykładowo przy prędkości spawania 3 m/min rejestrowano sygnały na odcinku spoiny o długości 3.25 cm. Gęstość widmową okreśano da koejnych odcinków o długości 0.1 cm (przy prędkości spawania 3 m/min) a następnie uśredniano po wszystkich odcinkach. Rys.4. Zdjęcia spoin uzyskanych przy przetapianiu bachy nierdzewnej OH 18N9 o grubości 2 mm pokazujące różnice szerokości spoiny w zaeżności od prędkości spawania; 4m/min, 2.5 m/min, 2 m/min i 1.5 rn!rnin. Moc asera 1750 W, gaz osłonowy he 15 /min
317 4.WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, że w wieu przypadkach możiwe jest monitorowanie jakości spoiny podczas spawania aserowego za pomocą anaizy gęstości widmowej sygnału optycznego rejestrowanego wyłącznie po stronie padania wiązki asera. Uzyskane wyniki nie są w pełni jednoznaczne, gdyż pojawienie s i ę wyróżnionych pików na wy)qesie gęstości widmowej nie zawsze ściśe pokrywa się z wartościami parametrów, przy których spoina jest optymana. Jednakże zakres parametrów spawania, w którym uzyskiwane są prawidłowe spoiny jest stosunkowo szeroki i w każdym zbadanym przypadku obejmuje także obszar pojawiania się pików. Porównując zapisy sygnałów optycznych uzyskane za pomocą fotodiody i fotopowieacza stwierdzono ich bardzo dużą zgodność. Układ monochromatorfotopowieacz jest niezastąpiony podczas szczegółowych badaó spektroskopowych, np. mających na ceu okreśenie rozkładu temperatury w obłoku pazmowym. Natomiast do ceów monitorowania na podstawie PSD wystarczająca jest rejestracja za pomocą fotodiody całkowitego promieniowania w szerokim widmie światła widzianego. Detektory na fotodiodach jako tat1sze i dogodniejsze do stosowania w warunkach przemysłowych od fotopowieaczy dzięki takim cechom jak małe rozmiary, odporność na wstrząsy, niskie napięcie zasiające i łatwość integracji z układami eektronicznymi są perspektywicznym narzędziem monitorowania procesów spawania aserowego. Cennym uzupełnieniem sygnałów optycznych jest sygnał akustyczny, a w pewnych przypadkach, gdy uzyskanie sygnału optycznego jest niemożiwe, monitorowanie może być prowadzony wyłącznie za pośrednictwem sygnału akustycznego. Widmo sygnałów akustycznych, mimdmiennej natury ich generacji wykazuje dużą zgodność z widmem sygnałów optycznych zwłaszcza tam gdzie pojawiają się wyraźnie wyróżnione piki. Praca została wykonana w ramach projektu badawczego KBN 7 T08C 003 5 LITERA TURA. [] W.W.Duey: Laser Weding, Wiey 1999 [2]. H.Gu and W.W.Duey, Resonant acoustic errission duringaser weding of metas, J. Phys D: App. Phys. 29 550-555, 1996, patrz także [1].