Jakie czynniki wpływają na grubość spawania laserowego

Jakie czynniki wpływają na grubość spawania laserowego?

Spawanie laserowe jest powszechną techniką łączenia metali, szeroko stosowaną w produkcji i budownictwie. Wśród nich kluczowym parametrem jest grubość spoiny, a grubość spoiny odnosi się do grubości złącza spawanego, co bezpośrednio wpływa na wytrzymałość i stabilność złącza spawanego. Zrozumienie czynników wpływających na grubość spoiny ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia kształtu i jakości spoiny. W tym artykule omówiono główne czynniki wpływające na grubość spawania laserowego, w tym metodę spawania, materiał metaliczny, proces spawania i wymagania projektowe.

Wpływ metody spawania laserowego na grubość spoiny

Różne metody spawania laserowego są odpowiednie dla różnych scenariuszy zastosowań i mają różne wymagania dotyczące grubości spawania. Metody te będą miały różnice w mocy, szybkości nagrzewania, trybie ogniskowania i energii spawania podczas procesu spawania, więc mają różne ograniczenia dla różnych grubości spawania.

Moc lasera i jakość wiązki

Moc lasera i jakość wiązki to dwa ważne parametry, które mają pewien wpływ na grubość spawania laserowego.

Moc lasera: Moc lasera odnosi się do energii przenoszonej przez wiązkę lasera. W przypadku tego samego materiału i warunków spawania wyższa moc lasera może generalnie zapewnić większą głębokość penetracji spoiny, co jest odpowiednie do spawania grubszych materiałów. Jednak nadmierna moc lasera może spowodować nadmierne stopienie spoiny i powiększenie strefy wpływu ciepła, co może spowodować deformację i problemy z jakością. Dlatego przy doborze mocy lasera konieczne jest zrównoważenie wymagań dotyczących jakości i szybkości spawania.
Jakość wiązki: Jakość wiązki ma znaczący wpływ na dystrybucję energii i wydajność ogniskowania podczas spawania. Lepsza jakość wiązki może zapewnić mniejszy rozmiar ogniska i większą zdolność skupiania wiązki, dzięki czemu energia spawania jest bardziej skoncentrowana, co poprawia precyzję spawania i wydajność kontroli.

Metoda ogniskowania wiązki i położenie ogniska

Pewny wpływ na grubość spoiny podczas procesu spawania laserowego ma również sposób ogniskowania wiązki oraz położenie ogniska.

Metoda ogniskowania wiązki: Typowe metody skupiania wiązki obejmują ogniskowanie płaskie, skupianie soczewki wypukłej, skupianie soczewki wklęsłej itp. Różne metody ogniskowania mają różną zdolność dostosowania do grubości spoiny.
Pozycja ogniskowania: Gdy pozycja ogniskowania znajduje się nad powierzchnią elementu spawanego, można uzyskać większą głębokość spawania i większą strefę wpływu ciepła. To położenie ogniska jest odpowiednie do spawania grubszych materiałów i może zwiększyć głębokość penetracji spoiny. Kiedy ognisko znajduje się poniżej powierzchni spawu, można uzyskać mniejszą głębokość wtopienia spoiny i mniejszą strefę wpływu ciepła. Ta pozycja ogniskowania jest odpowiednia do spawania cieńszych materiałów, co może zmniejszyć zniekształcenia i uszkodzenia spowodowane wysoką temperaturą.

Szybkość skanowania i średnica wiązki laserowej

Szybkość skanowania: Prędkość, z jaką wiązka lasera porusza się w obszarze spawania podczas spawania laserowego, nazywana jest prędkością skanowania. Niższa prędkość skanowania może zapewnić dłuższy czas spawania, dzięki czemu ciepło może być w pełni przenoszone do obszaru spawania, co jest odpowiednie do cięcia grubszych materiałów. Wyższa prędkość skanowania oznacza, że promień lasera pozostaje w obszarze spawania przez krótszy czas, co jest bardziej odpowiednie do cięcia cieńszych materiałów.
Średnica wiązki laserowej: Mniejsza średnica wiązki laserowej może zapewnić większą gęstość energii i sprawić, że ciepło w obszarze spawania będzie bardziej skoncentrowane. Pomaga to osiągnąć mniejszą głębokość wtopienia spoiny i jest odpowiednie do spawania cieńszych materiałów. Większe średnice wiązki laserowej są korzystne w przypadku spawania grubszych materiałów lub zadań spawalniczych wymagających wypełnienia większych powierzchni.

Wpływ właściwości materiału na grubość spoiny

Wpływ różnych materiałów na grubość spawania laserowego jest wielopłaszczyznowy, ponieważ różne materiały mają różne przewodnictwo cieplne, temperatury topnienia i zachowanie podczas topnienia. Oto kilka kluczowych czynników, które należy wziąć pod uwagę:

Współczynnik absorpcji

Współczynnik absorpcji materiału określa, jak skutecznie pochłania on energię lasera. Materiały o wysokich współczynnikach absorpcji dla długości fal lasera stosowanych w procesie spawania mają tendencję do pochłaniania większej ilości energii i szybszego nagrzewania się, co skutkuje głębszą penetracją i grubszymi spoinami. Na przykład metale, takie jak stal, mają wysokie współczynniki absorpcji dla niektórych długości fal lasera, co umożliwia głębszą penetrację i grubsze spoiny niż materiały o niższych współczynnikach absorpcji, takie jak aluminium.

