PENETRACIJA KOD UREĐAJA ZA RUČNO LASERSKO ZAVARIVANJE

Želite da kupite uređaj za ručno lasersko zavarivanje?

Ali ste u nedoumici, pa gledanjem Youtube klipova, ne izgleda vam baš da su varovi „jaki“, čini vam se da su „slabiji“ od onih odrađenim klasičnim elektrolučnim postupcima zavarivanja?

Odmah da vam kažem, da uređaji za ručno lasersko zavarivanje, pored svega ostalog, briljiraju i po „snazi – čvrstoći“ vara, do debljina 3-4 mm.

Preko tih debljina, moguće je takođe da daju čvrstoću vara jednaku elektrolučnom zavarivanju, ali onda idemo u lasere jačih snaga i cene. Pa se treba zapitati da li je to isplativo.

Recimo, sa uređajem STRION LASER HW-850, je moguće dobiti sigurne jačine varova i na presecima debljim od 6mm, ali već ulazimo u cene 15.000-18.000 EUR, pa zato treba razmisliti dokle ići sa odnosom cena / „jačina vara“.

Napomena:

Uobičajeno da kupci uređaje za ručno lasersko zavarivanje gledaju samo po snazi, ili i po snazi i deklarisanoj debljini zavarivanja kod klasičnih vodom hlađenih uređaja.

Recimo, vodom hlađeni uređaji od 3kW, uglavnom imaju deklarisanu debljinu zavarivanja do 6mm.

Međutim, tu nedostaje bitna komponenta, a to je gustina snage, a ona se gleda u odnosu na prečnik fibera.

Prodavci vodom hlađenih uređaja ili ne znaju ili ako znaju često izbegavaju da to saopšte kupcima, ali prečnik fibera je kod njih 50um (50 mikrometara = 0,050 mm) do čak 200um (0,200mm) kod starijih modela.

STRION LASER uređaji su trenutno najbolji uređaji za ručno lasersko zavarivanje na svetu. Pored mnogih ostalih karakteristika, odlikuju se i najmanjim prečnikom fibera od samo 14um (0,014 mm) za uređaje do 2kW i samo 20um (0,020 mm) za uređaj od 3kW.

Ovako mali prečnik fibera omogućava veću gustinu snage u odnosu na klasične vodom hlađene uređaje, a samim tim veću penetraciju za istu snagu, tj zavarivanje debljih preseka istom snagom.

Može se reći da uređaj od 2kW (sa prečnikom fibera od 14um) omogućava zavarivanje jednake debljine kao i klasični vodom hlađen uređaj od 3kW (sa prečnikom fibera od 50-200um), a uređaj STRION LASER od 3kW (sa prečnikom fibera od 20um) omogućava penetraciju kao klasični vodom hlađen uređaj od 5kW (sa prečnikom fibera od 50-200um) – uz napomenu da takav uređaj od 5kW trenutno ne postoji u prodaji.

Važnost procene penetracije preko makro-isečaka

Obzirom da je zavarivanje ručnim laserskim uređajima postalo masovno tek od 2022-2023 godine, mnoge stvari su nepoznate, pa je potrebno proceniti upravo ono što se ne vidi očima, a to je čvrstoća spoja.

Ona se proverava poznatim klasičnim postupcima ispitivanja:

– vađenjem „makro“ isečaka – radi dobijanja uvida u penetraciju,

– lomom – radi dobijanja uvida gde se može očekavati lom (u materijalu ili varu) kao i eventualno žilavost,

– kidanjem – radi dobijanja uvida u čvrstoću na kidanje i u čvrstoću na tečenje, izduženje itd.

Makro isečak

Makro isečak se profesionalno radi u metalografskim laboratorijama, sa profesionalnom opremom, hemikalijama i mikroskopima i softverom…

Ali za dovoljno dobre procene je sve to moguće uraditi vrlo brzo u radionici sa jeftinim hemikalijama, a umesto mikroskopa koristiti foto aparat ili telefon sa dobrom rezolucijom, pa na monitoru kompjutera uveličati nekoliko puta i videti u krupnom planu zone penetracije.

Vrlo je prsto, vrlo brzo i vrlo jeftino i svako to može raditi, nisu potrebne laboratorije.

Objašnjenje penetracije kod klasičnih elektrolučnih postupaka zavarivanja.

Pogledajte ovu sliku, slika je iz jednog zavarivačkog standarda i daje objašnjenje profila penetracije:

U proračunima za čvrstoću zavarenih spojeva kod elektrolučnog zavarivanja se koristi vrednost „a“ (pri čemu je je „a“ = 0,7 x „z“).

Vrednost „s“ se ponekad zadaje i traži da se proveri pri ispitivanju zavarenih spojeva, ponekad ne, uz napomenu da treba da bude pozitivna, da ne bi došlo do koncentracije napona na samom spoju.

Ispitivanje savijanjem se radi da se pokaže da li ima ili nema prslina (ili loma) na mestu zavarenog spoja.

Ako nema prsline ili loma, znači da je penetracija (uvarivanje) dovoljna, i prema tome, čvrstoća spoja se određuje tj proverava prema vrednosti „a“.

U zavarivanju elektrolučnim postupcima, bitno je da je penetracija „dovoljna“, i ako je veća od te dovoljne, ne smatra se da je var „jači“ samo zbog te „veće penetracije od dovoljne“, čak se preterana penetracija smatra i nepoželjnom zbog većeg unosa toplote i time moguće degradacije strukture i deformacija, čak i potencijalne poroznosti.

Znači penetracija treba da bude „dovoljna“, a nadvišenje u skladu sa proračunskim tj zadatim vrednostima.

Primer – „dovoljne“ penetracije i dovoljno velikog nadvišenja.

Debljina ploča 5mm, „z“ = 5 mm / „a“ = 3,5 mm (desni var).

Pogledajte ove varove… (nelegirani čelik, debljine ploča 5mm).

Varovi 1 i 2 (dva gornja) su urađeni žicom fi 0,8 u kratkom spoju (MAG zavarivanje, oko 120-140A) – radio vrlo vešt zavarivač.

Donji varovi 3 i 4 su urađeni žicom fi 1,0 u spreju (MAG zavarivanje, oko 220A) – radio početnik prvi put u životu.

Iako su ovi gornji varovi 1 i 2 „lepi na oko“, sa dovoljnim nadvišenjem, ipak mala penetracija u materijal (naročito u donju ploču) daje bojazan da će var lako pući u exploataciji. Ovi varovi „drže“ ali nijedan inženjer odgovoran za integritet neke konstrukcije ne bi smeo da dozvoli ovakvu tehnologiju zavarivanja. Uglavnom ovakve varove prave neuki i nestručni zavarivači, pogrešno verujući da ako je „mnogo nabačeno i lepo“ onda mora da je i čvrsto…

Donje varove je uradio početnik, prvi put je radio u spreju (MAG zavarivanje, oko 220, žica fi 1,0, mešavina C18).

Iako su ukupno gledano ovi donji varovi geometrijski i estetski neprihvatljvi, može se videti duboka penetracija koja je „dovoljna“, i plus nadvišenje koje je i veće nego što je potrebno…

Evo još jedna fotografija, sa neta – relativno „lep“ var, veliko nadvišenje, a penetracija nikakva. Tipičan var koji prave neuki i nestručni varioci koji debele preseke rade strujama od oko 100A „vrteći krugove“ i slično.

Vidi se na makro isečku da je var uz gornju ploču samo nalepljen, a u donju je tek malo penetrirao, a u koren (ćošak spoja) nije ni penetrirao. Potpuno neprihvatljivo.

Zato se svakome preporučuje, da pre nego što neki svoj var proglasi „lepim i jakim“, da ga prvo ispita, pored ostalog i na penetraciju, pravljenjem makro isečka.

A pogotovo ako svoje znanje i umeće MIG/MAG zavarivanja stičete gledajući „jutjubere“ koji vrte krugove sa amperažama od oko 100A (u kratkom spoju) na pločama od 10-tak i više milimetara.

Ovo je tipičan rezultat takvog zavarivanja.

I još jednom, kod elektrolučnog zavarivanja, čvrstoća vara se procenjuje preko nadvišenja, a penetracija samo treba da je „dovoljna“, što se sve proverava ispitivanjima.

Objašnjenje penetracije kod zavarivanja uređajima za ručno lasersko zavarivanje.

