VISOKA TEHNIČKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA

U ZRENJANINU

Specijalističke studije mašinstva

Nastavni predmet : NOVE PROIZVODNE TEHNOLOGIJE

Slobodno oblikovanje lasera velike snage za zavarivanje

- Seminarski rad -

Predmetni nastavnik: Student / br.ind.

JOVANIĆ mr DUŠAN Lazar Čelar 1/08-M

U Zrenjaninu,decembar 2009. god

Sadržaj1. UVOD.................................................................................................................................................2

1.1 Oblikovanje laserskog zraka................................................................................................2

1.2. Svrha..........................................................................................................................................4

1.3. Cilj...............................................................................................................................................5

2. PROBE I OPTIČKI DIZAJN OSNOVNOG VARA........................................................................5

2.1 Varenje konvencionalnim optikama.............................................................................................5

2.1.1 Varenje ključaonicom pomoću uobičajenih optika..............................................................5

2.1.2. Vođeno ravnanje pomoću konvencionalnih optika............................................................5

2.1.3 Karakterizacija zrakova za varenje i ravnanje.....................................................................5

2.2 Projekat Izgrađene Optike.............................................................................................................5

3. TESTIRANJE I VARENJE OPTIKOM...........................................................................................5

3.1 Testiranje projektovane optike......................................................................................................5

3.2 Probe varenja projektovanom optikom......................................................................................5

4. ZAKLJUČCI I BUDUĆI RADOVI...................................................................................................5

4.1 Zaključci...........................................................................................................................................5

4.2 Budući radovi..................................................................................................................................5

Literatura:...................................................................................................................................................5

1

1. UVOD

Laser je uređaj koji proizvodi koncentrisani monohromatski zrak svetlosti (1). Zbog toga što su laserski zraci koherentni i monohromatski, mogu se prenositi preko relativno velikih udaljenosti pre nego što se koncentrišu upotrebom transmisije reflektnih fokusiranih sočiva. U zavisnosti od jačine izvora, ili iradijanse usmerenog zraka, moguće je izvesti čitav spektar načina obrade materijala, uključujući zavarivanje, sečenje, bušenje i toplotnu obradu (1). Kada se zavaruje laserskim zrakom, postoje dva opšta načina: zavarivanje probijanjem i vođeno zavarivanje.

Kod velike snage gustine svih materijala će isparavati ako se energija zraka može apsorbovati (2). Kada se vari snagom velike gustine, često se ovim isparavanjem u materijalu javi šupljina. Ova šupljina, ili ključaonica, se onda pruža kroz materijal dok se rastopljeni zidovi zatvaraju iza nje (2). Rezultat je poznat kao varenje ključaonicom (2). Zavarivanje probijanjem ključaonice može proizvesti duboke varove sa velikim promerima pri velikim brzinama prenosa zraka.

Vođeno zavarivanje se dešava kada je gustina snage nedovoljna da izazove isparavanje i stvaranje ključaonice pri zadatoj snazi varenja (2). Laserski zrak biva upijen na površini materijala i energija putuje u obradivi komad termalnim vođenjem (3). Onda kada se formira otopina, prenošenje toplote kroz tečni metal vodi do povećanja u probijanju. Ovaj relativno spor proces ograničava dubina do koje se može topiti i zato je ograničen i var probijanjem (3). Oba načina, i vođenje i ključaonica su ispitani u ovom istraživanju.

1.1Oblikovanje laserskog zraka

Oblikovanje zraka je proces preuređivanja ulaznog zraka kako bi se proizveo izlazni zrak željenog prostornog ili isijavajućeg profila. Pored zavarivanja i obrade materijala, oblikovanje laserskim zrakom se može upotrebiti u aplikacijama kao što su iluminacija (sjajenje), holografija, litografija, štampanje, naoružanje, kao i optička obrada podataka/likova (4, 5). Za svaku od ovih upotreba, potrebe aplikacije za gustinom izvora i prostornim profilom su različite. Ima mnogo metoda za oblikovanje zraka, i odbijajućih i prelamajućih, kako bi se odgovorilo različitim potrebama; pa ipak, većinu tehnika za oblikovanje laserskih zrakova možemo podeliti u tri široke klase (5).

2

Prva, i najjednostavnija, klasa oblikovanja zraka je otvaranje (5), ili biranje korisne količine ulaznog zraka. Ovo se postiže upotrebom otvora da se dopusti nekoj količini snage zraka da prođe, dok se ostatak zraka ili odbije ili apsorbuje. Na primer, zrak kao što je Gausov se može maskirati nekim otvorom da bi se dopustilo samo centralnom delu zraka da prođe (5). Nedostatak ove tehnike je što može doći do značajnog gubitka snage i što se mora voditi računa o neiskorišćenoj enegiji zraka.

Druga klasa oblikovanja zraka je poznata kao mapiranje (obeležavanje) polja (4, 5). Obeleživač polja pretvara neki ulazni zrak u željeni izlazni zrak na kontrolisan način, što može dovest do gubitaka u efikasnosti (4). Ova tehnika se može koristiti za transformisanje jednostavnog Gausovog zraka u zrak sa uniformnim isijavanjem (5). Obeležavanje polja je primenljivo kod dobro definisanih, jednostavnih laserskih zrakova.

Treća klasa oblikovanja laserskih zrakova je homogenizovanje ili integrisanje zraka. U ovoj tehnici, ulazni zrak se može prelomiti nizom sočiva ili faceta. Višestruki zraci se potom fokusiraju na izlaznu ravan primarnom optikom gde se preklapaju kako bi proizveli željeni lik. Niz faceta ili sočiva se može razdvojiti od primarne optike, ili oni mogu biti uključeni u površinu primarne optike. Ova optička konfiguracija je poznata kao integrator zraka.

