Výběr ochranného plynu při laserovém svařování
Setkali jste se již s svarovými vadami, jako je nadměrné rozstřikování, neestetický vzhled svary a množství pórů po svařování? Zatímco se možná ptáte, zda není příčinou nesprávné nastavení parametrů laserového svařování, víte, že správné použití ochranného plynu je také klíčovým faktorem ovlivňujícím tvarování a výkon svary? Výběr optimálního ochranného plynu je ve skutečnosti jedním ze způsobů, jak zlepšit kvalitu a účinnost svařování.
Jelikož je ochranný plyn tak důležitý, jakou přesně má funkci? Jak si vybrat vhodný typ ochranného plynu? Jak je třeba ochranný plyn přivádět během svařování?
Úloha ochranného plynu
Při laserovém svařování ochranný plyn ovlivňuje tvorbu svaru, kvalitu svaru, proniknutí do materiálu a šířku svaru. Ve většině případů má zavádění ochranného plynu pozitivní vliv na svar, ale může mít také nepříznivé účinky.
Pozitivní účinky
1) Správně zavedený ochranný plyn účinně chrání taveninu, čímž snižuje nebo dokonce zcela zabrání oxidaci.
2) Správně zavedený ochranný plyn účinně snižuje rozstřikování kovu během svařování.
3) Správně zavedený ochranný plyn podporuje rovnoměrné rozprostírání taveniny při tuhnutí, což vede k rovnoměrnému a esteticky přitažlivému svaru.
4) Správně zavedený ochranný plyn účinně snižuje stínící účinek páry kovu nebo plazmových oblaků na laser, čímž zvyšuje efektivní využití laserového záření.
5) Správně zavedený ochranný plyn účinně snižuje pórovitost svaru.
Pokud jsou správně vybrány typ plynu, průtok plynu a způsob jeho zavádění, lze dosáhnout ideálních výsledků.
Nedostatečné nebo nesprávné použití ochranného plynu však může také negativně ovlivnit svařování.
1) Nesprávné použití ochranného plynu může zhoršit kvalitu svaru:
① Výběr nesprávného typu plynu může způsobit trhliny ve svaru a snížit mechanické vlastnosti svaru;
② Výběr nesprávného průtoku plynu může vést k intenzivnější oxidaci svaru (bez ohledu na to, zda je průtok příliš vysoký nebo příliš nízký), a může také způsobit výrazné rušení svarové lázně, což má za následek kolaps svaru nebo nerovnoměrné tvarování;
③ Výběr nesprávné metody aplikace plynu může vést k neúčinnému nebo dokonce zcela chybějícímu ochrannému účinku, případně negativně ovlivnit tvarování svaru;
2) Aplikace ochranného plynu může ovlivnit proniknutí svaru, zejména při svařování tenkých plechů, kdy dochází ke snížení proniknutí svaru.
Druhy ochranných plynů
Běžně používané ochranné plyny pro laserové svařování zahrnují dusík (N₂), argon (Ar) a helium (He). Jejich fyzikálně-chemické vlastnosti se liší, a proto se liší i jejich vliv na svar.
Dusík (N2)
Nejlevnější, ale nevhodné pro svařování některých nerezových ocelí. Dusík (N2) má střední ionizační energii, vyšší než argon (Ar), ale nižší než helium (He). Při ozáření laserem je jeho stupeň ionizace obecně nízký, což účinně snižuje tvorbu plazmového oblaku a tím zvyšuje efektivní využití laserového záření. Dusík se však za určitých teplot může chemicky reagovat s hliníkovými slitinami a uhlíkovou ocelí za vzniku nitridů. To zvyšuje křehkost svaru a snižuje jeho houževnatost, čímž výrazně negativně ovlivňuje mechanické vlastnosti svarového spoje. Proto se dusík nedoporučuje jako ochranný plyn při svařování hliníkových slitin a uhlíkové oceli.
Na druhou stranu nitridy vzniklé chemickou reakcí dusíku s nerezovou ocelí mohou zvýšit pevnost svarového spoje a tím zlepšit jeho mechanické vlastnosti. Dusík lze proto použít jako ochranný plyn při svařování nerezové oceli.
Argon (Ar)
je relativně levný, má vysokou hustotu a poskytuje dobré ochranné účinky. Svařovací povrch je hladší než při použití helia. Je však snadno ionizován kovovým plazmatem vysoké teploty, což může částečně stínit laserový paprsek před dosažením svařovaného materiálu, čímž se snižuje efektivní výkon svařování a zpomaluje se rychlost svařování i proniknutí do materiálu. Argon (Ar) má nejnižší energii ionizace, avšak jeho stupeň ionizace je při ozáření laserem poměrně vysoký, což není příznivé pro řízení tvorby plazmových oblaků a určitým způsobem ovlivňuje účinnost využití laseru. Argon je však chemicky velmi málo reaktivní a těžko vstupuje do chemické reakce s běžnými kovy. Navíc je argon cenově výhodný. Dále má argon vysokou hustotu, což usnadňuje jeho usazování nad svařovací lázní a poskytuje tak lepší ochranu svařovací lázně. Proto lze argon použít jako běžný ochranný plyn.
Helium (He)
Je drahší, ale má nejlepší účinek, protože umožňuje laseru procházet přímo bez překážek až k povrchu obrobku. Má nejvyšší ionizační energii, avšak jeho stupeň ionizace je při ozáření laserem velmi nízký, což umožňuje efektivně ovládat vznik plazmových mraků. Laser na kovech působí velmi dobře a helium (He) má velmi nízkou reaktivitu, tedy zásadně s kovy chemicky nereaguje. Je to vynikající ochranný plyn pro svařování. Helium je však příliš drahé a obvykle se nepoužívá ve hromadné výrobě. Obvykle se používá ve vědeckém výzkumu nebo u výrobků s vysokou přidanou hodnotou.
Způsoby dávkování ochranného plynu
V současnosti existují dva hlavní způsoby zavádění ochranných plynů: první je mimoosové boční foukání ochranného plynu… paralelní boční foukání ochranného plynu
Druhý typ je koaxiální ochranný plyn.
Koaxiální ochranný plyn
Volba mezi těmito dvěma způsoby foukání závisí na kombinaci různých faktorů, avšak obecně se doporučuje boční foukání ochranného plynu.
Zásady výběru metod foukání ochranného plynu
Za prvé je důležité upřesnit, že pojem „oxidace svaru“ je hovorový výraz. Teoreticky se týká chemické reakce mezi svarem a škodlivými složkami ve vzduchu, která vede ke zhoršení kvality svaru. Mezi běžné příklady patří reakce svarového kovu s kyslíkem, dusíkem a vodíkem ve vzduchu při určitých teplotách.
Prevence oxidace svaru spočívá v omezení nebo vyhnutí se kontaktu těchto škodlivých složek se svarovým kovem za vysokých teplot. Tato vysoká teplota se vztahuje nejen na kov v taveninové lázni, ale také na celé období od okamžiku, kdy se svarový kov roztaví, až do jeho ztuhnutí a poklesu teploty pod určitou mez.
Například u svařování titanových slitin je vodík rychle absorbován nad 300 °°C, kyslík nad 450 °°C a dusík nad 600 °C. Proto vyžadují svařeniny z titanových slitin účinnou ochranu po ukončení tuhnutí a v průběhu období, kdy teplota klesá pod 300 °°C; v opačném případě dojde k jejich „oxidaci.“
Jak je uvedeno výše, ochranný plyn proudící z trysky musí nejen včas chránit svařovací lázeň, ale také nově ztuhlou oblast. Proto se obecně používá metoda bočního odstředného výfuku ochranného plynu znázorněná na obrázku 1, neboť nabízí širší rozsah ochrany než koaxiální metoda ochrany znázorněná na obrázku 2, zejména poskytuje lepší ochranu nově ztuhlé svařeniny.
Pro technické aplikace není metoda bočního odstředného výfuku ochranného plynu vhodná pro všechny výrobky. U některých konkrétních výrobků lze použít pouze koaxiální ochranu plyny. Výběr musí být přizpůsoben konstrukci výrobku a typu spoje.
Konkrétní výběr metody výfuku ochranného plynu
1) Přímé svařovací švy
Jak je znázorněno na obrázku 3, tvar svaru tohoto výrobku je přímý. Typ spoje může být stykový spoj, překryvný spoj, rohový spoj nebo překryvný svar. Pro tento typ výrobku se upřednostňuje metoda ochranného plynu z bočního směru mimo osu, znázorněná na je upřednostňována.
2) Rovinné uzavřené svary
Tvar svaru tohoto výrobku je uzavřený, například rovinná kružnice, rovinný mnohoúhelník nebo rovinná vícesegmentová čára. Typ spoje může být stykový spoj, překryvný spoj nebo překryvný svarový spoj. Pro tento typ výrobku se upřednostňuje koaxiální ochranný plyn.
Rovinný uzavřený tvar svaru
Výběr ochranného plynu přímo ovlivňuje kvalitu, účinnost a náklady na svařovací výrobu. Kvůli rozmanitosti svařovaných materiálů je však v praxi výběr svařovacího plynu poměrně složitý. Je nutné komplexně zohlednit svařovaný materiál, svařovací metodu, polohu svařování a požadovaný svařovací efekt. Teprve prostřednictvím svařovacích zkoušek lze vybrat vhodnější svařovací plyn, který umožní dosáhnout lepších svařovacích výsledků.