Kod uređaja za ručno lasersko zavarivanje imamo potpuno suprotnu situaciju od one kod elektrolučnih zavarivanja.

Penetracija je vrlo duboka.

Daleko veća nego kod elektrolučnog zavarivanja. I samim tim se ne može ignorisati, jer definitivno, ta penetracija daje deo čvrstoće spoja.

A postoji i nadvišenje, i ono takođe doprinosi čvrstoći, ali je malo, zato što je brzina žice recimo tipično oko 10-20 puta manja nego kod MIG/MAG zavarivanja pa je i naplavljivost/depozit žice mali.

Brzine žica su ovde 20-80 cm/min tj 0,2-0,8 m/minuti, a brzine žica kod MIG/MAG zavarivanja su recimo 3 – 15 m/u minuti.

Pošto je brzina kretanja pištolja određena ovom brzinom žice, rezultat je da je nadvišenje po pravilu malo.

Jedini način da se poveća nadvišenje (i samim tim poveća uticaj na veću čvrstoću spoja) je da se poveća prečnik žice ili da se koristi dodavač sa dve žice, što većeg prečnika.

Tipičan „idealan“ izgled penetracije kod ručnog laserskog zavarivanja je na donjoj slici.

Na ovoj slici je prikazan teoretski idealan profil penetracije kod uređaja za ručno lasersko zavarivanje.

Vidi se da je penetracija duboka i uska, a nadvišenje malo.

Razni spojevi sa prikazanom idealnom / teoretskom penetracijom kod uređaja za ručno lasersko zavarivanje.

Penetracija je duboka i uska, a nadvišenje malo.

Mere penetracije koje utiču na čvrstoću spoja

Čvrstoća spoja, kod ručnog laserskog zavarivanja žicom, zavisi od dve veličine, mogu se videti sa donje slike:

– „a“ (ili „b“) – što je mera penetracije u dubinu materijala,

– „z“ – što je mera nadvišenja usled topljenja žice.

Što su mere „a“ („b“) i „z“ pojedinačno ili ukupno veće, veća je i čvrstoća spoja.

Odatle sledi zaključak, za veću čvrstoću spoja nam treba što duže rastojanje od spoljne strane gornje ploče do preseka sa donjom pločom u unutrašnjosti (tačka P) i što veće nadvišenje vara.

Na profilu penetracije možemo uočiti sledeće vrednosti:

a – dubina penetracije od spoljne strane gornje ploče do preseka sa donjom pločom u dubini (tačka P).

Ponekad se zove „dubina korena penetracije“, i kao takva je suštinska veličina koja određuje dubinu penetracije i nosivost spoja po snazi lasera (i podešenih drugih parametara koji određuju dubinu penetracije).

b – horizontalna projekcija vrednosti „a“.

Horizontalna projekcija vrednosti „a“ koja se odnosi samo na penetraciju u dubinu. Što je „b“ veće, to će čvrstoća spoja biti veća.

z – kateta nadvišenja, tj depozit žice.

Što je depozit žice veći, biće veće i „z“ a time i čvrstoća spoja.

x – „dovoljno“ duboka penetracija posle preseka dve ploče, tj posle tačke P.

Kao i kod klasičnog zavarivanja, penetracija treba da je samo „dovoljna“ nije potrebno da bude nesrazmerno velika, recimo dovoljno je 1-2 mm, to „dovoljna“ dubina penetracije posle tačke P.

y – dubina „nepotrebne“ penetracije.

Dubina penetracije „y“ nema nikakav uticaj na čvrstoću spoja, i predstavlja nepotreban „višak“ snage lasera. Preporuka je ili smanjiti snagu, ili za istu snagu, povećati neke druge parametre (uključujući i prečnik žice) da bi se za istu snagu dobilo veće nadvišenje (mera „z“) ili širina penetracije „s“.

Tačka P – presek penetracije na mestu dodira gornje i donje ploče.

s – širina penetracije.

Zavisi od širine podešene oscilacije lasera.

Širina oscilacije se podešava na kontrolnom panelu. Kod STRION LASER uređaja je 5mm za mali pištolj, 6mm za veliki pištolj (na laserima do 2kW), i 8mm za laser od 3kW.

Lošiji laseri danas ili laseri starije generacije imaju mogućnost oscilacije do max 4mm.

Odavde i sledi zaključak kako razumeti i podesiti uređaj za lasersko zavarivanje tako da daje najveću čvrstoću spoja.

Potrebno je dobiti najveću dubinu – mere „a“ (+ „x“) snagom i ostalim parametrima i dodatno najveće moguće nadvišenje „z“ žicom ili žicama.

Mera „a“ + „x“:

Za neku „normalnu“ snagu, dobija se mera penetracije „a“ (+“x“).

Ako je snaga lasera prejaka, imaćemo nepotrebnu dubinu penetracije „y“.

Na primer, ista dubina penetracije (mere „a“ i „b“) se mogu dobiti i sa laserom snage i 1,2kW 1,5kW i sa 2kW pri istim širinama oscilacije lasera i pri debljinama ploča do 5mm. Jednostavno, pri nekoj snazi većoj od „dovoljne“, samo će se dobiti dublja nepotrebna penetracija „y“.

Da bi iskoristili tu „veću snagu lasera“, moguće je da širina oscilacije, tj širina penetracije „s“ bude veća i/ili depozit žice veći ili se radi brže…

(I napomena, često se pri nepotrebno velikoj snazi dobija i zajed, koji se može smatrati greškom zavarivanja ).

Konkretno kod uređaja STRION LASER:

Uređaji od 1,5kW i 2kW imaju iste širine oscilacije, time i dobijanje mere „s“. Maksimalna širina oscilacije kod oba uređaja je 6mm sa većim pištoljem i 5mm sa manjim pištoljem.

A uređaj od 3kW ima širinu oscilacije od 8mm, pa se sa ovim parametrom (snaga lasera 3kW i širina oscilacije 8mm) može očekivati da će dubina penetracije („a“ + „x“) biti veća a time i čvrstoća spoja u odnosu na lasere snage 1,5kW i 2kW.

Nadvišenje „z“:

Da bi „z“ bilo veće, potrebno je dodavati žicu što većeg prečnika, ili dve žice što većeg prečnika. Tada će i čvrstoća spoja po ovom parametru biti veća.

Konkretno: Uređaji STRION LASER mogu da se nabave sa dodavačem sa 2 žice a maksimalni prečnik žica je 2,0mm (dodavač može gurati žice fi 0,8 / 1,0 / 1,2 / 1,6 / 2,0).

Sad par primera dubine penetracije za komentarisanje:

Na donjim slikama možete videti mere:

Vidi se da su za istu snagu (2kW) a različitim širinama oscilacije, dobijeni različiti profili i različito nadvišenje. Pri širini oscilacije od 3 mm, dobijena je baš duboka penetracija, ali se jasno vidi da je nepotrebna. Na drugoj slici se vidi da je dubina manja, ali je zato dovoljna, a nadvišenje je veće.

Odavde sledi da je bitno raditi ove makro isečke, pa svako ponaosob da donese zaključke koji su parametri najbolji i najoptimalniji pri različitim podešavanjima.

Zavisnost između prečnika žice i nadvišenja

Kao što je rečeno, snaga lasera i drugi parametri određuju dubinu penetracije kao jednu komponentu od koje zavisi čvstoća spoja.

A druga komponenta od koje zavisi čvrstoća spoja je nadvišenje i ono se postiže dodavanjem žice (ili 2 žice ako je dodavač sa 2 žice).

Pošto žica iz dodavača izlazi nekom brzinom (tipično 20-80 cm/min), i pošto u idealnom slučaju žica „gura“ pištolj tom istom brzinom a ne čovek po svojoj volji kao kod MIG/MAG postupka, može se reći da će nadvišenje (sa svojom dimenzijom „a“ ili „z“) zavisiti od prečnika žice, (bilo jedne žice bilo dve žice ako su u dodavaču dve žice).

Žica je okrugla i ima poprečni presek. A nadvišenje (teoretsko) je jednakostranični trougao sa dve iste katete („z“ = kateta) i visinom trougla „a“ („a“ = 0,7 x „z“).

Pa prema tome, u idealnom slučaju, te dve površine treba da budu jednake:

Odavde sledi da su teoretske (očekivane) vrednosti katete „z“ i nadvišenja „a“ – zavarivanje sa jednom žicom prečnika „d“:

„z“ = 1,25 d

„a“ = 0,88 d

A katete i nadvišenje pri zavarivanju sa dve žice su (isti princip računjanja – površina dva ista kruga je jednaka površini jednog trougla):

„z“ = 1,77 d

„a“ = 1,24 d

Ali, jako važno, u praksi se gotovo uvek dešavaju odstupanja, jer iako jeste tačno da „žica gura pištolj“, ipak čovek drži taj pištolj i eksperimenti pokazuju da obično čovek ima uticaj na to „guranje“, tj brzina vođenja pištolja je u praksi oko 15-25% veća od brzine žice na dodavaču. Zato se po pravilu dešava da su nadvišenja za oko prosečno 20% manja od teoretskih.

Rezultati mogu tabelarno da se prikažu:

Analogija čvrstoća između nadvišenja kod elektrolučnog i ručnog laserskog zavarivanja

U svetu su rađeni eksperimenti čvrstoće spojeva dobijenih laserskim zavarivanjem, pa sada rezultati tih eksperimenata postaju dostupni.

Očekivane vrednosti nadvišenja „z“ kod ručnog laserskog zavarivanja sa raznim prečnicima žica koje daju ekvivalentnu čvrstoću dobijenu kod elektrolučnog zavarivanja preko mere „z“:

Iz ove tabele se vidi „sigurna“ čvrstoća kod ugaonih spojeva debljina ploča do 4mm pri zavarivanju laserom. Najveći broj lasera na tržištu je deklarisan za debljine do 4mm i ima dodavač za jednu žicu, a najčešće se stavlja dostupna žica od 1,2 mm.

Pa odatle sledi da je penetracija i nadvišenje od oko z = 1,5 mm koje se dobijaju sa laserima snage 1,5-2 kW (STRION LASER-a), jednom žicom fi 1,2 mm – ekvivalentna čvrstoći nadvišenja elektrolučnog zavarivanja kada je z = 4 mm. (plus dovoljno duboka penetracija koja se kod lasera podrazumeva).

A „z = 4 mm“ kod elektrolučnog odgovara debljini ploča od 4 mm.

Uz napomenu, morate sve sami dodatno proveriti.

(*Nažalost, trenutno je teško naći na tržištu žice prečnika 1,6 i 2,0 mm).

Profili penetracije

Idealni profil penetracije je „četvrtast“:

Ali … u praksi je penetracija ponekad drugačija – pazite na to kada kupujete uređaj za ručno lasersko zavarivanje!!!

Neki uređaji daju profil penetracije koji poprilično odstupa od „teoretskog“ četvrtastog.

Zavisno od podešavanja mogu se dobiti razni profili od kojih su neki loši.

Za početak, profili penetracije dobijenih STRION LASER-om:

Možete uočiti da su profili penetracije dosta slični idealnom – četvrstastom, ili su „blago trapezasti“ ili su „četvrtasti“ sa zaobljenjima na ćoškovima u dubini materijala…

Recimo praktično, da je to izvrsno, da tako treba.

A pogledajte sada profile penetracije dobijenih nekim od konkurentskih lasera.

Konkurent 1 – loš galvo (motor) – „zubi“

Ovaj profil penetracije je tipičan za jednog konkurentskog proizvođača. Ne dobija se uvek, ali se ponekad pri određenim parametrima dobiju upravo ovakvi profili – čak su dobili i  nadimak („zubi“, „ajkulini zubi“, …).

Iako su sami uređaji tog proizvođača sasvim dobri, očigledno pri određenim parametrima postoji problem sinhronizacije karika u lancu za stvaranje lasera i penetracije.

Može se pretpostaviti da je motor, tzv „galvo-motor“ (motor u pištolju koji pomera ogledalo levo-desno i pravi oscilaciju lasera) lošijeg nivoa kvaliteta, i da pri određenim parametrima zadržava previše u krajnjim tačkama oscilacije a sredina se nekako pretrčava. A prečnik fibera je relativno veliki – oko 50um (kod STRION LASER-a je to 14um, čak tri puta manje). I onda se dobija prevelika penetracija u krajnjim tačkama a ostaje „gladno“ u sredini.

Taj problem je poznat ovom proizvođaču, pa jedini ima i podešavanje parametra „kompenzacije“, ali tu nastaju par novih problema.

