Laserowo spawane płaszcze grzewcze zbiorników ze stali austenitycznej

Streszczenie

Celem artykułu jest omówienie procesu kwalifikowania technologii wytwarzania panelowych wymienników ciepła z wykorzystaniem spawania laserowego. Przedstawione zostały wymagania niezbędne do uzyskania uznania oraz wyniki badań procesu formowania paneli zgodnie z przepisami dozoru technicznego.

• Technologia wytwarzania płaszczy „pillow" metodą spawania laserowego
• Przedmiot i zakres badań
• Kontrola i badania złączy próbnych
• Podsumowanie

 

Wstęp

    Wiązka laserowa jest bardzo uniwersalnym źródłem energii, co decyduje o jej wykorzystaniu w wielu procesach technologicznych, takich jak cięcie, drążenie, spawanie, spiekanie czy obróbka cieplna. Podczas spawania laserowego wykorzystuje się dwie podstawowe techniki:

 

• spawanie przewodnościowe (LASER CONDUCTION WELDING),
• spawanie głębokie lub inaczej kapilarne (KEYHOLE WELDING).

 

   Spawanie przewodnościowe stosowane jest przy łączeniu elementów stalowych o grubości poniżej 1 mm. Ciepło dostarczane na powierzchnię metalu przez wiązkę laserową o gęstości mocy ok. 104÷105 W/cm2 przenika w głąb materiału zgodnie z prawem przewodnictwa cieplnego, powodując jego przetopienie bez odparowania.
   Spawanie kapilarne wymaga użycia wiązki laserowej o gęstości mocy powyżej 106 W/cm2. Tak silne skupienie światła powoduje topienie i parowanie metalu, które prowadzi do utworzenia wąskiego, głębokiego jeziorka z kapilarą - kanałem gazodynamicznym w środku. Wypełniony parami metalu i plazmy kanał na całej głębokości pochłania energię fotonów, powodując przetapianie metalu na głębokość kapilary. Konwekcyjne przekazywanie ciepła odbywa się promieniście od kapilary do materiału spawanego.

   Mimo upływu ponad 50 lat od wynalezienia lasera jego wykorzystanie w procesach spawalniczych jest wciąż niedostateczne. Wysoki koszt inwestycyjny sprawia, że wykorzystanie lasera staje się opłacalne w zastosowaniu do dużych serii. Wykonywanie typowych spoin czołowych techniką laserową wymaga precyzyjnego dopasowania elementów do spawania (odstęp między brzegami nie powinien przekraczać 0,2 mm) i idealnie precyzyjnego prowadzenia wiązki o średnicy np. 0,3 mm wzdłuż linii styku. Minimalne przesunięcie współosiowości linii styku spawanych elementów i osi wiązki, spowodowane chociażby naprężeniami, odkształceniem spawalniczym czy niewystarczająco pewnym zamocowaniem elementów do spawania, powoduje powstanie przyklejeń brzegowych i braków przetopu.
   W podstawowej odmianie procesu spawania laserowego spoiny wykonywane przy użyciu wiązki promieniowania laserów CO2 lub Nd-YAG są zazwyczaj układane w jednym przejściu (spawanie kapilarne), z pełnym przetopem. Proces spawania laserowego przebiega bez materiału dodatkowego - spoina powstaje ze stopienia brzegów spawanych elementów. Do korzyści, jakie przynosi spawanie laserowe, zaliczyć należy: możliwość automatyzacji, wysoką prędkość spawania, wysoką wydajność, podwyższoną niezawodność, niskie odkształcenie gotowych elementów oraz brak potrzeby ukosowania i stosowania materiału dodatkowego do spawania. Wykorzystując aktualne techniki laserowe spawania, można uzyskać w zależności od mocy lasera i prędkości spawania pełny przetop spoin w jednym przejściu o grubości do 25 mm.

   Lasery CO2 mają wiązkę o długości fali 10,6 μm, dobrej jakości, wydajności i dużej mocy wyjściowej odpowiedniej do cięcia arkuszy metalu z dużą prędkością. Lasery Nd-YAG mają zwykle wiązkę o niższej mocy doprowadzaną do miejsca spawania światłowodem. Ze względu na stosowany najczęściej impulsowy tryb pracy mogą być wykorzystywane do precyzyjnej obróbki zarówno grubych, jak i cienkich materiałów. Dzięki małej długości promieniowania (1,06 μm) światło lasera Nd-YAG jest lepiej absorbowane przez obrabiany metal niż promieniowanie lasera CO2, stąd zalecane jest ono do obróbki materiałów o dużej refleksyjności [4, 5].

   Od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku [3] stosuje się w przemyśle samochodowym spawanie blach karoseryjnych tzw. tailored blanks - spawanie z blach o zróżnicowanej grubości i/lub zróżnicowanych właściwościach segmentów przeznaczonych do tłoczenia. Ograniczenia co do precyzji dopasowania brzegów lub konieczność śledzenia położenia brzegów

 

Rys. 1. Przykłady różnej geometrii rdzenia dla stalowych paneli „sandwicz"[9]

 

podczas spawania są znacznie łagodniejsze pod czas laserowego spajania elementów w wyniku przetopienia nałożonych na siebie blach (złącza nakładkowe). Ostatnie lata przyniosły wdrożenie spawania laserowego w przemyśle okrętowym do wytwarzania prefabrykatów (paneli) wykorzystywanych w budowie okrętów [2]. Przykłady konstrukcji paneli spawanych laserowo przedstawiono na rysunku 1.

 

Autor:

Dr inż. Krzysztof Dutka – Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie.