W jaki sposób spawanie laserowe tworzy silniejsze szwy niż tradycyjne metody?

Powodem stosowania silniejszych i bardziej trwałych spoin jest coraz częstsze wykorzystywanie przez wiele firm zaawansowanych technologii, takich jak spawanie laserowe. Wiele firm stawia na wytrzymałość szwów oraz precyzję, co czyni spawanie laserowe najlepszym rozwiązaniem. Choć spawanie MIG, TIG i oporowe nadal są stosowane w przemyśle, spawanie laserowe oferuje większe korzyści.

W przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym najczęściej wykorzystuje się spoiny laserowe. Precyzja oferowana przez spawanie laserowe wynika z fizycznych szczegółów procesu, a także zmian, jakie wprowadza ono w materiał. W artykule przedstawiono powody, dla których wytrzymałość spoiny różni się w zależności od metody jej tworzenia.

Wprowadzenie do spawania laserowego

Proces spawania, polegający na łączeniu dwóch lub więcej elementów materiału za pomocą lasera. Laser działa w różnych trybach, skupiając się na spawaniu przewodzeniowym oraz głęboko wnikającym. W przypadku spawania przewodzeniowego, stosowanego do łączenia bardzo cienkich blach lub w zastosowaniach wymagających niewielkiego lub zerowego przeniknięcia, moc lasera jest stosunkowo niska (około 105-106 W/cm ² ). W tym przypadku materiał roboczy ulega stopieniu, ale nie dochodzi do jego odparowania.

Ciepło powierzchniowe jest następnie przekazywane przez przewodzenie do wnętrza materiału, co prowadzi do powstania kąpieli spawanej, która zastyga i łączy dwie części. Szerokość i głębokość spoiny są bardziej odpowiednie do celów estetycznych niż konstrukcyjnych.

Technika spawania laserowego zwana spawaniem kluczowym działa przy znacznie wyższych gęstościach mocy spawania (106 -107 watów/cm2), co zwiększa korzyści wynikające ze spawania głęboko penetrującego (znanego również jako spawanie z tworzeniem otworu kluczowego). Gdy promień laserowy trafia w określony punkt materiału, szybko osiąga on temperaturę wrzenia (próg parowania), następnie metal się nagrzewa, a para metalu jest wypychana na skutek różnych oddziaływań zewnętrznych, tworząc otwór kluczowy. Powstająca para metalu wypycha ciekły metal na boki i tworzy głęboką, wąską jamę, zwaną otworem kluczowym, która pozwala energii laserowej przenikać głęboko w materiał, daleko poza to, co mogłaby umożliwić przewodność na powierzchni materiału. Otwór kluczowy jest charakterystyczny dla spawania głęboko penetrującego. Ciekły metal jest ogrzewany z przodu otworu kluczowego, a gdy wiązka laserowa przesuwa się wzdłuż ścieżki spawania, przepływa on dookoła boków i zastyga z tyłu, tworząc wyjątkowo głęboki i wąski szew spawany.

Stosunki głębokości do szerokości w proporcji 10:1 przy zastosowaniu spawania laserowego i metody otworu klucza są niemal niemożliwe do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych metod spawania. Znaczenie stosunków geometrycznych wykracza poza głębokość przenikania, umożliwiając korzystniejsze rozłożenie naprężeń w całej geometrii spoiny. W przeciwieństwie do tradycyjnego spawania łukowego, które pozostawia płytkie, szerokie wypełnienia potencjalnie koncentrujące naprężenia na powierzchni, spawanie laserowe 'głęboki, wąski łuk umożliwia równomierne rozłożenie naprężeń na całej grubości materiału. To znacznie zwiększa wytrzymałość spoiny.

Wytrzymałość szwów spawanych laserowo opiera się nie tylko na geometrii, lecz przede wszystkim na podstawowych, korzystnych zmianach metalurgicznym, które zachowują główne cechy materiałów podstawowych. Ograniczenie technik i metod operacyjnych spawania przyczynia się do zmniejszenia strefy wpływu ciepła (HAZ), która przy spawaniu laserowym jest znacznie mniejsza niż w przypadku spawania MIG i TIG.

Te kilka sekund z podgrzewaniem powoduje wiele efektów wzmocniających wytrzymałość. Zmniejsza naprężenia resztkowe i odkształcenia w spawanych elementach. W innych metodach spawania wprowadzone ciepło powoduje, że komponenty spawane ulegają nierównomiernemu rozszerzalności cieplnej i kurczeniu, co prowadzi do naprężeń szcząkowych i odkształceń. Strefa tych naprężeń szcząkowych może poważnie naruszyć integralność konstrukcyjną zespołu spawanego 'tego rodzaju naprężenia szcząkowe mogą również inicjować pęknięcia zmęczeniowe spowodowane obciążeniem cyklicznym. Komponent obciążony cyklicznie wymaga dużych korekt podczas obróbki mechanicznej ze względu na odkształcenia. Te odkształcenia, w przypadku spawania laserowego, są znacznie mniejsze, a więc możemy skupić się na innych cechach, a nie na wytrzymałości wymiarów komponentu.

Spawanie laserowe przyczynia się również do cykli nagrzewania i chłodzenia, umożliwiając tworzenie się drobniejszych struktur ziarnowych. Metal o drobniejszych ziarnach jest zazwyczaj wytrzymalszy i bardziej odporny, co wzmocnia dany element. Jedno ze badań potwierdziło, że spawanie laserowe stali nierdzewnej wiąże się z powstawaniem kąpieli ciekłej, w której zachodzi krzepnięcie. Proces krzepnięcia prowadzi następnie do zmian struktury mikrostrukturalnej stali nierdzewnej 'co poprawia właściwości mechaniczne. Jest to przeciwieństwo tradycyjnej techniki spawania, w której powolny proces chłodzenia prowadzi do powstawania gruboziarnistych struktur i słabszego połączenia.

Jednym z najlepszych przykładów przewagi wytrzymałości jest spawanie laserowe najnowocześniejszych materiałów o wysokiej wytrzymałości bez utraty zaprojektowanych właściwości. Wiele zaawansowanych stopów o wysokiej wytrzymałości czerpie swoje własności mechaniczne z zaawansowanych technologii obróbki cieplnej. Te materiały były poddawane cyklicznemu nagrzewaniu i chłodzeniu przy użyciu konwencjonalnego spawania, wskutek czego ich mikrostruktura uległa zmianie. Materiały te mają mikrostrukturę, która pierwotnie była pożądana, lecz została zmieniona. W przypadku spawania laserowego właściwości metalu rodzimego są zachowane, ponieważ wytrzymałość pierwotnego materiału pozostaje niezmieniona i jest utrzymywana w spoinie.

Efektywność produkcji i elastyczność procesów

Oprócz wyraźnych korzyści technicznych związanych z wytrzymałością spoin i umiejscowieniem spoiny wzdłuż krawędzi przedmiotu, spawanie laserowe okazało się również znacznie efektywniejsze w produkcji, co czyni przyjmowanie tych procesów bardziej atrakcyjnym w nowoczesnej produkcji przemysłowej. Procesy te przebiegają znacznie szybciej niż konwencjonalne metody spawania. Podczas gdy spawanie laserowe może osiągać prędkość spawania powyżej 200 cali na minutę, a spawanie MIG postępuje z prędkością od 20 do 40 cali na minutę, pierwsze może osiągać prędkość przekraczającą 200 cali na minutę. Szybsze procesy są znacznie szybsze niż większość konwencjonalnych metod, do tego stopnia, że proces, który mógł trwać kilka godzin, może zająć jedynie kilka minut przy zastosowaniu innych procesów. Jeden udokumentowany przypadek obrazuje wprowadzenie spawania laserowego, w wyniku którego czas poświęcony na spawanie bramy, które wcześniej trwało około dziesięć godzin, skrócono do 40 minut.

Historia efektywności staje się jeszcze bardziej imponująca, gdy spojrzymy na zmniejszone potrzeby/zmniejszoną ilość procesów wykańczających. Konstrukcje spawane zazwyczaj wymagają dużej liczby operacji szlifowania, aby uzyskać powierzchnię wolną od odkształceń. Operacje te obejmują szlifowanie, obróbkę skrawaniem oraz prostowanie, a te etapy procesu technologicznego nie przynoszą korzyści finansowych w kontekście wartości dodanej do produktu. Blachy laminowane spawane metodą wiązki laserowej tworzą połączone struktury laminatowe, zachowując przy tym dodatkowo czyste, ostre krawędzie i powierzchnie. Jest to zazwyczaj kluczowe w przypadkach, gdy konstrukcje spawane laserowo muszą zostać później powleczone, ponieważ nanoszenie powłoki wymaga pewnych cech powierzchni, takich jak brak odkształceń na krawędziach. To, wraz ze zmniejszoną liczbą procesów wtórnych, pozwoli zaoszczędzić dużo czasu.

Spawanie laserowe bardzo dobrze sprawdza się w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, co dodatkowo zwiększa jego efektywność. Systemy robotyczne mogą łatwo kierować i przemieszczać wiązkę laserową bez dotykania przedmiotu, a co ważne – bez fizycznego kontaktu z nim. W wielu przypadkach jeden źródło lasera może obsługiwać wiele stanowisk roboczych poprzez konfigurację dzielenia wiązki, co z kolei zwiększa niezależność systemów operacyjnych lasera. Ta autonomia pozwala producentom utrzymywać swoje linie produkcyjne bez większych przerw. Podobnie, cecha bezkontaktowa procesu spawania laserowego oznacza brak zużywających się narzędzi towarzyszących tradycyjnym systemom spawalniczym, co sprzyja lepszej wydajności systemu przez dłuższy czas. To wydłuża okres pracy systemu bez konieczności serwisowania, poza podstawową konserwacją optyczną.

Możliwość dostosowania spawania laserowego do różnych typów materiałów i ich grubości jeszcze bardziej wzmaga jego walory. Proces ten radzi sobie z materiałami o grubości od ułamka milimetra aż po stalowe przekroje o grubości 25 mm w jednym przejściu. Ta cecha eliminuje konieczność wykonywania wielu przejść, jak ma to miejsce w tradycyjnych technikach spawania przy grubszych materiałach. Co więcej, imponująca jest zdolność spawania laserowego do obróbki trudnych materiałów, takich jak tytan, aluminium oraz różnych kombinacji metali, z którymi inne systemy spawalnicze nie są w stanie sobie poradzić.

Kolejną ważną zaletą spawania laserowego jest stała jakość spoiny, która ma bezpośredni związek z niezawodnością wytrzymałości szwu. Proces ten oferuje operatorowi wysoki poziom kontroli dzięki zaawansowanym czujnikom, które w czasie rzeczywistym stale monitorują istotne elementy procesu spawania. Systemy stosowane podczas monitorowania są zazwyczaj dzielone na trzy kategorie. Pierwsza kategoria obejmuje systemy przedspawalnicze, które śledzą linię połączenia, umożliwiając precyzyjne pozycjonowanie wiązki laserowej. Druga kategoria to systemy monitorujące w trakcie fazy spawania, wyposażone w kamery analizujące kałużę spawalniczą i otwór parowy. Ostatnia kategoria, systemy powspawalnicze, oceniają szew pod kątem zgodności z normami jakości.

Znacznie trudniej osiągnąć ten poziom kontroli przy użyciu tradycyjnych metod spawania, gdzie kluczowe znaczenie ma kwalifikacja i konsekwencja operatorów ludzkich. Operatorzy mają większą kontrolę nad tradycyjnym spawaniem, ale w przypadku spawania laserowego maszyna jest całkowicie zautomatyzowana. Gdy maszyna nauczy się parametrów spawania, będą one dokładnie powielane podczas produkcji, niezależnie od tego, czy chodzi o tysiąc, czy milion elementów. Każdy spoiny będzie charakteryzował się identycznym zestawem właściwości mechanicznych. W branżach, w których awaria spoiny jest niedopuszczalna, takich jak urządzenia medyczne, elementy bezpieczeństwa pojazdów czy przemysł lotniczy, konsekwencja ta jest ważniejsza i bardziej doceniana niż same spawane elementy.

Proces kontrolowanego krzepnięcia podczas spawania laserowego minimalizuje występowanie wielu wad spoin, które mogą osłabiać połączenie. Pory gazowe oraz segregacja pierwiastków stopowych to wady, których powstawanie ogranicza szybki etap chłodzenia. Dodatkowo, kontrola dopływu energii pomaga wyeliminować niepełne przetopienie i przepalenia, szczególnie na cienkich blachach. Tak, spawanie laserowe wymaga bardziej precyzyjnego dopasowania krawędzi niż niektóre starsze techniki spawalnicze. Jednak nowoczesne systemy wykorzystują technologie takie jak oscylujące wiązka laserowe, które umożliwiają zamykanie większych szczelin, czy systemy hybrydowe łączące spawanie laserowe z tradycyjnym doprowadzaniem drutu, ułatwiając tym samym ten proces.

Eksperci branżowi przyznają, że tradycyjne techniki spawania opierają się na solidnej bazie wykwalifikowanych specjalistów i wieloletniej wiedzy, podczas gdy spawanie laserowe zapewnia bardziej niezawodne i przewidywalne wyniki dzięki lepszej kontroli procesu. W miarę jak na rynku pojawia się coraz bardziej zaawansowana i przystępna cenowo technologia laserowa, staje się to prawdą w coraz większym stopniu, ponieważ procesy wymagające zerowej ilości punktów awarii mogą korzystać z konsekwencji spawania laserowego 'jako głównego argumentu sprzedażowego.

Podsumowanie

Dowody pokazują, że spawanie laserowe jest lepsze od innych metod pod względem przenikania, metalurgii i kontroli procesu, co przekłada się na silniejsze szwy. Spawanie wgłębnie oraz efekt kluczkowy zapewniają lepsze rozłożenie naprężeń. Niska odkształcalność cieplna oraz minimalny dopływ ciepła pomagają również zachować cechy materiału podstawowego i minimalizują deformacje. Łączne korzyści z zastosowania technologii laserowej – wydajność, jakość i produkcja w zastosowaniach spawalniczych wymagających wysokiej wytrzymałości połączeń – stanowią przekonujący argument.

Oczywiście tradycyjne metody nadal mają swoje znaczenie —szczególnie gdy koszty wyposażenia są niskie, lub montaż jest niskoseryjny i skomplikowany, co czyni automatyzację niemożliwą —ale trudno podważyć wytrzymałość uzyskiwaną dzięki spawaniu laserowemu. Obecne i przyszłe projekty oraz produkty w przemyśle wymagają, by wszystko było lżejsze, mocniejsze i niezawodniejsze. To sprawi, że potrzeba spawania laserowego stanie się jeszcze istotniejsza. Firmy wykorzystujące te projekty spawania laserowego i rozwijające nowe produkty będą liderami w swoich branżach. Ten potencjał sprawi, że ich produkty staną się wzorowe dzięki zaawansowanej technologii łączenia laserowego.