Prvi problem je kako da znamo da nam je profil penetracije „sa zubima“. Pa odgovor je da napravimo makro isečak i da ga detektujemo. Onda treba da prepodesimo neke parametre uključujući „kompenzaciju“.

I povučemo var.

Pa opet napravimo makro isečak, pa proverimo.

Pa opet, pa opet…. dok ne budemo zadovoljni.

I tako svaki put kad nešto krećemo da radimo. Slažete li se da je to malo iritantno?

Drugi problem, pogledajte ovu prvu sliku. Na njoj se vidi da je sredina penetracije nikakva, tj da nije ušla, ili jeste neprihvatljivo malo ušla u donju ploču, a penetracija zuba u krajeve je sasvim OK.

Pa sad kad uključimo „kompenzaciju“, što veću vrednost stavimo, dolazi do smanjenja dubine „zuba“, ali dolazi i do smanjenja (u manjoj meri) i dubine penetracije po sredini.

Sad sledi igranka kako prepodesiti parametre uz „kompenzaciju“ a da penetracija bude OK… Izračunajte sami dangubu i i vreme i novac potrošenih na dobijanje profila penetracije što bliže idealnom…

A ako kupite uređaj STRION LASER – takav problem nećete imati!

Konkurent 2 – gubi snagu u dubini – „kopljast“ vrh penetracije

Ovaj konkurentski laser daje često profil penetracije gde je samo dno „kopljastog („šiljatog“) oblika (mera „x“). Često ovaj „šiljak“ promaši spoj kod sučenog spoja ili donju ploču kod ugaonog.

Pretpostavka je da iz nekog razloga takođe nisu najbolje sinhrononizovane sve karike u lancu pri stvaranju lasera. Prosto, pri oscilacijama, nema snage za prodiranje u dubinu na krajevima ali zato ima po samoj sredini… Pa se opet preporučuje da se napravi makro isečak, proceni mera „x“ i recimo zanemari da postoji, tj čvrstoću posmatrati prema ostatku penetracije.

A sve te probleme NEMATE kod uređaja STRION LASER-a.

UVEK rade na idealnoj temperaturi, pumpaju svetlost na sigurnijoj talasnoj dužini, nema gubitka snage zbog temperature niti zbog gubitka na priključcima (nema priključaka, fiber je integrisan), prečnik optičkog vlakna je najmanje u klasi i daje najveću gustinu snage trenutno… itd.

Kada kupujete – kupite najbolji!

A najbolji trenutno na svetu su STRION LASER uređaji za ručno lasersko zavarivanje.

Sekundarna faza

I za ljubitelje metalografije, može se ponekad na ovim makro isečcima, ali samo na onim odrađenim profesionalno, sa najboljim hemikalijama za nagrizanje i snažnim mikroskopima, može se uočiti tzv „sekundarna faza“.

Pogledajte ovu sliku, i uočite neke „zrake“ oko profila penetracije, na drugoj slici je nacrtana žuta linija preko njih da ih vi lakše uočite.

Postavlja se pitanje šta je to?

U pitanju je tzv „sekundarna faza“, poznata u metalurgiji.

U ređim slučajevima se dešava da se i tu dešava topljenje, ali očvršćavanje metala se dešava za red veličine brže nego kod glavnog profila penetracije.

Ali najčešće je to tzv ZUT (zona uticaja toplote) gde je usled toplote došlo do poprilične promene strukture materijala, pa se pri nagrizanju i ona ocrtava.

Podaci iz prakse koji su dostupni kažu da ta sekundarna faza nema uticaj na čvrstoću spoja, ali ostaje da se uvek proveri i dodatnim ispitivanjima.

Ručno lasersko zavarivanje je u opticaju svega par godina. A elektrolučni postupci od 70-100 godina. Ispitivanja su skupa, a danas u kapitalističkom svetu ko već i radi ispitivanja, želi da naplati svoj rad. Zato nam rezultati ispitivanja dolaze ovako u malim dozama, ali kako vreme bude odmicalo, tako ćemo i svi mi imati sve više informacija i iskustva u ovom postupku zavarivanja.

Na kraju

Ako ste u procesu kupovine uređaja za ručno lasersko zavarivanje, ako želite najbolje – pozivam vas da uzmete u razmatranje i kupovinu nekog od uređaja proizvođača STRION LASER.