Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I
Yüklə 0,64 Mb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 3.1. egyenlet - (3-1)
- 3.2. egyenlet - (3-2)
- 3. Mélyvarratos hegesztés
- 4. Távhegesztés és röptében hegesztés (remote welding)
- 4.1. A lézersugár alkalmazhatósága remote welding technológiára
| 2. Hővezetéses hegesztés
A hővezetéses hegesztés azt jelenti, hogy a darab felszínére jutó lézersugár energiája (amely mint tudjuk, 1 mm-nél nagyságrendekkel kisebb mélységig hatol be a fémes anyagba) csak hővezetéssel tud a mélyebb rétegekbe jutni. Képzeljünk el tehát a darab felületén egy kb. 10nm vastag, a lézersugár darab felületén megjelenő foltjának megfelelő átmérőjű, nagyon vékony korongot. Ez lesz a hőforrásunk, ahonnan a darab mélyebb részei felé hővezetéssel terjed az energia. Nem hűl le, mert a lézersugártól az energia utánpótlása folyamatos. Első közelítésben az egyszerűsítés érdekében azzal most ne foglalkozzunk, hogy a darabunk felszínén lévő kis korongban nem egyenletes az energiaeloszlás, vagyis a hőmérséklet. Az energiaforrásunkat jelentő kis korongba a lézersugárból folyamatosan, mindig azonos mennyiségű energia érkezik. Az a kérdés, hogy ebből mennyit vezet el a munkadarabunk anyaga az anyag belseje felé. Ennek megválaszolásához leginkább azt kell tudnunk, hogy mekkora a termikus gradiens (mekkora hőmérséklet-különbség alakult ki a vékony korongunk és az anyag belseje között). Mivel minden más paraméter (hővezetéshez rendelkezésre álló keresztmetszet, hővezetési együttható, fajhő stb.) változatlan, a vékony korongunkból elvezetett hőmennyiség csak a termikus gradiens nagyságától függ. Ezt írja le Fourier I. törvénye, amelyet többféleképpen is leírhatunk: 3.1. egyenlet - (3-1) 
A (3-1) azt jelenti, hogy az A felületre merőlegesen, a Más megfogalmazásban: 3.2. egyenlet - (3-2) 
ami azt jelenti, hogy JQ hőáram alakul ki a jQ, felületegységre vonatkoztatott hőáramsűrűség következtében. Amennyiben a lézersugár által a vékony korongunkba időegység alatt jutó energia, illetve hőmennyiség nagyobb, mint amennyit az anyag el tud vezetni, a korongunk, majd annak környezete folyamatosan melegedni fog, végül megolvad. Ebben a folyamatban persze – a termikus gradiens növekedése miatt – folyamatosan nő a korongból elvezetett hőmennyiség. A (3-1) Fourier-egyenletből az is következik, hogy a hővezetés iránya a termikus gradiens irányával egyező (csak ellentétes értelmű). Ezért lesz a hővezetéses lézersugaras varrat keresztmetszetének alakja fél lencse formájú. Mindezek alapján az is világos, hogy miért marad hővezetéses jellegű a lézersugaras hegesztés az alumínium esetében akkor, amikor az acél már a mélyvarratos hegesztés termikus viszonyai között van. Azért, mert az alumínium Abban a pillanatban, amikor megjelenik az olvadék, mert a munkadarab nem tudott akkora hőmennyiséget elvezetni, mint amekkorát a lézersugárral a felületi vékony korongjába juttattunk, új fizikai jelenséggel kell számolnunk. A szilárd halmazállapot a hővezetés mechanizmusában ugyanis azt jelentette, hogy az anyagot alkotó részecskék (fémek esetében az atomok, pontosabban az elektronjaik egy részétől megszabadult fémionok) a térben egymáshoz képest meghatározott