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna materiałów wpływa na rozkład ciepła podczas spawania laserowego. Materiały o niskim przewodnictwie cieplnym, takie jak stal nierdzewna, mają tendencję do zatrzymywania większej ilości ciepła, co skutkuje głębszą penetracją i grubszymi spoinami. Materiały o wysokiej przewodności cieplnej, takie jak miedź lub aluminium, mają tendencję do wydajniejszego odprowadzania ciepła z obszaru spoiny, co skutkuje płytszą penetracją spoiny i mniejszą grubością spoiny. Dlatego wymagają większej mocy lasera lub dłuższych czasów naświetlania, aby uzyskać głęboką penetrację i grubsze spoiny.

Temperatura topnienia

Temperatura topnienia materiału wpływa na temperaturę wymaganą do topienia i spawania. Podczas spawania laserowego materiał musi osiągnąć temperaturę topnienia, aby utworzyć jeziorko spawalnicze. Materiały o niższych temperaturach topnienia wymagają mniej energii lasera, aby osiągnąć temperaturę topnienia, co skutkuje zwiększoną penetracją i grubością spoiny. I odwrotnie, materiały o wyższych temperaturach topnienia mogą wymagać większej energii lasera, co skutkuje płytszą penetracją spoiny i mniejszą grubością spoiny.

Odblaskowy

Współczynnik odbicia materiału wpływa na ilość pochłanianej lub odbijanej energii lasera. Materiały o wysokim współczynniku odbicia (takie jak aluminium lub miedź) odbijają większość energii lasera, co skutkuje zmniejszoną absorpcją i ograniczoną głębokością spawania. Natomiast materiały (takie jak stal węglowa) o niższym współczynniku odbicia (takie jak stal węglowa) będą absorbować więcej energii lasera, uzyskując w ten sposób głębsze i grubsze spoiny.

Grubość

Grubość materiału spawanego wpływa również na grubość spoiny. Spawanie laserowe jest zwykle bardziej odpowiednie w przypadku cieńszych materiałów, ponieważ energia lasera może być dokładniejsza i skuteczniejsza. Grubsze materiały mogą wymagać wielu ścieżek spawania lub większej mocy lasera, aby osiągnąć całkowite stopienie, co może mieć wpływ na ostateczną grubość spawania.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

Współczynnik rozszerzalności cieplnej to stopień rozszerzania się lub kurczenia materiału pod wpływem zmian temperatury. Gdy energia lasera jest stosowana podczas spawania, materiał ulega szybkiemu nagrzaniu, a następnie ochłodzeniu. Materiały o wysokich współczynnikach rozszerzalności cieplnej (np. niektóre tworzywa sztuczne) mogą w znacznym stopniu wystąpić podczas spawania, powodując zmiany w grubości spoiny.

Wydajność metalurgiczna

Właściwości metalurgiczne materiałów, takie jak ich składniki, struktura ziarna i pierwiastki stopowe, mogą również wpływać na grubość spoiny. Na przykład niektóre pierwiastki stopowe mogą zmieniać współczynnik absorpcji lub przewodność cieplną materiału, wpływając w ten sposób na dopływ ciepła i głębokość spawania.

Parowanie i wrzenie

Niektóre materiały są bardziej podatne na odparowanie lub wrzenie, gdy są wystawione na działanie wysokich temperatur. Podczas procesu spawania laserowego to odparowanie lub wrzenie może spowodować rozpryskiwanie się topiącego materiału i zmniejszenie głębokości wtopienia spoiny oraz zmniejszenie grubości spoiny. Na zachowanie kształtu wpływają takie czynniki, jak ciśnienie pary materiału, temperatura wrzenia i potencjalne ciepło parowania.

Zachowanie podążania i krzepnięcia

Różne materiały mają różne właściwości topnienia i krzepnięcia, co wpływa na tworzenie się i krzepnięcie jeziorka topliwego. Materiały, które są wąskie lub skonsolidowane w zakresie stopionym lub oczywista koagulacja i skurcz, będą miały wpływ na osiągalną grubość spoiny.

Warto zauważyć, że czynniki te oddziałują na siebie i oddziałują na parametry procesu spawania laserowego (takie jak moc lasera, średnica wiązki, prędkość spawania). Dlatego należy rozważyć optymalizację procesu spawania laserowego dla określonych materiałów i zrównoważyć te materiały, aby osiągnąć wymaganą grubość i jakość spawania. Ponadto specyficzny proces spawania laserowego (taki jak spawanie małych otworów lub spawanie kondukcyjne) może również wpływać na zależność między właściwościami materiału a grubością spoiny.

Wpływ kontroli procesu spawania laserowego na grubość spoiny

Na grubość spoiny wpływać będzie również ustawienie parametrów oraz sposób działania w procesie spawania laserowego. Na przykład wybór parametrów, takich jak prąd spawania, prędkość spawania i czas spawania, będzie miał bezpośredni wpływ na rozmiar i kształt złącza spawanego. Ponadto procesy takie jak podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna podczas procesu spawania są również ważnymi czynnikami kontrolującymi grubość spawania.

Podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna następcza

Podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna następcza to dwie powszechnie stosowane metody kontroli procesu spawania. Poniżej przedstawiono ogólną sytuację wpływu podgrzewania wstępnego i obróbki cieplnej po obróbce cieplnej na grubość spoiny:

Podgrzewanie: Celem podgrzewania jest poprawa naprężeń termicznych i szybkości chłodzenia podczas procesu spawania. Dzięki podgrzewaniu wstępnemu można zwiększyć temperaturę materiału, zmniejszyć gradient temperatury podczas procesu spawania i zmniejszyć naprężenia termiczne, zmniejszając w ten sposób ryzyko odkształceń i pęknięć. Podgrzewanie cieńszych materiałów powinno być oceniane i dostosowywane indywidualnie dla każdego przypadku.
Obróbka cieplna po spawaniu: Obróbka cieplna po spawaniu polega na podgrzaniu lub ochłodzeniu obszaru spoiny po spawaniu. Celem dodatkowej obróbki cieplnej jest poprawa struktury i wydajności spoiny, zmniejszenie naprężeń szczątkowych i poprawa jakości spawania.

Wybór kształtu spoiny i wypełniacza

Kształt spoiny: Kształt spoiny obejmuje spoinę liniową, spoinę w kształcie litery V, spoinę w kształcie litery U, spoinę w kształcie litery J itp. Różne kształty spoiny mają różny wpływ na grubość spoiny. Na przykład spoiny proste nadają się do spawania cieńszych materiałów, co może zapewnić lepszą wytrzymałość spawania i uszczelnienie. Spoina w kształcie litery V ma większą głębokość spawania i nadaje się do spawania grubszych materiałów itp.
Wypełniacz: Wypełniacz to materiał dodawany do spoiny podczas procesu spawania w celu wypełnienia i wzmocnienia spawanego obszaru. W przypadku cieńszych materiałów opcje wypełniacza mogą być bardziej ograniczone. W przypadku grubszych materiałów wypełniacze mogą być stosowane do wypełniania spoin o większej szerokości i głębokości.

Wpływ wymagań projektowych i aplikacyjnych na grubość spoiny

Wymagania projektowe odnoszą się do wymagań dotyczących produktów lub konstrukcji do spawania laserowego, w tym wytrzymałości, szczelności, wyglądu itp. Wpływ wymagań projektowych na grubość spawania laserowego jest następujący:

Wyższe wymagania wytrzymałościowe

W przypadku produktów lub konstrukcji wymagających większej wytrzymałości może być konieczne zwiększenie wytrzymałości połączenia spawanego poprzez zwiększenie grubości spoiny.

Wyższe wymagania dotyczące szczelności

Jeśli produkt lub konstrukcja musi mieć wysoką skuteczność uszczelniania, może być również konieczne zwiększenie skuteczności uszczelniania obszaru spawania poprzez zwiększenie grubości spoiny.

Wymagania dotyczące wyglądu

Jeśli produkt lub konstrukcja ma wysokie wymagania dotyczące wyglądu, należy zwrócić uwagę na nierówności i jakość powierzchni w obszarze spawania. Większe głębokości spoin i rozmiary ściegów mogą zaszkodzić wyglądowi, dlatego należy to zrównoważyć w projekcie.

Wymagania aplikacyjne

Wymagania dotyczące aplikacji odnoszą się do konkretnych scenariuszy zastosowań i wymagań dotyczących spawania laserowego. Wpływ środowiska pracy na grubość spawania laserowego przejawia się głównie w temperaturze, wibracjach i atmosferze otoczenia. Na przykład środowisko o wysokiej temperaturze może spowodować rozszerzenie strefy wpływu ciepła w obszarze spawania i należy podjąć odpowiednie środki w celu kontrolowania grubości spawania.

Podsumować

Krótko mówiąc, na grubość spawania laserowego wpływa wiele czynników. Oprócz metod spawania, właściwości materiałów, procesów spawania i wymagań projektowych obejmuje również wiele aspektów. Podczas wykonywania operacji spawania czynniki te należy rozważyć kompleksowo, a odpowiednią grubość spawania należy wybrać w zależności od konkretnej sytuacji.
Tylko wtedy, gdy grubość spoiny spełnia wymagania, można zagwarantować jakość i niezawodność złącza spawanego, aby sprostać potrzebom inżynierii i produktów. Jeśli rozważasz spawanie laserowe, proszę o kontakt Laser AccTek a my zaproponujemy najlepsze rozwiązanie dla Twoich potrzeb.

Sprzęt laserowy

Informacje kontaktowe

Uzyskaj rozwiązania laserowe