Spawanie

Spawanie należy wciąż do najczęściej stosowanych technik łączenia. Zaś w przypadku materiałów wymagających relatywnie dużej prędkości roboczej, małych i wąskich spoin, bardzo małej strefy wpływu ciepła lub minimalnego odkształcenia elementów spawanie laserowe jest nadal rozwiązaniem bezkonkurencyjnym. Tak powstałe złącza mają drobnoziarnistą strukturę i wysoką jakość, a dodatkowo nie wykazują porowatości czy pęknięć. Za pomocą tej metody można łączyć stale, stopy nieżelazne, materiały o wysokiej przewodności cieplnej, tworzywa sztuczne, a nawet niektóre kompozyty. Dodatkowo w trakcie spawania - ze względu na niewielki obszar topienia - nie ma konieczności podawania materiału dodatkowego. Z kolei możliwość ciągłego monitorowania i kontrolowania jakości oraz zautomatyzowania lub zrobotyzowania procesu oferowana przez technologie laserowe sprawia, że spawanie z ich wykorzystaniem jest niezwykle popularnym rozwiązaniem w sektorach wymagających wysokiej szybkości i precyzji, takich jak branża lotnicza, motoryzacyjna i medyczna czy procesy wytwarzania profili i rur oraz łączenia tworzyw sztucznych.




Spawanie punktowe i liniowe


Spawanie punktowe to proces podobny do zgrzewania oporowego, umożliwiający połączenie dwóch materiałów nachodzących na siebie lub stykających się krawędziami. W metodzie tej pojedynczy impuls lasera trafia w materiał, powodując stopienie obu elementów. Tak powstałe jeziorko spawalnicze zaczyna się ochładzać i krystalizować, w efekcie czego powstaje punktowe połączenie elementów. W zależności od parametrów procesu, a więc grubości łączonych materiałów czy energii impulsu, czas trwania procesu może wynieść nawet kilka milisekund, a średnica spoiny - osiągnąć rozmiary poniżej 0,1 mm. Bardzo duża powtarzalność i precyzja wiązki lasera pozwala na wykonanie kilku spoin jedna po drugiej, co zapewnia założoną wytrzymałość złącza. Przestawienie lasera z pracy impulsowej na tryb pracy ciągłej powoduje, że energia jest nieustannie dostarczana do obrabianego materiału, a przemieszczanie ogniska lasera pozwala tworzyć spoiny nie tylko punktowe, ale i liniowe, a nawet złożone z kilku kresek lub kółek.


Spawanie przewodnościowe


Spawanie przewodnościowe to proces, w którym laser topi krawędzie łączonych elementów, tworząc jeziorko spawalnicze. W skutek przemieszczania wiązki następuje ochładzanie i stopniowe stygnięcie ciekłej substancji. Powstała spoina jest zwarta, pozbawiona pęknięć i porowatości. Ze względu na jej wysoką jakość nie ma konieczności stosowania dodatkowej obróbki wykańczającej. Co więcej, stosunkowo małe wtopienie i parowanie sprawiają, że nie ma potrzeby wprowadzania materiału uzupełniającego.

Technika spawania przewodnościowego jest stosowana wszędzie tam, gdzie łączeniu podlegają cienkie elementy lub materiały o wysokiej przewodności cieplnej (miedzi czy aluminium), ograniczającej maksymalną głębokość wtopienia. Oznacza to, że głębokość wtopienia z reguły nie przekracza kilku milimetrów.