távolságra lévő pontok körül rezegtek. Az anyag hőmérsékletének (energiatartalmának) növelése pedig azt, hogy a részecske számára meghatározott pont körüli rezgésének amplitúdója megnőtt. A hővezetés során az egymáshoz közeli részecskék egymásnak adták át rezgési energiájukat úgy, hogy közben helyüket nem változtatták. Nem így az olvadékállapot elérésének pillanatától, amikor a szilárd állapothoz képest lényegesen nagyobb rezgési amplitúdójú részecskék már haladó mozgást is képesek végezni. Ezt a jelenséget (hőtranszport-mechanizmust) nevezzük hőáramlásnak, amely lényegesen nagyobb hőtranszportot eredményez, mint a vezetés. A nagy energiával rendelkező részecskék nem közvetítő részecskéken keresztül juttatják a melegebb helyről a hidegebb felé az energiát, hanem maguk viszik odébb. Az olvadék megjelenésével tehát a hőtranszport intenzívvé válik. Az olvadék megjelenésének van még egy, a folyamatokat alapvetően befolyásoló következménye. Számolnunk kell a fajlagos határfelületi energiakülönbségekkel, ahogyan a hétköznapi szóhasználatban mondják, a felületi feszültséggel, illetve annak hőmérsékletfüggésével. A fajlagos határfelületi energia kifejezés már sugallja, hogy ennek transzportfolyamatok lesznek a következményei, mert az anyagban az energiakülönbség ki akar egyenlítődni, még akkor is, ha ennek érdekében anyagot kell mozgatni. Az olvadék különböző részeiben lévő energiakülönbség lesz a transzportfolyamat energiafedezete. A tiszta folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növekedésével (lásd Eötvös-szabály). (A nagyobb felületi feszültség azt jelenti, hogy a felület határán lévő részecskék jobban vonzzák egymást.) Ennek az a következménye, hogy a lézersugár energiája által megolvasztott anyag felületén áramlás indul be. Most már arra is figyelnünk kell, hogy például egy ideális, Gauss-eloszlású nyaláb közepén nagyobb a teljesítménysűrűség, mint a szélén. A korábban homogén hőmérséklet-eloszlású, nagyon vékony, lézersugarat elnyelő korongunknak muszáj a hőmérséklet-különbségével is foglalkoznunk, ugyanis ez indítja be az olvadék felszínén az áramlást. Az olvadék felszínének hőmérséklet-különbsége (termikus gradiens) tehát felületifeszültség-különbséget eredményez, ami az úgynevezett Marangoni-effektushoz vezet. Erősen leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy a folyékony halmazállapotú anyag felületén lévő hőmérséklet-különbség anyagáramlást indukál. Ennek leírására szolgálnak a Navier–Stokes-egyenletek. A hallgatók (a tananyag olvasói) bizonyára megbocsátják, hogy ezeknek az egyenleteknek az ismertetésétől és értelmezésétől eltekintünk. Magyarázatul legyen elég annyi, hogy a Navier–Stokes-egyenletek ugyan tiszta matematikai értelemben is fontosak, de a széles körű alkalmazás ellenére a matematikusok eddig még nem találtak bizonyítékot a háromdimenziós egyenletek érvényességére. A Navier–Stokes-egyenletek úgynevezett „létezési és simasági” problémájának megoldását olyan nagy fontosságúra becsülik, hogy az amerikai Clay Matematikai Intézet „az ezredév hét legfontosabb matematikai problémái” egyikének tartja, és megoldója számára egymillió dolláros jutalomdíjat tűzött ki. A remélhetőleg megbocsátható egyszerűsítés