Izraz integrator potiče iz činjenice da je sastav izlaznog zraka zbir uzoraka prelamanja svetla određenih nizom sočiva ili faceta (5). Integratori zraka mogu biti reflektivni (odražavajući) ili refraktivni (prelamajući) i mogu se dizajnirati tako da budu bez efektivnih gubitaka. Integratori zraka se takođe mogu postići i homogenizatorom kakav je kaleidoskopski integrator. Ovo uključuje reflektivnu pravougaonu šupljinu gde različiti delovi ulaznog zraka podnose različite reflektivne putanje tako da je izlazni zrak jednak grubom slučajnom zbiru (6). Integratori zraka ili homogenizatori rade dobro kod višeznačnih zrakova gde ulazni profil možda nije dovoljno karakterističan.

U zavisnosti od materijala za obradu aplikacija, koriste se različiti modeli oblikovanja zraka. Prethodni istraživači su koristili uobičajene optičke sklopove različitih metoda oblikovanja zraka da bi podesili karakteristike rezultujućeg vara.

Kilpatrik je sugerisao upotebu obične distribucije jačine za varenje različitih materijala. Svaki materijal bi se vario podeljenim zrakom. Svaka sekcija zraka ima različito isijavanje kako bi se proizveo željeni nivo topljenja u svakom materijalu. On takođe sugeriše upotrebu uobičajenog oblika zraka kako bi se kontrolisala zona zahvaćena toplotom i omogućilo ublažavanje pritiska kako se zona spajanja hladi (7).

3

Liu i Kannatey-Asibu su koristili elipsasti zrak za predgrevanje, kog prati linijski izvor koji vari. Elipsasti zrak se takođe koristio za naknadno grejanje vara (8). Ostale aplikacije su koristile uobičajene oblike zraka poput pravougaonika, pruga i linija za tretiranje toplotom. U posebnoj studiji, Liu i Kannatey-Asibu su koristili dualni zrak (duplu tačku) konfigurisan tako da vari jednom tačkom a predgreva ili naknadno greje drugom (9). Russ i dr. su varili aluminijum tehnikom duplog fokusa (dupla tačka) kako bi smanjili poroznost i prskanje (10).

Kell i dr. su koristili prelamajuće optičke elemente kako bi promenili distibuciju snage i tako podesili oblik profila probijanja vara (11). Hammond i dr su takođe koristili optičke elemente za prelamanje svetla da proizvedu uobičajeni prenos snage za spajanje različitih materijala, uključujući kombinacije aluminijuma, LNCONELa i nerđajućeg čelika (12).

Sa procesom varenja pomoću luka hibridnog laserskog gas metala, Cho, Choi i Farson su koristili defokusirani laserski spot da bi proizveli širi bazen vara od uobičajenog luka gas metalnog varenja (GMAW) (13). Ovaj defokusirani laserski zrak je bio postavljen duž GMAW vara da poboljša širenje bazena vara i da unapredi ugao pod kojim je vrh varenog mesta povećavajući mu radni vek. Cho, Choi i Farson su takođe simulirali i dokazali supresiju (obuzdavanje) stvaranja izdignuća i zrna pri GMAW varenju dodavanjem dodatne ulazne toplote od defokusiranog laserskog zraka (14, 15).

Drugi su koristili pravougaone spotove, duple spotove, ili ostale uobičajene oblike kako bi smanjili grbavljenje varenog bazena pri velikim brzinama, smanjili poroznost, redukovali defekte kod premazanih materijala, menjali profil probijanja, ili unapredili kvalitet varenja (16, 17, 18). Ipak, malo je otkrića vezanih za upotrebu uobičajenih optika za proizvodnju duboko prodirućeg vara putem ključaonice, a potom izravnate površine vara u samo jednom prelazu.

1.2. Svrha

Snažni, zbijeni laseri visokog kvaliteta zraka su veoma brzo postigli značajan napredak u laserskoj obradi. Jezgasti (fiber) laseri su doneli napredak jako svetlećih, zbijenih lasera. Sa povećanjem snage lasera i njegovih mogućnosti, smanjenjem cene po Watu, i prenosom zraka kroz optička vlakna, proces varenja laserom je našao mnoge nove primene u aplikacijama dubokog prodiranja.

Širok spektar industrija može da ima koristi od ove metode, smanjene širine vara, kao i niskog ulaska toplote, omogućenih jezgrastim laserima. Pa ipak, kako snažni laseri pomeraju granice prodiranja i brzine prenosa, tako se mogu javiti nove brige pri

4

varenju. Kada se laserski vari pri velikim brzinama prenosa, na zavarenim mestima se mogu javiti diskontinuiteti (prekidi). Jedan od mogućih diskontinuiteta, potkopavanje, se dešava zbog kretanja otopljenog materijala sa ivica bazena vara ka centru. Kada se bazen stvrdne, var pokazuje uzdužnu potkopanost čitavom dužinom svake varene strane. Dodatno, laserski varovi mogu napraviti oštre uglove na prelasku sa ojačanog dela vara na površinu osnovnog materijala. Bez dodatnog punjenja metalom ili sekundarnog izvora toplote, ovi tipovi geometrijskih ureza mogu biti česti na vrhovima autogenih laserskih varova.

Kod mnogih novih vrsta varenja koja se izvode snažnim fiber laserima, na pojavu zamora na varenim spojevima se mora posebno obratiti pažnja. Jedna mera za uspeh zavarenog mesta kod kritičnih varenja je geometrijski profil zavarenog spoja. Smanjenje koncentracija geometriskog stresa u profilu vara može značajno smanjiti pojavu zamora na varenoj strukturi.

Ako se zna da spojevi sa kritičnim zamorom proizvode ove vrste diskontinuiteta pri laserskom varenju, spoj se može napraviti sa faktorom sigurnosti, kako bi se omogućilo da se duž vara postave koncentratori geometrijskog stresa. U nekim aplikacijama, ojačanje vara i gornje površi osnovnog materijala se može mašinski skinuti da bi se eliminisala svaka geometrijska nedoslednost površi u regionu varenja. U drugim slučajevima, površina vara se može ponovo prevariti drugim, „kozmetičkim“ prelazom kako bi se pretopila ojačanja i obezbedio gladak prelaz na vrhovima vara.

Svaka od ovih mogućnosti zahteva pomnu obradu spojeva ili angažovanje dodatnog vremena u sekundarnu obradu ili proceduru varenja. Svrha ovog istraživanja je da proizvede varove sa smanjenom koncentracijom geometrijskog stresa.

1.3. Cilj

Svrha ovog istraživanja je da se razvije lasersko rešenje za oblikovanje laserskim zrakom koje će i variti spoj i proizvesti glatke ivice vara u samo jednom prelazu. Ovo će se postići fokusiranjem laserskog zraka na tri tačke. Centralna tačka će omogućiti glavno prodiranje vara dok će dve krajnje, manje snažne, tačke omekšavati vrhove vara tako što će pretopiti površinu vara.

Ovo istraživanje je fokusirano na sledeće ciljeve.

Proizvodnja osnovnih linija vara pomoću uobičajenih optika da bi se pokazao tipičan profil spajanja i geometrija vrha vara.

Dizajniranje rešenja optike tri tačke sposobne da vari i izravna vrhove vara u jednom prelazu kako bi se smanjile koncentracije geometrijskog stresa.

5

Proizvodnja varova uobičajenom optikom tri tačke i poređenje rezultujućih profila varenja sa osnovnim varovima prizvedenim konvencionalnim optikama.

6

2. PROBE I OPTIČKI DIZAJN OSNOVNOG VARA

Probe varenja su izvedene uobičajenim optikama jedne tačke i 10 kW IPG Yb-fiber laserom. U ovim probama, proizvedeni su osnovni varovi tako da se pokaže tipični profil konvencionalnog laserskog vara. Ovi osnovni varovi su kasnije upoređeni sa varovima proizvedenim pomoću uobičajenih optika za oblikovanje vara. Kako bi se odredila distribucija snage potrebna za ravnanje vrhova vara, proizvedeni su i limitirano vođeni varovi upotrebom konvencionalnih optika. Konvencionalni optički parametri za proizvodnju prodirućih i vođenih varova bi onda mogli da pomognu u definisanju stvaranja uobičajenih optika za oblikovanje vara.

2.1 Varenje konvencionalnim optikamaProbe varenja delimičnim prodiranjem su izvršene na konfiguraciji „zrno na ploči“

u ravnoj poziciji. Materijal koji se vario je debljine 8 mm, nerđajući čelik tipa 304. Argon industrijskog kvaliteta je korišćen za sva probna varenja. Sva probna varenja su urađena u Laserskoj Laboratoriji na Edisonovom Institutu za Varenje (EWI) (19).

Korišćenjem uobičajenih optika su proizvedeni i ocenjivani varovi tipa ključaonice. Potom su, upotrebom drugog ili trećeg prelaza laserom, geometrijski diskontinuiteti na svakom vrhu vara pretopljeni i poravnati. Za ove probe ravnanja, laserski zrak je pomeren iz žiže da bi se povećala veličina spota i smanjila gustina snage zraka.

2.1.1 Varenje ključaonicom pomoću uobičajenih optikaVršene su probe varenja „zrno na ploči“ da bi se proizveli varovi tipa ključaonice.

Ocenjivane su tri brzine putovanja i tri nivoa snage lasera za jednu velićinu tačke. Ove cifre su date u Tabeli 2.1. Sva varenja su sprovedena sa fokusom na gornjoj površini ploče. Iz ovih proba, koje su predstavljene u Tabeli 2.2 izabran je jedan skup parametara kao osnovni uslov za buduća poređenja. Crtež 2.1 je presek uzet iz vara proizvedenog sa osnovnim parametrima. Probijanje, profil spajanja, i geometrija vrha vara su dokumentovana za buduća poređenja.

Brzina puta(ipm)

Snaga lasera(kW)

Proračunata veličina tačke (m)

Pozicija žiže

120 5500 Deo površine160 6

200 7

7

Tabela 2.1- Promenljive ispitane za varenje ključaonice konvencionalnim optikama

Brzina puta(ipm)

Snaga lasera(kW)

Prečnik vlakna(m)

Kolimacijsko rastojanje

(mm)

Udaljenost žiže(mm)

Izračunata veličina tačke(m)

Pozicija žiže

120 6 300 150 250 500 Deo površine

Kolimacijska linija- optička osa, vidna linija

Tabela 2.2 – Osnovni parametri za varenje ključaonice sa konvencionalnim optikama

Crtež 2.1 – Osnovni var ključaonice proizveden konvencionalnim optikama

8

2.1.2. Vođeno ravnanje pomoću konvencionalnih optikaDa bi se odredila relativna gustina snage i veličina tačke koje su potrebne da bi

se izravnali vrhovi vara, ocenjivano je varenje ograničenim vođenjem. Prvi pokušaji su se sastojali od ponovnog varenja vrhova vara na prethodno proizvedenom osnovnom varu tipa ključaonice. Snaga lasera je smanjena i žižna pozicija je podignuta da se proizvede vanžižna radna tačka. Zrak je potom prenet preko vrha vara da se pretopi samo gornja površina. Smanjena snaga i vanžižna tačka proizvele su gustinu male snage u procesu pravljenja vođenog vara. Žižna pozicija, snaga lasera i bočna udaljenost od centralne linije vara su podešene tako da omoguće optimalne parametre za ravnanje vrha vara.