Spawanie głębokie


W spawaniu głębokim wiązka lasera o dużej mocy pada na powierzchnię materiału, powodując jego topienie. Jeżeli szybkość odprowadzania ciepła z obszaru roboczego jest relatywnie mała (w przypadku materiałów o niskiej przewodności cieplnej), następuje parowanie stopionego materiału, co z kolei prowadzi do powstania ciśnienia, które wypycha ciekłą substancję. Parująca substancja ulega częściowej jonizacji, tworząc plazmę, która częściowo osłabia wiązkę lasera, ale jednocześnie stanowi dodatkowe źródło energii dla obrabianego przedmiotu. Do nieosłoniętego dna jeziorka spawalniczego dostarczana jest kolejna porcja energii, co powoduje dalsze pogłębianie otworu i wytworzenie kapilary (ang. keyhole) wypełnionej gazem i pokrytej ciekłym materiałem na ściankach. W jej wnętrzu wiązka ulega załamaniu, następuje jej wielokrotne odbicie od ścianek i całkowita absorpcja energii lasera. Przemieszczenie wiązki lasera na nową pozycję spowoduje topienie materiału z przodu kapilary przy jednoczesnym zastyganiu materiału w jej tylnej części. Powstała spoina charakteryzuje się małą szerokością i dużą głębokością - nawet do 10 razy większą niż szerokość. Cechami szczególnymi spawania głębokiego jest wysoka skuteczność procesu, duże prędkości spawania przekładające się bezpośrednio na wąską strefę wpływu ciepła, i minimalne odkształcenia po spawaniu. Metoda ta jest wykorzystywana wszędzie tam, gdzie wymagana jest głęboka spoina lub połączenie kilku warstw materiału.


Spawanie skanujące


Tajemnica spawania skanującego leży w specjalnej konstrukcji głowicy składającej się z jest jednego lub dwóch ruchomych zwierciadeł sterowanych za pomocą napędu galwanometrycznego, które zmieniają położenie ogniska lasera na danej płaszczyźnie. Wewnątrz skanera można dodatkowo umieścić ruchomą soczewkę skupiającą, która wpływa na położenie ogniska lasera na obrabianym przedmiocie. To wszystko sprawia, że spawanie skanujące pozwala na obrabianie przedmiotu w trzech wymiarach, w jeszcze bardziej precyzyjny sposób i bez dodatkowych przestojów Rozmiar pola roboczego jest uzależniony od kąta odbicia i odległości skanera od powierzchni. Zaś dynamika układu optycznego wpływa na średnicę wiązki i w połączeniu z rodzajem obrabianego materiału determinuje prędkość roboczą. Dodatkowo łatwość robotyzacji sprawia, że maksymalny obszar pracy może zostać zwiększony dzięki zastosowaniu robota przemysłowego.


Spawanie hybrydowe


Spawanie metodami hybrydowymi jest realizowane przy zastosowaniu lasera oraz przynajmniej jednego dodatkowego źródła ciepła. W zależności od aplikacji może to być łuk elektryczny (MIG, TIG), łuk plazmowy albo induktor.

W przemyśle stoczniowym lub kolejowym często wymagane jest łączenie grubych blach o grubości powyżej 15-20 mm. Ponieważ w takim przypadku laser nie jest w stanie dostarczyć dostatecznej ilości energii potrzebnej do stworzenia trwałej spoiny, konieczne jest zastosowanie metody MIG. Duże skupienie promienia pozwala na osiągnięcie dużej głębokości spoiny przy zachowaniu wysokiej prędkości spawania. Z kolei łuk elektryczny spaja szczelinę i zamyka połączenie dzięki zastosowaniu materiału dodatkowego.

Materiały wymagające dodatkowej obróbki cieplnej przed i po procesie spawania nie mogą zostać połączone tylko za pomocą lasera, gdyż powstała w ten sposób spoina pęknie zaraz po zakończeniu obróbki. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie nagrzewania indukcyjnego. Specjalny kształt końcówki grzewczej umożliwia dostarczenie do materiału energii elektromagnetycznej, a tym samym wzrost temperatury komponentu. Odpowiednie połączenie lasera wraz z końcówką induktora pozwala na podgrzewanie powierzchni przed i po procesie, a także zapewnia stałą temperaturę w trakcie spajania.




W skrócie

  • Rodzaje obróbki: spawanie punktowe i liniowe, spawanie przewodnościowe, spawanie głębokie, spawanie skanujące, spawanie hybrydowe
  • Obrabiane materiały: stale, stopy nieżelazne, materiały o wysokiej przewodności cieplnej, tworzywa sztuczne, kompozyty
  • Zalety: duża prędkość robocza, małe i wąskie spoiny, minimalna strefa wpływu ciepła, minimalne odkształcenie elementów, wysoka jakość połączenia, brak porowatości i pęknięć
  • Branże: sektor lotniczy, motoryzacyjny, medyczny, procesy wytwarzania rur i profili, łączenie tworzyw sztucznych
PolandEnglish