Spawanie laseroweZniekształcenia są częstym problemem, gdy do topienia metalu używa się bardzo wysokiej temperatury. Dowiedz się, jak zminimalizować odkształcenie spoiny i wskazówki, jak temu zaradzić, jeśli tak się stanie.
Spawanie laseroweto zaawansowana technologia, która wykorzystuje ciepło wytwarzane przez technologię laserową do stapiania dwóch materiałów (takich jak płyty stalowe). Spawanie staje przed wyzwaniem związanym z odkształceniem spoiny w wyniku naturalnej reakcji metali na ekstremalne ciepło. Jest to odkształcenie, które zagraża integralności stopionego metalu. Na szczęście istnieją sposoby na minimalizację odkształceń poprzez wdrożenie parametrów procesu spawania.
W tym artykule skupimy się na tym, czym są odkształcenia spawalnicze, co je powoduje i jak minimalizować ich skutki. Znajdziesz tu także skuteczne wskazówki, które pomogą Ci zaradzić skutkom odkształceń spawalniczych.
Co jestspawanie laseroweodkształcenie?
Odkształcenie spoiny lub odkształcenie wiąże się ze zmianami kształtu i rozmiaru konstrukcji metalowej. Jest to naturalny efekt spawania. Kiedy metale sąspawane laserowosą wystawione na działanie bardzo wysokiej temperatury, która powoduje ich topienie. Powoduje to rozszerzanie się materiału.
Gdy stopiony metal ochładza się do temperatury pokojowej, twardnieje i zaczyna się kurczyć. To stres resztkowy. Jeśli nagrzewanie jest zlokalizowane i pozostała część powierzchni metalu nie jest podgrzewana, metal nie będzie się rozszerzał ani kurczył w ten sam sposób. Powoduje to zniekształcenia.
Materiały łatwo odkształcające się po spawaniu
Aby określić, dlaczego materiał jest podatny na odkształcenia spawalnicze, należy poznać właściwości, które wpływają na odkształcenia. Niektóre materiały są bardziej podatne na odkształcenia ze względu na właściwości fizyczne i mechaniczne.
1. Właściwości fizyczne są miarami rozszerzalności cieplnej i przewodności cieplnej.
Rozszerzalność cieplna to ruch metalu, który rozszerza się pod wpływem ogrzewania i kurczy się po ochłodzeniu. Jeśli współczynnik jest wysoki, materiał łatwiej się rozszerza i kurczy – dlatego będzie się bardziej skręcał.
Z drugiej strony przewodność cieplna mierzy przepływ ciepła wzdłuż materiału. Wysoka przewodność cieplna szybciej odprowadza ciepło. Ponieważ obecność ciepła może powodować łatwe odkształcanie się materiałów, niska przewodność zwiększa ryzyko odkształcenia podczas spawania.
2. Jeśli chodzi o właściwości mechaniczne, należy wziąć pod uwagę dwa czynniki: granicę plastyczności i moduł sprężystości.
Granica plastyczności odnosi się do ciśnienia, jakie materiał może wytrzymać w odpowiedzi na siły zewnętrzne. Dlatego materiały o wyższej granicy plastyczności mają wyższe naprężenia własne i dlatego łatwiej się odkształcają.
Moduł sprężystości odnosi się do zdolności materiału do rozszerzania się i kurczenia. Wyższy moduł sprężystości oznacza, że materiał ma większą odporność na odkształcenia.
Biorąc te właściwości pod uwagę, można założyć, że jeśli materiał ma wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, niższą przewodność cieplną, wyższą granicę plastyczności i niższy moduł sprężystości
Materiały łatwo odkształcające się po spawaniu
Porównując stal nierdzewną do stali węglowej można założyć, że ta pierwsza jest bardziej podatna na odkształcenia, ponieważ ma wyższą granicę plastyczności i współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz niższą przewodność cieplną.
Pomiędzy aluminium i miedzią ta pierwsza jest podatna na odkształcenia, ponieważ ma wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej granicy plastyczności i niższą przewodność cieplną.