U završnom kreiranju optike, ukupna snaga zraka je podeljena na tri zraka. Glavni zrak bi proizveo prodiranje, a ostala dva zraka bi pratila prvi spot da pretope i izravnaju vrhove vara. Zbog toga što prodiranje mora da bude konstantno, snaga glavnog zraka je morala da bude ista kao kod osnovnih parametara (6 kW). Dodatna snaga bi bila potrebna za snabdevanje dva bočna zraka sa dovoljno snage da pretope vrhove vara. Zbog toga što je maksimalna izlazna snaga izvora fiber lasera bila 10 kW, ukupna snaga sva tri izvora je morala da ostane ispod 10 kW. Iz ovog razloga, snaga lasera je ograničena na manje od 2 kW dok su se razvijali parametri za ravnanje vrha vara. Takođe, sva tri zraka su morala da putuju istom brzinom. Zbog toga je brzina konstantno održavana na 120 ipm dok su se razvijali parametri za ravnanje vrha vara.

Pored vizuelnog pregleda zavarenih površina, varovi su i popreko presecani da se odredi dubina prodora i profil spoja. Optimalni parametri ravnanja vrha vara su prikazani u tabeli 2.3. Crtež 2.2 je pregled poprečnog preseka koji pokazuje poziciju i prodor varova koji su ravnani. Crtež 2.3 pokazuje profil vrha vara pre i posle procesa ravnanja vrha vara.

Brzina puta(ipm)

Snaga lasera(kW)

Prečnik vlakna(m)

Kolimacijsko rastojanje

(mm)

Udaljenost žiže

(mm)

Pozicija Žiže(mm)

Udaljenost od

centralne linije (mm)

120 1.5 300 150 250 +24 1.3

Tabela 2.3 – Parametri za vođeno ravnanje pomoću konvencionalnih optika

9

Crtež 2.2 – Konvencionalno ravnani varovi proizvedeni konvencionalnim optikama

Crtež 2.3 – Pre i posle ravnanja vrhova vara pomoću konvencionalnih optika

10

2.1.3 Karakterizacija zrakova za varenje i ravnanjeProbama koje su dokazale izvodljivost ravnanja vrhova vara, zrak varenja u

obliku ključaonice i vođeni zrak za ravnanje su okarakterisani tako da odrede sputanosti uobičajenog optičkog dizajna. Upotrebom alata za dijagnostifikovanje laserskih zraka iz PRIMES GmbH (20), izmereni su i zabeleženi gustina snage i veličina tačke zrakova. Zbog velike gustine snage i male veličine tačke, korišćen je PRIMES Fokusni Monitor za karakterisanje glavnog zraka. Pošto ravnajući zrak ima veću veličinu tačke, bio je potreban PRIMES Monitor Zraka da okarakteriše spoljašnost žižne tačke. Za oba zraka, mere su uzimane na varenoj površi. Crtež 2.4 pokazuje rezultate merenja glavnog zraka sa PRIMES Merača zraka. Crtež 2.5 pokazuje rezultate merenja ravnajućeg zraka sa PRIMES Merača zraka. Veličine tačke i gustine snage su prikazane u tabeli 2.4. Dodatna merenja sa PRIMES Merača zraka se mogu naći u Dodatku A. Sa dokazanom izvodljivošću ravnanja vrha vara i dokumentovanim profilima zraka za varenje i ravnanje, stvaranje trotačkaste optike može da počne.

Crtež 2.4 – PRIMES rezultati merenja za glavni zrak

11

Crtež 2.5 – PRIMES rezultati merenja za ravnajući zrak

Zrak varenja Veličina tačke (mm) Gustina snage (kW/cm2)Glavni zrak 0.498 3080.4000

Ravnajući zrak 6.198 4.9716

Tabela 2.4 - PRIMES Podaci o merenju zraka

Pored veličine tačke i gustine snage svakog od tri zraka, relativna lokacija svakog zraka je takođe neophodna pri dizajniranju optike. Bočna udaljenost dva ravnajuća zraka je određena u prethodnim probama varenjem preko vrhova baznih varova. Širina baznih varova zavisi od snage i brzine prenosa upotrebljavanih za

12

stvaranje vara. Ovo znači da se mora dizajnirati takva optika za svaku vrstu parametara varenja.

Određivanje uzdužnih rastojanja je bilo teže. Zbog činjenice da su sva preliminarna varenja po konceptu dokaza rađena sa konvencionalnim optikama jedne tačke, glavni var i okružujući osnovni metal su bili relativno hladni kada su sprovedeni drugi i treći prelazi. Za vođene zrake uobičajenih optika za ponovno varenje i ravnanje vrhova vara, glavni var je morao da bude većinom stvrdnut pre ravnajućih prelaza. Uzdužna rastojanja od glavnog zraka do bočnih zrakova su zbog toga određena predviđenom veličinom bazena vara i oblikom od kraja kratera proizvedenog tokom testova baznog varenja uobičajenim optikama. Rastojanje od zraka do kraja kratera je bilo 10 mm. Krajnji rezultati za sva tri zraka su dati u tabeli 2.5.

Zrak varenja Snaga(kW)

Gustina snage (kW/cm2)

Relativni odnos snage

Relativna pozicija

X, Y (mm)Glavni zrak 6 3000 4 0, 0

Ravnajući zrak 1

1.5 5 1 1, -10

Ravnajući zrak 2

1.5 5 1 -1, -10

Tabela 2.5 – Određeni parametri za svaki zrak uobičajene optike

2.2 Projekat Izgrađene OptikeOvo rešenje za optiku je projektovano tako da bude ona ubačena u postojeće

optike za varenje koje se koriste u EWI zbog jednostavnosti i brzine integracije. Za proizvodnju tri tačke, optici su bile potrebne tri optičke površine sa oštrim prelazima do svake facete. Ovaj projekat se ne bi mogao proizvesti uobičajenim provodničkim materijalima poput kvarca niti proizvodnim tehnikama poput brušenja ili poliranja.

Da bi se napravila odgovarajuća optika i da se ubaci optika u postojeće optike za varenje, to se moralo proizvesti iz provodljivih optičkih materijala. Višespektarski cink sulfid (ZnS) je relativno nov optički materijal iz II-VI, Inc (21). To je II-VI infracrveni standardni cink sulfidni materijal koji je tretiran procesom vrelog izostatičkog pritiska (HIP). Sa mogućnostima sličnim laserima kod drugih materijala provodničke optike, uključujući minimalno rasipanje, visoku toplotnu provodljivost i karakteristiku visoke transmisije od 0.4 do 12 mikrona, ZnS je pogodan za čitav niz primena laserske obrade (22). Čak, moguće ju je proizvesti i okretanjem faceta dijamanta, za razliku od

13

uobičajenih kvarcnih optika. Sa mogućnošću dijamantske obrade ZnS, može se napraviti čitav spektar optika za oblikovanje laserom.

Ova optika je projektovana tako da odgovara kolimatskom zraku postojeće konfiguracije optika za zavarivanje u EWI. Crtež 2.6 je jedna ilustracija ovih optika, koja koristi kombinaciju provodničkih i reflektivnih optika. Kolimator je 150 mm plano-konveksno ZnS sočivo. Žižna optika je parabolično bakarno ogledalo od 250 mm, pod uglom od 90o. Pravljena optika je trebala da se smesti u stazu kolimatizovanog zraka.

Sa definisanom snagom gustine i razmakom zraka, rešenje za dizajniranje optike je modelirao Udruženje Craig Walters (CWA) (23), da se proizvede distribucija zraka slična onoj kod zrakova koji su određeni na osnovu eksperimenata. Koristeći softverski program za praćenje zraka po imenu ZEMAXTM, CWA je mogao da modelira stazu zraka i izlazno isijavanje kroz čvrst model pravljene optike. Iz ovog nodela, CWA je pravio učestale izmene sve dok izlazna distribucija snage nije blisko odgovarala rezultatima koji su ranije zabeleženi pri probama varenja konvencionalnim optikama. Crtež konačnog dizajna je prikazan na crtežu 2.7.

Crtež 2.6 – Ilustracija „konvencionalne“ EWI-jeve optike za varenje od 10 kW

14

Crtež 2.7 – Crtež konačnog izgleda optike napravljene u Craig Walters Udruženju

Napravljena optika je projektovana kao38mm sočivo koje ima ravne delove na dve trećine svoje površine. To je omogućilo da 67% zraka putuje kroz datu optiku nepromenjeno. Tih 67% bi se onda fokusiralo na bakarno ogledalo kako bi postalo glavni zrak za varenje. Preostalih 33% snage bi bilo skrenuto pomoću dva posebno oblikovana sočiva tako da postanu dva bočna zraka za ravnanje vrhova vara. Ova podela bi održavala relativni odnos snaga između tri tačke slično kao odnos koji je određen u inicijalnim probama sa uobičajenim optikama.

Za podelu i oblikovanje 33% zraka koji se koristi za ravnanje vrha vara, od uobičajenih optika su modelirana dva sočiva. Svako od ovih sočiva okupira 60 stepeni-sektor od ukupne optike i ima bikonveksnu krivulju za usmeravanje i oblikovanje bočnih zrakova. Zbog kompleksnosti projektovanja i proizvodnje ove optike koja može napraviti dve defokusirane tačke koje su razdvojene i od glavnog zraka, i jedna od druge određenim razmakom, bočni zraci su projektovani tako da imaju trogaoni oblik na ravni varenja, a ne da su kruže tačke.

Crtež 2.8 pokazuje model predviđene distribucije snage na projektu uobičajene optike. Crtež 2.9 je ilustracija traga zraka generisanog pomoću ZEMAXTM. Optika je projektovana tako da operiše u stazi kolimatorskog zraka konvenionalnih optika kao na crtežu 2.9. Crtež 2.10 pokazuje konačni izgled čvrstog modela optike.

15

Crtež 2.8 – Predviđena distribucija snage kod optike koju je projektovalo Udruženje Craig Walters

16

Crtež 2.9 – Trag zraka generisanog u ZEMAXTM-u od Udruženja Craig Walters

Crtež 2.10 – Čvrsti model projektovane trotačkaste optike od Udruženja Craig Walters

17

Krajnji projekat je onda poslat u II-VI, Inc. da se napravi od ZnS. Bikonveksna sočiva su isečena mašinskim sistemom dijamanta brze osovine. Kada su isečene dve krivulje, ravni deo je još jednom zasečen tako da se definišu sektori. Fotografija rezultujuće optike može se videti na crtežu 2.11.

Crtež 2.11 – Fotografija završene trotačkaste optike proizvedene u II-VI, Inc.

Mada je ZnS obradiv dijamantom, složenost ovog projekta je pomerila granice u proizvodnji sočiva. Svako od dva sektora sočiva je projektovano tako da ima bikonveksnu krivulju od 2200 mm po X osi i 1100 mm po Y osi. Nakon obrade, radijusi su mereni tako da budu 2201 mm po X osi i 1099 mm po Y osi. Svaki od sektora je zauzimao 60 stepeni od ukupne optike. Ipak, krajnje mere sektora su konstruisane na 55 i 64 stepena. Preostalih 240 stepeni optike je projektovano tako da površ bude ravna, što omogućava zraku nesmetan prolazak. Ipak, obrađena površina nije bila potpuno ravna. Crtež 2.12 pokazuje da dva prelaza procesa završnog rezanja nisu bila paralelna.

18

Crtež 2.12 – Merenje interferencije ravne površi proizvedene optike, po izveštaju II-VI, Inc.

19

3. TESTIRANJE I VARENJE OPTIKOM

Za testiranje i varenje optikom koju smo projektovali, ugrađen je mehanizam za poravnavanje da bi se optika postavila i pozicionorala unutar EWI optike za zavarivanje. Poravnavanje optike je testirano, izvršeno je lasersko merenje da bi se proverio gubitak snage u projektovanoj optici. Izvršena su probna varenja projektovanom optikom, koja su nakon toga upoređena sa karakteristikama konvencionalnih optika.

3.1 Testiranje projektovane optikeZbog usmeravanja tri tačke, trebalo je po sve tri ose poravnati asimetričnu optiku

sa kolimatizovanim zrakom. Tri ose pokreta su uključivale dva smera translacije u ravni optičke površine i rotaciju optike koaksijalno sa zrakom. Pošto je poravnavanje projektovane optike bilo kritično po lokacije i distribuciju snage tri tačke, optički ram je morao da bude sposoban za fino podešavanje po svakoj od ove tri ose.

Translacija optike koja se odnosi na zrak po X osi podesila je odnos snaga između 2 bočna sektora. Translacija optike koja se odnosi na zrak po Y osi podesila je odnos snaga između glavnog zraka i bočnoh sektora. Rotaciono podešavanje optike koaksijalno ka zraku je uticalo na oblik bočnih sektora, kao i na lokaciju sektora u odnosu na glavni zrak.

Zbog preciznog poravnavanja u odnosu na zrak, optičkom ramu je bilo potrebno omogućiti vodeno hlađenje da bi mogao da radi na 10 kW. Na crtežu 3.1 je model sistema za poravnavanje projektovane optike, napravljen u EWI. Onda kada je sistem za poravnavanje kompletiran, instalirana je projektovana optika i optici za varenje je dodat sistem za poravnavanje. Crtež 3.2 je fotografija mehanizma za poravnavanje instaliranog u EWI optiku za varenje.

20

Crtež 3.1 – Ilustracija mehanizma za poravnavanje u projektovanij optici

Crtež 3.2 – Fotografija instaliranog sistema za poravnavanje optike

Kada su instalirani sistemi projektovane optike i poravnavanja sa vodenim hlađenjem, oprema je bila podvrgnuta testiranju. Merena je izlazna snaga kontinualnog talasa celog optičkog sistema pri radu od 1 do 10 kW. Projektovana trotačkasta optika je imala prosečan gubitak od 2,1% u poređenju sa izlaznom snagom sistema bez projektovane trotačkaste optike. Ova merenja snage su predstavljena u Dodatku B. Da bi se testirala moguća šteta pri velikoj prenosnoj snazi, optički sistem je testiran na 1 kW u periodu od jedan minut. Nije primećeno nikakvo oštećenje optike niti pregrevanje u sistemu.

21

Pošto je oblik tri tačke bio kompeksan, longitudinalno (uzdužno) rastojanje između tačaka je bilo veliko, i bilo je velikog variranja u gustini snage, za mapiranje distribucije snage sve tri tačke zajedno se nisu mogli koristiti dijagnostički alati PRIMES laserskog zraka. Da bi se generalno usaglasila lokacija sve tri tačke, laser je malom snagom usmeren na centar papira za lasersko gađanje. Centar je određen tako da bude u tipičnoj žižnoj poziciji glavnog zraka, ili na 250 mm od parabolički fokusiranog ogledala. Kada se papir zapalio, potvrđeno je da je projektovana optika proizvodila prostornu distribuciju slično kao tri predložene tačke.

Da bi se još podrobnije posmatralo relativno rastojanje i gustina snage tri tačke, ispaljivani su hici i na crni polietilen. Kada je snažan, kratki puls pogodio crnu plastiku, neka količina plastike je isparila. Ulegnuća na ostatku plastike su predstavljala indikaciju rastojanja i distribucije snage ove tri tačke. Crtež 3.3 je primer testa paljenja crnog polietilenskog materijala.

Crtež 3.3 – Fotografija kojom je projektovana optika spalila crni polietilen.

Da bi se testiralo poravnanje optike, izvedeno je višestruko gađanje na crni polietilen. Između gađanja je svaka osa postepeno podešavana. Kretanje po osama X i Y je pomerano za po 1 mm. Rotacija je povećavana za 2,25o. Nakon toga su upoređivani pogoci, kako bi se odredila najbolja ravan. Crtež 3.4 je fotografija rezultata

22

gađanja na crni polietilen. Ulegnuća izazvana isparavanjem su obojena u belo zbog kontrasta.

Crtež 3.4 – Plastika gađana zbog podešavanja svih osa (obojeno belo zbog kontrasta)

Na osnovu gađanja je zakjučeno da se bočni sektori, u stvari, preklapaju. Oni nisu razdvojeni nekim rastojanjem, već se preklapaju tako da obrazuju oblik jednog traga. Takođe, taj trag je samo 6 mm iza glavnog zraka, umesto preporučenih 10 mm. U pokušaju da se isprave ove karakteristike, vršeno je još gađanja sa različitih žižnoh daljina. Čitav optički sistem je postepeno pomeran po 1 mm vertikalno da bi se promenilo žižno rastojanje.

Kada je žižno rastojanje pomereno za 4 mm, bočni sektori su se i dalje preklapali; ipak, rastojanje između glavnog zraka i bočnih sektora je povećano na 8 mm. Promene u žižnoj daljini veće od 4 mm iznad ili ispod žiže menjale su oblik glavnog zraka. Pretpostavilo se da varenje pomereno više od 4 mm u odnosu na žižu bi bilo štetno za prodiranje vara. Pošto je napredak u rastojanju između glavnog zraka i bočnih sektora bio minimalan, određeno je da je najbolje da žižna pozicija za varenje bude u žiži glavnog zraka, ili 250 mm od paraboličnog fokusirajućeg ogledala. Sa najboljim poravnavanjem određenim na osnovu gađanja, izvođene su probe varenja projektovanom trotačkastom optikom.

3.2 Probe varenja projektovanom optikomNa osnovu gađanja na crnu plastiku, izveden je zaključak da je distrubucija

snage projektovane optike različita od predviđene. Ipak su nastavljene probe projektovanom optikom. Kao i kod proba sa konvencionalnim optikama, izvršeni su parcijalni probijajući varovi na 8 milimetarskom nerđajućem čeliku 304, na način „zrno na ploči“, uz zaštitu načinjenu od industrijskog argona.

