Geometria spoin laserowych

Geometria spoin laserowych przedstawiona zostanie w pierwszej kolejności na podstawie badań prowadzonych przez Uniwersytet Techniczny w Helsinkach i opublikowanych w [14]. Badania te dotyczą doczołowych złączy blach o grubości 12mm.

Szczegółowa analiza geometrii spoin laserowych przedstawiona zostanie na tle analogicznych spoin wykonanych techniką SAW i dwiema technikami hybrydowymi.

Porównanie parametrów geometrycznych spoin wykonanych różnymi metodami i prezentowanymi na przykładzie prostego przypadku – spoiny doczołowej, ma na celu uwidocznienie odmienności geometrii spoin laserowych, będących efektem zastosowania nowej technologii. W drugiej kolejności przedstawiona zostanie geometria spoiny laserowej stalowych paneli typu sandwich, która jest szczególnym przypadkiem połączenia spawanego techniką laserową.

Nowa metoda łączenia wielkogabarytowych konstrukcji cienkościennych prowadzi do powstania w konstrukcji spoin o znacząco odmiennej geometrii w porównaniu do złączy konwencjonalnych. Spoina laserowa posiada znacznie mniejszą szerokość, niezwykle wąską strefę wpływu ciepła i niewielką wysokość lica. Na Rys.5.1 zaobserwować można proporcje wymiarów spoin wykonanych technologią spawania łukiem krytym pod topnikiem (SAW) i spawania laserowego dla spoiny doczołowej blach o grubości 12mm. Poza geometrią samej spoiny, złącza wykonane różnymi technikami cechują znacząco odmienne odkształcenia pospawalnicze. Ze względu na trwałość zmęczeniową połączeń potencjalnie najbardziej istotnymi różnicami w geometrii spoin są kształty karbów lica i grani, a także kąty pochylenia lica, jego wysokość i szerokość.

72

Rys.5.1 Spoina wykonana a) metodą SAW, b) spawaniem laserowym [14]

Dokładną analizę wymiarów spoin wykonywanych różnymi metodami przedstawiono w [14]. Geometrię połączeń opisano zależnościami geometrycznymi przedstawionymi na Rys.5.2. Opis parametryczny dotyczy zarówno geometrii samej spoiny, jak i niedoskonałości wykonawcze i odkształcenia spawalnicze. Przyjęte oznaczenia parametrów w pełni opisują geometrie połączeń elementów o standardowej grubości. Spoiny laserowe elementów bardzo cienkich (rzędu 2.5mm), a w szczególności wykonywanych nietypową technologią (jak ma to miejsce w spoinach stalowych paneli typu sandwich) wykraczają poza przedstawiony tutaj opis geometryczny.

Rys.5.2 Opis geometrii spoin doczołowych [14]

W pracy [14] analizowane są spoiny wykonane 4 różnymi technikami spawalniczymi:

- Próbki spawane metodą łukiem krytym pod topnikiem (ozn. SAW). Spawane metodą jednostronną dwoma drutami spawalniczymi z podkładką ceramiczną formującą grań spoiny,

a)

b)

73

- Próbki spawane metodą hybrydową będąca połączeniem metody MAG i spawania laserowego w konfiguracji oznaczonej "Hybrid LF". Wiązka lasera CO2 w tej metodzie znajduje się 2mm przed elektrodą topliwą w osłonie gazów aktywnych. Jeziorko spawalnicze jest pchane przez elektrodę topliwą. Krawędzie spawanych blach są równoległe bez ukosowania,

- Próbki spawane metodą hybrydową będąca połączeniem metody MAG i spawania laserowego w konfiguracji oznaczonej "Hybrid MF". Wiązka lasera CO2 w tej metodzie znajduje się 5mm za elektrodą topliwą w osłonie gazów aktywnych. Jeziorko spawalnicze jest ciągnięte przez elektrodę topliwą. Krawędzie blach są ukosowane "na Y",

- Próbki spawane metoda laserową (laser CO2).

Wszystkie próbki wykonane zostały z jednakowego materiału - stali RAEX S275 LASER [14].