Rodzaje i przyczynyspawanie laseroweodkształcenie
Przeprowadzono kilka badań w celu zidentyfikowania rzeczywistych przyczyn odkształceń po procesie spawania laserowego. Według badań na wydajność spawania laserowego znacząco wpływają 3 czynniki: materiał, proces i geometria.
Na przykład,spawanie laseroweodkształca się, ponieważ parametry spawania są nanoszone na powierzchnię metalu w różny sposób. Prędkość spawania, prąd, kąt itp. będą skoncentrowane na spawanych częściach. W miarę oddalania się od obszaru spawania ciepło stopniowo maleje, a także zmniejszają się efekty termiczne, takie jak rozszerzalność metalu.
Można zatem śmiało założyć, że rozszerzalność będzie się zmieniać w zależności od intensywności ciepła odbieranego przez metal. W podanym przykładzie część spawana rozszerza się najbardziej, ponieważ otrzymuje najwięcej ciepła ze źródła lasera.
Po zakończeniu procesu spawania metal zacznie się stygnąć i kurczyć. Metal będzie się kurczył w tym samym stopniu, w jakim się rozszerza. Nazywa się to stresem szczątkowym.
Jeżeli naprężenie jest większe niż granica plastyczności materiału macierzystego, mogą wystąpić dwa rodzaje naprężeń.
Naprężenia ściskające występują w obszarze wokół krawędzi metalu macierzystego.
Naprężenie rozciągające Występuje, gdy pozostała część powierzchni metalu (powierzchnia nieogrzewana) stawia opór skurczowi nagrzanego metalu.
Aby lepiej to zrozumieć, najlepiej jest rozważyć różne sposoby, w jakie mogą wystąpić odkształcenia po zakończeniu spawania.
1. Odkształcenie podłużne
Jak sama nazwa wskazuje, odkształcenie to następuje na całej długości spawanego materiału. W miarę ochładzania spoina i obszar wokół niej kurczą się. W rezultacie przedmiot obrabiany stanie się krótszy. To powoduje, że zewnętrzne krawędzie wyglądają na dłuższe, a środkowa część na łukowatą.
Zwłaszcza jeśli przedmiot nie zostanie prawidłowo zamocowany, odkształcenie będzie maksymalne.
2. Zniekształcenie boczne
Ten rodzaj zniekształcenia występuje, gdy krawędzie metalu są przyciągane do siebie. Odkształcenie to spowodowane jest skurczem przekraczającym rozszerzanie, które początkowo wystąpiło podczas spawania laserowego.
3. Zniekształcenie kątowe
Zniekształcenie kąta występuje, gdy kąt blachy zmienia się w wyniku skurczu po zakończeniu zadania spawalniczego. Krawędzie blachy są przyciągane do siebie z jednej strony, co powoduje, że materiał wydaje się zakrzywiony.
Jeśli spoina łączy metal pod kątem pionowym, pionowy metal nie będzie wyglądał na prosty, ale raczej zakrzywiony.
4. Złożone zniekształcenia
Ten typ jest kombinacją zwrotów akcji omówionych wcześniej. Wygląda, jakby się wyginał, zginał lub wypaczał. Są to różne rodzaje zagięć i odkształceń, które mogą zagrozić integralności spawanego materiału. Bez względu na to, jak mocny jest metal, jeśli spawanie laserowe spowoduje jego odkształcenie, spoina nie powiedzie się.
10 sposobów na zminimalizowanie zniekształceń spoiny
Chociaż zniekształcenia są nieuniknione, nie oznacza to, że nie można nic zrobić, aby je zminimalizować. Tak jak istnieją różne rodzaje deformacji, istnieją również różne sposoby zapobiegania deformacjom stali nierdzewnej i innych metali. Nie ma to nic wspólnego z wytrzymałością wybranej stali. Ważniejsze jest to, co robisz przed, w trakcie i po zadaniu spawalniczym.
Oto 10 różnych pomysłów na spawanie, które możesz wykorzystać.