U probama konvecionalnih optika, najbolji rezultati su postignuti sa laserom snage 6 kW, pri brzini od 120 ipm (prikazano u tablici 2.2 ). Probe varenja projektovanom optikom su vršene pri brzini od 120 kW i snagom lasera od 9 kW. Ti parametri odgovaraju brzini bočnih sektora, a i proizvode približno 6 kW snage u

23

glavnom zraku. Da bi se ponovili uslovi bočnih sektora, testirane su i neke druge snage lasera i brzine prenosa. Ovi parametri su predstavljeni u tablici 3.1.

Brzina prenosa(ipm)

Snaga lasera(kW)

Udaljenost žiže(mm)

Pozicija žiže

120 8250 Deo površine160 9

200 10

Tablica 3.1 – Promenljive korišćene pri varenju projektovanom trotačkastom optikom

Iz proba varenja kombinovanjem različitih snaga lasera i brzina prenosa koja su sprovedena tokom ovog testiranja, dokazano je da je projektovana optika uspešnija u stvaranju ravnije površine vara nego što je to slučaj kod konvencionalnih optika. Optika je projektovana tako da proizvede tri tačke u cilju stvaranja tri bazena vara: glavni bazen i dva ograničenih površi koji se pružaju duž vrhova vara. Umesto toga, stvarna raspodela snage se sastojala od dve tačke. Glavni zrak je bio onakav kako je projektovan; ipak, bočni sektori su se preklapali stvarajući oblik jednog zraka.

Tokom proba varenja, projektovana optika je pravila jedan varni bazen umesto očekivana tri. Ovo se može pripisati činjenici da je glavni zrak proizveo nepoznatu temperaturu u međuprolazu na mestu bočnih sektora, kao i kraće longitudinalno rastojanje bočnih sektora od glavnog zraka od očekivanog rastojanja od 10 mm.

Iako su se bočni sektori međusobno preklapali i longitudinalno rastojanje od glavnog zraka je bilo manje od projektovanog, probe varenja projektovanom optikom jesu pokazale napredak u odnosu na konvencionalne optike. Svi testirani parametri su pokazali smanjenje zrnastih izbočina, kao i poboljšanje uglova na vrhovima vara u poređenju sa varovima izvedenim konvencionalnim optikama dok su obavljale slično prodiranje. Iz ovog razloga, odabrani su optimalni parametri da bi se dobila brzina identična onoj kod konvencionalnih optika i proizvelo slično prodiranje. Tabela 3.2 prikazuje te parametre. Crtež 3.5 je poređenje varenja konvencionalnom optikom i one koja je projektovana ovom prilikom.

24

Brzina prenosa

(ipm)

Snaga lasera(kW)

PrečnikVlakna(m)

Kolimacijsko rastojanje

(mm)

Udaljenost žiže(mm)

VeličinaTačke(m)

PozicijaŽiže

120 10 300 150 250 Uobičajeno

Deo površine

Tabela 3.2 – Parametri varenja za projektovanu trotačkastu optiku.

Crtež 3.5 – Poređenje poprečnih preseka varenja projektovanom optikom (levo) i uobičajenom optikom (desno)

Zbog činjenice da je oblik traga bio bliži od projektovanog i temperatura u međuprolazu viša nego kod proba sa konvencionalnom optikom, projektovani zrak je proizvodio jedan varni bazen umesto željena tri. Crtež 3.6 je fotografija završnog kratera proizvedenog tokom proba varenja projektovanom opikom. Završno krater pokazuje tipičan oblik istopljenih regiona nastalih distribucijom snage projektovane optike. Mada izgleda kao da ima samo jedan varni bazen, on ima dva razdvojena oblika topljenja: jednog je proizveo glavni zrak, a drugog bočni sektori. Višak toplote, obezbeđen bočnim sektorima, je istopio veću površinu osnovnog materijala i unapredio poravnanje varene površi. Ctrež 3.7 je uveličan izgled preseka površine varene projektovanom optikom. Ovaj pogled pokazuje dubinu prodiranja i profil spoja istopljene zone koju su napravili bočni sektori.

25

Crtež 3.6 – Fotografija kraja varnih kratera koji su proizvedeni projektovanom optikom

Crtež 3.7 – presek vara proizvedenog projektovanom optikom

Koristeći sotver za analizu izgleda Image-Pro, izmereni su uglovi vrha vara kod konvencionalne, kao i kod projektovane optike. Te mere su prikazane u tabeli 3.3. Varenje konvencionalnim optikama proizvelo je prosečno uglove od 125o, dok je varenje projektovanom optikom proizvelo prosečno uglove od 163o. Uprkos razlikama u odnosu

26

na predloženi projekat, ova optika je bila u mogućnosti da proizvede poboljšane vrhove vara, kao i ravniju površinu nego konvencionalne optike.

Uglovi vrhovakonvencionalne optike

(o)

Uglovi vrhovaprojektovane optike

(o)115 165140 160120 165125 165128 157136 163114 159139 158119 170118 165

Tabela 3.3 – Poređenje merenja vrhova vara

U prethodnom istraživanju Cho-a i dr., uglovi vrha vara pomoću GMAW varenja su poboljšani dodavanjem izvora toplote laseru. Defokusirana laserska tačka je postavljena na bazni metalni bandaž otprilike 10 mm od GMAW elektrode. Ovaj dodatni izvor toplote raširio je otopljeni nanos nastao varenjem preko veće površine povećavajući dužinu trake vara. Sa povećanjem površine trake vara, povećava se i ugao vrha vara. Ovaj „laserski-pokvašen“ ugao vrha je bio 157o, dok je „nepokvašen“ vrh iznosio 132o (13). Pokazalo se i da je kvašenje laserom popravilo i ugao vrha u slučaju ravnog varenja (1F) na 172o u poređenju sa nekvašenim vrhom koji je iznosio 154o (13).

