Лазерна технология

Срещали ли сте заваръчни дефекти като излишно разпръскване, непривлекателна форма на заварката и множество пори след заваряване? Докато може би се чудите дали това се дължи на неправилни настройки на параметрите на лазерното заваряване, знаете ли, че правилното използване на защитен газ също е решаващ фактор, влияещ върху формата и производителността на заварката? Изборът на оптималния защитен газ всъщност е начин за подобряване на качеството и ефективността на заваряването.

Тъй като защитният газ е толкова важен, каква точно е неговата функция? Как трябва да изберете типа защитен газ? Как трябва да се подава защитният газ по време на заваряване?

Ролята на защитния газ

При лазерното заваряване защитният газ влияе върху формирането на заварката, качеството ѝ, проникването и широчината на заварката. В повечето случаи подаването на защитен газ оказва положително влияние върху заварката, но може да има и неблагоприятни ефекти.

Положителни ефекти

1) Правилно подаденият защитен газ ефективно предпазва заваръчната вана, намалявайки или дори предотвратявайки окисляването ѝ.

2) Правилно подаденият защитен газ ефективно намалява разпръскването на разтопен метал по време на заваряване.

3) Правилно подаденият защитен газ способства за равномерно разпространение на заваръчната вана по време на затвърдяването ѝ, което води до равномерна и естетически привлекателна заварка.

4) Правилно подаденият защитен газ ефективно намалява екраниращия ефект на изпаренията от метал или плазмените облаци върху лазера, увеличавайки ефективния коефициент на използване на лазерната енергия.

5) Правилно подаденият защитен газ ефективно намалява порестостта на заварката.

Ако се изберат правилно типа газ, скоростта на газовия поток и начина на подаване, могат да се постигнат идеални резултати.

Обаче неправилното използване на защитен газ също може да окаже отрицателно влияние върху заваряването.

1) Неправилното прилагане на защитен газ може да влоши качеството на заварката:

① Изборът на неподходящ тип газ може да предизвика пукнатини в заварката и да намали механичните ѝ свойства;

② Изборът на неподходяща скорост на подаване на газа може да доведе до по-силна оксидация на заварката (независимо дали скоростта е твърде висока или твърде ниска) и също така може да причини сериозни смущения в заваръчната вана, което води до колапсиране на заварката или неравномерно формиране;

③ Изборът на неподходящ метод за подаване на газа може да доведе до неефективна или дори напълно липсваща защита, както и да окаже отрицателно влияние върху формирането на заварката;

2) Прилагането на защитен газ може да повлияе върху проникването на заварката, особено при заваряване на тънки листове, като намалява проникването.

Типове защитни газове

Често използваните защитни газове за лазерно заваряване включват N₂, Ar и He. Те имат различни физикохимични свойства и следователно оказват различно влияние върху заварката.

Азот (N2)

Най-евтиният, но неподходящ за заваряване на определени неръждаеми стомани. Азотът (N2) има умерена йонизационна енергия — по-висока от тази на аргона (Ar), но по-ниска от тази на хелия (He). При лазерно облъчване степента му на йонизация обикновено е ниска, което ефективно намалява образуването на плазмена облачност и по този начин повишава ефективния коефициент на използване на лазера. Въпреки това при определени температури азотът може да встъпва в химична реакция с алуминиеви сплави и въглеродна стомана, образувайки нитриди. Това увеличава крехкостта на заварката и намалява ударната ѝ вязкост, което оказва значително негативно влияние върху механичните свойства на заварното съединение. Следователно азотът не се препоръчва като защитен газ при заваряване на алуминиеви сплави и въглеродна стомана.

От друга страна, нитридите, образуващи се при химичната реакция между азота и неръждаемата стомана, могат да повишат якостта на заварното съединение и да подобрят неговите механични свойства. Затова азотът може да се използва като защитен газ при заваряване на неръждаема стомана.

Аргон (Ar)

е относително евтин, има висока плътност и осигурява добра защита. Повърхността на заварката е по-гладка в сравнение с тази при използване на хелий. Въпреки това той лесно се йонизира от високотемпературната метална плазма, което може да екранира част от лазерния лъч и да попречи на неговото достигане до обработваната повърхност, намалявайки ефективната мощност за заваряване и затруднявайки скоростта на заваряване и проникването. Ar (аргон) има най-ниска енергия на йонизация, но степента му на йонизация е относително висока при лазерно облъчване, което не е благоприятно за контролиране на образуването на плазмени облаци и оказва известно влияние върху ефективния коефициент на използване на лазера. Въпреки това аргонът има много ниска реактивност и трудно встъпва в химична реакция с обичайните метали. Освен това аргонът е евтин. Допълнително аргонът има висока плътност, което улеснява утаяването му над заваръчната вана и осигурява по-добра защита на заваръчната вана. Следователно той може да се използва като обичаен защитен газ.

Хелий (He)

Той е по-скъп, но има най-добър ефект, като позволява на лазера да преминава директно, без препятствия, към повърхността на обработваната част. Той притежава най-висока йонизационна енергия, но степента му на йонизация е много ниска при лазерно облъчване, което позволява ефективен контрол върху образуването на плазмени облаци. Лазерът взаимодейства добре с метали, а He има много ниска реактивност и практически не встъпва в химични реакции с метали. Той е отличен защитен газ за заваряване. Въпреки това He е твърде скъп и обикновено не се използва за масово производство. Обикновено се използва за научни изследвания или за продукти с висока добавена стойност.

Методи за подаване на защитен газ

В момента съществуват два основни метода за въвеждане на защитни газове: първият е странично подаване на защитен газ извън оста… Паралелно странично подаване на защитен газ

Другият тип е коаксиално подаване на защитен газ.

Коаксиален защитен газ

Изборът между двата метода на подаване зависи от комбинация от фактори, но обикновено се препоръчва страничното подаване на защитен газ.

Принципи за избор на методи за подаване на защитен газ

Първо, е важно да се уточни, че терминът „окисляване на заварката“ е разговорно изразяване. Теоретично той се отнася до химична реакция между заварката и вредните компоненти във въздуха, която води до намаляване на качеството на заварката. Често срещани примери включват реакцията на заваръчния метал с кислорода, азота и водорода във въздуха при определени температури.

Предотвратяването на окисляването на заварката включва намаляване или избягване на контакт между тези вредни компоненти и заваръчния метал при високи температури. Тази висока температура се отнася не само до метала в течната вана, но и до целия период от момента, в който заваръчният метал се стопява, докато се затвърди и температурата му спадне под определено ниво.

Например при заварката на титанови сплави водородът се абсорбира бързо при температури над 300 °°C, кислородът — над 450 °°C, а азотът — над 600 °C. Следователно, заварките от титанови сплави изискват ефективна защита след затвърдяването им и през периода, в който температурата спада под 300 °°C; в противен случай те ще бъдат „окислени“.

Както по-горе е посочено, подаваният защитен газ не само трябва навременно да предпазва заваръчната вана, но и новозатвърдената област. Затова обикновено се използва методът за странично подаване на защитен газ извън осовата линия, показан на Фигура 1, тъй като той осигурява по-широк обхват на защита в сравнение с коаксиалния метод за защита, показан на Фигура 2, особено по-добра защита на новозатвърдената заваръчна област.

За инженерни приложения страничното подаване на защитен газ извън осовата линия не е подходящо за всички продукти. За определени специфични продукти може да се използва единствено коаксиален защитен газ. Изборът трябва да се направи въз основа на конструкцията на продукта и типа на съединението.

Избор на конкретен метод за подаване на защитен газ

1) Прави заварки

Както е показано на Фигура 3, формата на заварката на продукта е права. Типът съединение може да бъде стиков съединител, нахлупено съединение, ъглово съединение или съединение с припокриване. За този тип продукти се предпочита методът за странично подаване на защитен газ извън осовата линия, показан на се предпочита.

2) Плоски затворени по форма заварки

Формата на заварката на продукта е затворена форма, например плоска окръжност, плосък многоъгълник или плоска многосегментна линия. Типът съединение може да бъде стиков съединител, нахлупено съединение или съединение с припокриване. За този тип продукти се предпочита коаксиалният защитен газ.

Плоска затворена по форма заварка

Изборът на защитен газ директно влияе върху качеството, ефективността и разходите за производството на заварки. Обаче поради разнообразието от материали за заваряване изборът на заваръчен газ при реалното заваряване е доста сложен. Необходимо е да се вземат предвид комплексно материала за заваряване, методът на заваряване, положението при заваряване и желаният резултат от заваряването. Единственият начин да се избере по-подходящ заваръчен газ и да се постигнат по-добри резултати от заваряването е чрез провеждане на заваръчни изпитания.