után maradjunk annyiban, hogy a lézersugárral létrehozott olvadék felszínének hőmérséklet-különbsége anyagáramlást indít be. Már csak az a kérdés, hogy ennek milyen hatása van a hővezetéses lézersugaras hegesztés folyamatára. Azt bizonyosan látjuk, hogy az áramlás hatására az olvadék felszínén abszorbeált energia gyorsabban jut a mélyebb rétegekbe, mint amikor még szilárd halmazállapotú volt és nem volt áramlás. Van azonban még egy összefüggés, amelyről jó, ha tudunk. Az Eötvös-szabály a tiszta folyadékok felületi feszültségére érvényes. A technikai anyagaink olvadékai az esetek többségében nem tekinthetők ilyeneknek. Az újabb hatás, amelyet figyelembe kell vennünk, a felületi feszültség függése az olvadék összetételétől. A felületi feszültség nagyságának ez a két függése (hőmérséklet és összetétel) egyszerre érvényesül, vagyis a kettő eredőjével kell számolnunk. Ezt matematikai egyenletekkel már tényleg reménytelen egzakt módon leírni. Tendenciákat, egyes esetekre érvényes néhány adatot már ismerünk, de ez a gyakorlat sokszínűségi igényét nem elégíti ki, viszont tudunk a létezéséről. Van például a gyakorlat szempontjából kellő pontosságú ismeretünk arról, hogy a vasötvözetekben jelen lévő kén nagyon kis koncentrációban (0,01%-os nagyságrendben) nagyon erősen változtatja az olvadék felületi feszültségét. Nem lehetünk tehát biztosak abban, hogy egy lézersugárral létrehozott olvadéktócsa közepe a felületen kifelé vagy befelé áramlik. Kísérleti bizonyítékok vannak arra, hogy ezek az áramlások rendkívül intenzívek lehetnek, tehát nem szabad a hatást alábecsülni. 3.2.1. ábra A 3.2.2. ábra egy számítógépes modell számítási eredményeinek grafikus megjelenítését mutatja. Látszik, hogy az olvadékban hely szerint változó irányú és sebességű olvadékáramlás van. A tócsa nyújtott alakja annak következménye, hogy a lézersugár jobbról balra halad a munkadarabhoz képest. 3.2.2. ábra A hővezetéses hegesztést többnyire I-varratok (tompavarrat) létrehozására alkalmazzák, hozaganyag nélkül. Hagyományos hegesztőeljárásokhoz képest lényegesen nagyobb az anyagpárosítások lehetősége, egymástól lényegesen különböző összetételű ötvözetek is jól egyesíthetők (3.2.3. ábra). A hegesztett kötések szilárdsági jellemzői is jók, ahogyan azt a 3.2.4. ábrán látható szakítóvizsgálat próbateste is mutatja. A próbatest a vizsgálat során nem a varratban vagy annak hőhatásövezetében szakadt. 3.2.3. ábra Forrás: http://www.laser-owl.de; http://www.rjlasertechnik.de; http://www.soutec.com 3.2.4. ábra Forrás: http://www.schweisstechnik.at A tompavarratos lézersugaras hegesztésnek jellemző hibái vannak (3.2.5. ábra):
3.2.5. ábra 3. Mélyvarratos hegesztés A mélyvarratos hegesztés a lézersugaras hegesztés kitüntetett technológiája, mert ennek csak egy alternatív technológiája van, az elektronsugaras hegesztés. Megjegyzendő, hogy az elektronsugaras hegesztés esetén a hegesztendő darabnak (de legalább a hegesztés közvetlen környezetének) vákuumban kell lennie, ami a lehetséges alkalmazási területeket erősen korlátozza, a technológiai ütemidőt jelentősen növeli (minden darabot vákuumozni kell). A lézersugaras mélyvarratos hegesztés kialakulásának folyamata ugyanúgy kezdődik, mint a hővezetésesé.