U ovom istraživanju, optika je projektovana tako da proizvede traženi prostorni i isijavajući profil. Sa ovim oblikom zraka, izvođene su probe varenja kako bi se poboljšali uglovi vrha vara u napregnutim uslovima. Smanjujući koncentracije geometrijskog stresa u varenim strukturama, napregnutost se može srediti. Projektovana laserska optika za varenje konstruisana u ovom istraživanju može da proizvede varenu strukturu produženog veka napregnutosti u odnosu na konvencionalne optike laserskog varenja.

27

4. ZAKLJUČCI I BUDUĆI RADOVI

Osnovni varovi koji su proizvedeni korišćenjem konvencionalnih optika nisu pokazali nikakve merljive preskoke na vrhovima vara; ipak, nastali su konveksni zrnasti varovi sa prosečnim uglom vrha vara od 125o. Predložena distribucija snage kod projektovane optike je konstruisana tako da tri posebna zraka proizvedu tri zasebna bazena vara. Stvarna distribucija snage je bila na dva zraka: jedan glavni zrak i jedan prateći, koji je nastao preklapanjem dva bočna sektora. Bez obzira na razlike u odnosu na oblik zraka po projektu, varovi dobijeni projektovanom optikom su pokazali poboljšanje što se tiče ugla vrha vara na prosečno 163 stepena.

4.1 ZaključciIz istraživanja koja prikazana u ovom izveštaju, mogu se izvući sledeći zaključci.

1. Projektovanje i proizvodnja složene transmisijske cink sulfidne optike za proizvodnju projektovane distribucije snage u toku rada je izvodljiva.

2. Poravnavanje površine vara tokom samog procesa varenja sa pratećim zrakom je moguće u jednom prolazu.

3. U poređenju sa varenjem konvencionalnim „jednotačkastim“ optikama, varenje projektovanom optikom je pokazalo smanjenje konveksnih zrna pri varenju i poboljšanje uglova vrha vara sa 125 na 163 stepena.

4.2 Budući radoviDa bi se pojednostavili budući projekti optika za ravnanje u jednom prolazu,

prateći sektori bi trebalo da budu redizajnirani tako da ipak bude samo jedan zrak, umest dva. Optika bi trebala da bude projektovana tako da se kretanjem optike može podešavati razmak između glavnog zraka i pratećih sektora. Ovo bi učinilo optiku raznovrsnijom za različite nivoe snage i brzine prenosa. Umesto da postoji samo jedna optika koja prenosi svu snagu zraka, projektovana optika može da bude prenosni klin koji će da okupira samo mali deo kolimacijskog zraka. Da bi se podesio odnos snaga između glavnog zraka i pratećeg zraka, klin bi trebao da se pomera u i van kolimacijskog zraka.

U ovom istraživanju, pozicija pratećih zrakova iza glavnog zraka je određena očekivanom geometrijom bazena vara od kraja kratera. Za buduće radove, ovo rastojanje se može bolje predvideti modeliranjem temperaturnog profila vara na različitim rastojanjima iza glavnog zraka. Sa ovom informacijom, moguće je bolje

28

odrediti lokaciju pratećeg zraka. Zatim, može se modelirati neophodna količina toplote kao i gustina snage pratećeg vođenog vara, da bi se popravila konstrukcija optike.

Sve probe varenja u ovom istraživanju su rađena na nerđajućem čeliku. Nerđajući čelik nije previše osetljiv na zamor materijala izazvan koncentracijom geometrijskog stresa. Umesto nerđajućeg čelika, buduće probe varenja bi trebalo izvoditi na primenljivijem materijalu kao što je titanijum. Poprečni preseci varova na titanijumu izvršeni konvencionalnim optikama bi se trebali uporediti sa varovima rađenim projektovanom optikom. Varovi urađeni obema tehnikama bi onda trebalo da se testiraju na zamor materijala da se pokaže efekat ugla vrha vara na vek trajanja zamora.

29

Literatura:1. American Welding Society (1991). “Welding Handbook”, Volume 2, Eighth

Edition, Chapter 22: Laser Beam Welding.

2. Steen, W. (2003). Laser Material Processing, Third Edition, Chapter 4: Laser Welding.

3. Laser Institute of America (2001). “LIA Handbook of Laser Material Processing”, First Edition, Chapter 4: Components for Laser Materials Processing Systems.

4. Shealy, D. “Historical Perspective of Laser Beam Shaping”, Proceedings of SPIE, Seattle, USA, July 9 – 11, 2002, Volume 4770, 28 – 47.

5. Dickey, F., Weichman, L., Shagam, R. “Laser Beam Shaping Techniques”, Proceedings of SPIE, Santa Fe, USA, April 24 – 28, 2000, Volume 4065, 338 – 348.

6. Webb, C. and Jones, J. (2004). “Handbook of Laser Technology and Applications” Volume 2, Part C, Chapter 4: Beam Delivery, 1442.

7. Killpatrick, D. “Laser Beam Shaping Takes the Next Step”, Industrial Laser Review, July 1993, 8 (7), 18.

8. Liu, Y., Kannatey-Asibu, E. “Characteristics of Elliptical Laser Beam Preheating During Laser Welding”, Manufacturing Science and Engineering, ASME, 1993, Volume 64, 895 – 905.

9. Liu, Y., Kannatey-Asibu, E. “Experimental Study of Dual-Beam Laser Welding of AISI 4140 Steel”, Welding Journal, September 1997, 342 – 348. 10. Russ, A., Gref, W., Leimser, M., Dausinger, F., Hugel, H., “Double Focus Technique – Influence of Focal Distance on the Welding Process”, Proceedings of SPIE, Moscow, Russia, June 22 – 27, 2002, Volume 5121, 362 – 368.

11. Kell, J., Tyrer, J., Higginson, R., Thomson, R., Jones, J., Noden, S., “Holographic Diffractive Optical Elements Allow Improvements in Conduction Laser Welding of Steels”, Proceedings of ICALEO, Scottsdale, AZ, USA, 2006, 8 – 17.

30