1. Unikaj nadmiernego spawania
Spawanie dużych powierzchni zwiększa występujący skurcz. Dlatego warto zaplanować proces spawania laserowego, zwłaszcza gdy trzeba pracować na dużych powierzchniach. Dostosowanie wymiarów powierzchni minimalizuje odkształcenia spawalnicze i naprężenia szczątkowe, unikając w ten sposób straty metalu i czasu.
2. Stosuj spawanie przerywane
Jest to technika, która pozostawia odstęp pomiędzy spawami. Zamiast ciągłej spoiny, spawasz cal, a następnie zostawiasz miejsce na niespawany metal przed wykonaniem kolejnej spoiny. Może to skutecznie zmniejszyć odkształcenie po zakończeniu spawania.
3. Zmniejsz liczbę przelewów
Innym sposobem uniknięcia odkształceń jest ograniczenie liczby przejść w procesie spawania. Upewnij się, że jeden raz wystarczy, aby uniknąć deformacji. Można spróbować wykonać jedno duże przejście spoiny zamiast kilku małych przejść spoiny. Według TWI większa pojedyncza spoina powoduje mniejsze odkształcenie kątowe niż spoina utworzona przez wiele małych przejść
4. Rozważ miejsce spawania
Ważna jest także lokalizacja spawania. Idealnie byłoby umieścić spoinę blisko środka lub neutralnej osi materiału. Zminimalizuje to odkształcenia, gdy spoina laserowa zacznie się kurczyć, ponieważ dźwignia będzie mniejsza, gdy siły skurczu będą próbowały wyjść z wyrównania.
5. Wypróbuj technikę spawania wstecznego
Spawanie wsteczne to technika, w której kierunek spawania przebiega od lewej do prawej, ale segmenty ściegu spoiny są osadzane od prawej do lewej. Spowoduje to poszerzenie krawędzi, w których umieszczone są segmenty ściegu, aby tymczasowo oddzielić blachę.
Po zakończeniu ruchu od lewej do prawej, kontynuacja koralików spowoduje zmniejszenie rozszerzania po zakończeniu procesu. Jest to skuteczny sposób na zminimalizowanie zniekształceń.
6. Wstępnie ustawione części spawalnicze
Będzie to wymagało przeprowadzenia pewnych testów, aby zapewnić minimalne odkształcenia po zakończeniu spawania. Określ ustawienie wstępne wymagane do poprzedniego spawania, aby móc oszacować skurcz, jakiego doświadczysz. Umożliwi to dokonanie regulacji w celu zminimalizowania skurczu i zniekształceń.
7. Utwórz sekwencję spawania
Nie używaj tylko linii prostej do spawania części. Utwórz zaplanowaną sekwencję spawania, która będzie w stanie przeciwdziałać skurczowi innej części montowanego materiału. Bazując na wiedzy na temat kurczenia się metalu, możesz stworzyć sekwencję równoważącą reakcje, aby zapobiec deformacji.
8. Zaciśnij część, aby zablokować ją na miejscu
Inną opcją jest użycie przyrządu do spawania części. To je zabezpieczy i zapobiegnie zniekształceniu ich rozszerzania lub kurczenia się. Trzymaj części na miejscu aż do zakończenia procesu. Brak ruchu zmniejsza zniekształcenia.
9. Rozważ odprężenie termiczne
Jest to technologia kontrolująca nagrzewanie i chłodzenie części łączonych metodą spawania. Dzieje się tak wtedy, gdy zwiększasz temperaturę i kontrolujesz naprężenia związane z zarządzaniem chłodzeniem, nosząc go podczas spawania produktu.
10. Skróć czas spawania
Można również skrócić czas spawania, aby zmniejszyć ryzyko odkształcenia. Byłoby to trudne, gdybyś zrobił to ręcznie. Części, które spawasz jako pierwsze, ostygną przed zakończeniem. Jeśli jednak dysponujesz zmechanizowanym sprzętem do spawania, możesz skrócić czas przetwarzania i ograniczyć do minimum zniekształcenia.