Kellően kis lézersugár-foltátmérő (így nagy teljesítménysűrűség) esetén a bemélyedés mélysége lényegesen nagyobb lehet, mint a tócsa átmérője. Így alakul ki a nagy mélység/szélesség arányú, karcsú varrat. A varrat mélységét a lézersugár teljesítménye, teljesítménysűrűsége, fókuszhelyzete és a hegesztési sebesség befolyásolja. A varrat alakját tehát több tényező megfelelő összehangolásával lehet meghatározni. 3.3.1. ábra Mivel a lézersugár halad a darab felületén, ezért az olvadéktócsa és benne a bemélyedés is. A bemélyedés alakja, a mélység/szélesség aránya miatt ezt inkább gőzcsatornának nevezik, amely egy banánívűre görbült gyökérre hasonlít. Ebbe a gőzcsatornába „bele lehet látni”. Az angol nyelvű szóhasználat, a keyhole (kulcslyuk) is erre utal. Ha mi nem is, de a lézersugár „belelát” a csatornába, és az olvadék felszínén nem abszorbeálódó fotonok reflektálódnak, majd az olvadékfal másik pontja felé tartanak. A lézersugár folyamatos tükröződésekkel jut a csatorna aljára. A hegesztés irányában haladó csatorna körül áramlik az olvadék. Az áramlás a csatorna falánál a leggyorsabb (mintha a vízbe dugott ujjunkat mozgatnánk). 3.3.2. ábra A csatornába jutó lézersugár csaknem teljes mértékben elnyelődik. Ez az oka annak, hogy 106W/cm2-nél nagyobb teljesítménysűrűség esetén az egységnyi lézersugár-energiával időegység alatt több fémet lehet megolvasztani, mint kisebb teljesítménysűrűség esetén. A mélyvarratos hegesztésnek tehát jobb a hatásfoka, az energiahasznosító képessége, mint a hővezetésesnek. A gőzcsatornából folyamatosan áramlik ki a fémgőz, amely keveredik a hegesztésnél mindig használandó védőgázzal. A valóságban tehát fémgőz és védőgáz keveréke van a tócsa fölött (a csatornát mindig körülöleli az olvadék). Mivel a gáz-gőz keverék is anyag, a lézersugár abban is képes elnyelődni, azt is képes túlhevíteni. A túlhevítés eredménye a plazmaállapot (szabad elektronok és ionizálódott atomok keveréke). A plazmaállapot kialakulása újabb nyomásnövekedéssel jár, ami segíti a csatorna fenntartását. Van azonban a plazmaképződésnek egy negatív hatása is. A térben hirtelen megszaporodott szabad elektronok intenzívebben képesek elnyelni a lézersugár energiáját, vagyis a plazma hőmérséklete fog növekedni, ezért kevesebb energia jut a fém megolvasztására. Helytelenül választottuk meg a mélyvarratos hegesztés paramétereit, ha a plazmaképződés túl intenzívvé válik. Szélső esetben annyira megnövekedhet a gőz-plazma nyomása, hogy az apró plazmafelhő elszakad a darab felületétől, és a lézersugár irányába felemelkedik. Ilyen esetben a gőz-plazma olyan sok energiát emészt fel a lézersugárból, hogy a csatornába már nem jut elegendő. A csatornában csökken a nyomás, kisebb lesz az abszorbeáló felület, tovább csökken a nyomás, majd a csatorna összeesik, megszűnik a mélyvarratos hegesztés folyamata. Mivel megszűnt a folyamatos, intenzív gőzutánpótlás, a plazma is összeesik, és elölről kezdődik a csatorna kialakulásának folyamata. A hegesztés mentén eredményül egy nagyon ingadozó mélységű, ráadásul pórusokkal teli varratot kapunk. A gőzcsatorna úgy is meg tud szűnni, hogy a teteje összezár, az olvadékban fémgőzbuborék marad. Amikor kristályosodik az olvadék, kondenzálódik a fémgőz, a helyén üreg marad. A mélyvarratos hegesztés során tehát a plazmaképződés kedvező a csatorna stabilitása szempontjából, túlhevítése viszont kifejezetten káros mind a csatorna stabilitására, mind a varrat minőségére. Ebből következik, hogy a plazma hőmérsékletére nagy figyelmet kell fordítani, védekezni kell a túlhevülése ellen. Ennek legegyszerűbb módja a védőgázas hűtés. A mélyvarratos hegesztésnél alkalmazott védőgáznak tehát két szerepe van:
A legjobb hűtőhatást – fizikai tulajdonságai miatt – a hélium biztosítja, ennek következtében azonos egyéb körülmények esetén ezzel lehet mélyebb varratot létrehozni. A szokásos védőgázok (hélium, argon, nitrogén, szén-dioxid, gázkeverékek) közül azonban ez a legdrágább. A mélyvarratos hegesztésnek – a hagyományos hegesztési varratokra is jellemzőkön túl – van egy speciális, csak rá jellemző hibajelensége, a bukdácsoló hegesztés (humping effect). Ez egy jól látható varrathiba, amely az olvadék helyenkénti kifröccsenésének következménye (3.3.3. ábra). A kifröccsenésnek oka lehet a hegesztett anyagok felületi tisztátalansága is, de most nem erről van szó. Az előző leírásból azt hihetnénk, hogy a csatorna (vagy ahogyan sok szakirodalomban nevezik, a kapilláris) kialakulása és fennmaradása a nyugodt folyamat. Valójában egyáltalán nem az. 3.3.3. ábra A gőzképződés dinamikája, a túlhevülés egyenetlen mértéke (hely és idő szerint változó) és a plazmaállapot jellemzői az olvadékfront rendkívül intenzív mozgását eredményezi. Ennek hátterében az az eddig nem tárgyalt jelenség húzódik, hogy a lézersugár abszorpciójának mértéke nagyon erősen függ a felületi normális és a lézersugár által bezárt szögtől (3.3.4. ábra). Bármennyire is meglepő, a felületre nagyon lapos szögben érkező lézersugár abszorpciója lényegesen nagyobb, mint merőleges beesés esetén. (Ennek nagy hatása van a lézersugaras vágási rés geometriájának kialakulására is.) Az abszorpció mértéke persze még a lézersugár polarizáltságának is függvénye. A csatorna falának hullámzása (ahogyan a vízfelszín is teszi a szélben) változó szöghelyzetet, vagyis változó abszorpciót eredményez. 3.3.4. ábra 3.3.5. ábra Mindezek a hatások az olvadék dinamikus mozgását eredményezik (3.3.5. ábra). Különösen a nagy hegesztési sebességek (vheg>10 m/perc) esetén, a gőzképződés és az olvadékmozgás dinamikájának kölcsönhatásaként, néhány hullámmozgási periódus után extrém nagy kinetikus energia halmozódik fel az olvadékban, ami kifröccsenéshez vezet. A jelenség egzakt leírása számottevő matematikai apparátust igényel. Sikeres módszernek bizonyult a káoszelmélet alkalmazása (3.3.6. ábra). 3.3.6. ábra 4. Távhegesztés és röptében hegesztés (remote welding) A remote welding kifejezés a lézertechnikák és lézertechnológiák tárgykörében vált közismerté, manapság is itt alkalmazzák leggyakrabban. Az angol eredetű kifejezés szabad fordításban távhegesztést jelent, ami a technikát csak szűken értelmezve fedi. Általános jellemzéséül három fontos momentumot lehet kiragadni:
Az utóbbi momentum különös jelentőséggel bír, hiszen ez a lézersugár-alkalmazási technika akkor kezdett elterjedni, amikor a lézersugárforrást gyártó cégek a korábbiaknál jobb sugárminőséget eredményező berendezésekkel jelentek meg a piacon. Ez érvényes a CO2- és a szilárdtestlézerekre egyaránt. A remote welding gyors terjedésének alapvető oka, hogy a hagyományosként számon tartott hegesztési (és rokon) technológiákkal elérhető termelékenységet akár 60%-kal is meg lehetett növelni az új technológiával. Ez a gazdasági szempontból is figyelemreméltó lehetőség gyorsan felkeltette az ipar érdeklődését, különösen a járműkarosszéria-építés területén. 