Szczegółowe pomiary wykonane na spoinach doczołowych wykonanych różnymi technikami pozwala stwierdzić, że spoina laserowa posiada około 35-krotnie mniejszą wysokość lica od spoiny wykonanej łukiem krytym pod topnikiem (SAW) i 5-krotnie mniejszą wysokość od połączeń hybrydowych. Szerokość spoiny laserowej jest o połowę mniejsza od połączeń hybrydowych i ponad 6-krotnie mniejsza od spoin SAW. Istotnym parametrem geometrycznym jest kąt nachylenia lica spoiny. Dla spoin laserowych jest on znacznie mniejszy i wynosi średnio około 4⁰, jednak jego wartość charakteryzuje się dużym rozrzutem z maksymalną pomierzoną wartością poprawnie wykonanego złącza równą 25⁰. Dla porównanie standardowe nachylenie lica spoiny wykonanej techniką SAW wynosi około 30⁰. Ze względu na trwałość zmęczeniową niezwykle istotnym elementem spoiny jest geometria karbu lica i grani. W miejscach nieciągłości geometrycznych bowiem powstają koncentracje geometryczne, w których często inicjują się pęknięcia zmęczeniowe.

Szczegółowa analiza geometrii karbów lica i grani zawiera praca [14]. Z pomiarów przeprowadzonych na omawianych próbkach wynika, że karby lica o największej głębokości posiadają spoiny laserowe - około 3-krotnie głębsze aniżeli spoiny SAW i hybrydowe.

Jednocześnie w przypadku spoin laserowych zaobserwować można większy aniżeli w przypadku spoin wykonywanych innymi metodami rozrzut wyników pomiarów geometrii karbów lica. W przypadku karbów grani spoin nie zaobserwowano już tak znacznych różnic między spoinami wykonywanych różnymi metodami. Zarówno głębokości karbów, jak i kąty pochylenia ich krawędzi różnią się między sobą w znacznie mniejszym stopniu.

Powyższe wyniki pomiarów geometrii spoin i karbów dotyczą doczołowego spawania blach o grubości 12mm. Ze względu na odmienną technologię spawania laserowego stosowaną w przypadku stalowych paneli typu sandwich, ich spoiny wymagają osobnej analizy. Spoiny laserowe stalowych paneli typu sandwich są połączeniami wykonywanymi w nietypowy sposób - poprzez doprowadzenie wiązki lasera od strony poszycia i przetopienia materiału poszycia i usztywnienia. Prowadzi to do powstania

74

połączenia charakteryzującego się unikalną geometrią (Rys.5.3). Dokonano szczegółowych pomiarów zarówno geometrii spoiny jak i karbów lica i grani połączenia, a ich wartości średnie naniesiono na Rys.5.3. Połączenie cechuje bardzo mała szerokość, wąska strefa wpływu ciepła (SWC) i charakterystyczne dla spoin laserowych lico o przekroju kołowym.

W połączeniu występują również karby lica i grani spoiny. Połączenia laserowe stalowych paneli sandwichowych nie posiadają pełnego przetopu, co skutkuje obecnością szczelin po obu stronach spoiny. Ze względu na zachowanie w procesie technologicznym produkcji paneli sandwichowych bardzo wysokich dokładności i procesu kontroli spoiny, geometrie połączeń charakteryzuje duża powtarzalność. Jednocześnie geometria samych karbów lica i grani może się znacząco różnić i trudna jest do opisania zależnościami geometrycznymi stosowanymi dla spoin konwencjonalnych. Przykładowe fotografie karbów lica i grani przedstawiono na Rys.5.4 i Rys.5.5. Dla połączeń blach o grubości powyżej 5mm stosowane są różne opisy geometrii spoin i karbów, z których jeden opisano powyżej. Natomiast dla geometrii karbów połączeń cieńszych elementów (w tym szczególnie spoin stalowych paneli typu sandwich) nie znaleziono opisów literaturowych.

Rys.5.3 Spoina laserowa stalowych paneli typu sandwich (przekrój poprzeczny w powiększeniu 100x)

75

Rys.5.4 Karby lica spoiny laserowej stalowych paneli typu sandwich

76

Rys.5.5 Karby grani spoiny laserowej stalowych paneli typu sandwich

77