3.4.1. ábra A remote welding alkalmazásának alapfeltétele tehát a jó sugárminőség. Ennek jellemzése ezért kiemelten kezelendő. A remote welding technológia a korábbi lézersugaras megmunkálófejekhez képest új szerkezeti megoldásokat is igényelt. A fejlesztési irányok alkalmazásspecifikusak. Egyaránt léteznek egyedi és sorozatgyártásban készülő eszközök, megoldások. Mindegyik megoldásra érvényes, hogy a lézersugár haladási irányában az utolsó optikai elem és a munkadarab közötti távolság lényeges növekedése miatt olyan feladatokat kellett megoldani, amilyenek korábban nem jelentkeztek. Különösen érvényes ez a technológia folyamatszabályozása területén. 4.1. A lézersugár alkalmazhatósága remote welding technológiára A remote welding technológia alkalmazhatóságához nagyon jó minőségi mutatókkal rendelkező lézersugárra van szükség. Ez ugyanis alapvetően meghatározza a fókuszálhatóság mértékét, vagyis hogy a sugárforrásból származó teljesítményt milyen kis területre lehet koncentrálni. A hegesztéshez szükséges teljesítménysűrűség nagy fókusztávolságú sugárnyaláb esetén csak akkor biztosítható, ha nagy fókusztávolság esetén is kicsi a fókuszfolt mérete, kellően nagy a teljesítménysűrűség. A 3.4.1.1. ábra erre utal. 3.4.1.1. ábra A 3.4.1.1. ábra azt mutatja, hogy a remote welding legalább 4kW lézersugár-teljesítményt igényel, de megenged 10-nél nagyobb sugárparaméterszorzat-értéket (BPP) is. Ez az állásfoglalás a 2005 körüli időig volt jellemző. Abban az időben azonban megjelentek az első nagy teljesítményű szállézerek, illetve a bizonyos tekintetben ezek konkurenciájának számító diszklézerek. Ezek sugárminősége a kis teljesítmények tartományában már akkor jobb volt, mint a hagyományosnak tekinthető CO2- vagy Nd:YAG rúdlézer-sugárforrásoké. Akkor azt jövendölték, hogy egy bizonyos fényteljesítményig ez így is marad. A tudomány és a technika gyors fejlődése azonban mást hozott. A sugárforrások fejlődésének és a lézersugaras hegesztésben rejlő remote welding lehetőségeit a 3.4.1.2. ábra érzékelteti. Ahogyan javul a lézersugár minősége, úgy nő a hegesztésre alkalmas fókusztávolság. 3.4.1.2. ábra A 3.4.1.3. ábra a sugárparaméter-szorzat, a fókuszfolt átmérője és a fókusztávolság függvényében mutat mélyvarratos hegesztésre technológiai adatokat. A varratmélység és hegesztési sebesség összefüggésében az látszik, hogy a sugárparaméter-szorzat és az ezzel szoros összefüggésben lévő fókuszfoltméret van a legnagyobb hatással a hegesztési teljesítményre. Az is látszik, hogy a lézersugár hullámhosszúsága ebben az összehasonlításban nem befolyásolja a hegesztési teljesítményt. 3.4.1.3. ábra Amint láttuk, a sugárminőség javulása a fókuszálhatóság javulását, vagyis a fókuszfolt méretének csökkenését eredményezi, aminek következménye a teljesítménysűrűség növekedése. Ez ahhoz vezet, hogy a mélyvarratos hegesztésben a varrat mélységének és szélességének hányadosa nő, vagyis karcsúbb varratokat lehet létrehozni. 3.4.1.4. ábra 3.4.1.5. ábra
Yüklə 0,64 Mb. Dostları ilə paylaş:
|
hővezető képességű anyagban,
termikus gradiens esetén, dt idő alatt Q hőmennyiség áramlik keresztül (az egyenlet jobb oldalának azért negatív az előjele, mert a hőáram a termikus gradiens vektorral ellentétes értelmű, a hőmennyiség mindig a nagyobb hőmérsékletű hely felől áramlik a kisebb felé).
