Τεχνολογία Λέιζερ

Έχετε αντιμετωπίσει ελαττώματα συγκόλλησης, όπως υπερβολική απόσπαση σπινθήρων, αισθητικά απαράδεκτη μορφή της συγκόλλησης και πολλές πόρους μετά τη συγκόλληση; Αναρωτιέστε ίσως αν οφείλονται σε λανθασμένες ρυθμίσεις των παραμέτρων διαδικασίας συγκόλλησης με λέιζερ, αλλά γνωρίζετε ότι η σωστή χρήση του προστατευτικού αερίου είναι επίσης ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει τη μορφή και την απόδοση της συγκόλλησης; Η επιλογή του βέλτιστου προστατευτικού αερίου αποτελεί στην πραγματικότητα έναν τρόπο βελτίωσης της ποιότητας και της αποδοτικότητας της συγκόλλησης.

Εφόσον το προστατευτικό αέριο είναι τόσο σημαντικό, ποια είναι ακριβώς η λειτουργία του; Πώς πρέπει να επιλέξετε τον τύπο του προστατευτικού αερίου; Πώς πρέπει να εφαρμόζεται το προστατευτικό αέριο κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης;

Ο Ρόλος του Προστατευτικού Αερίου

Στη συγκόλληση με λέιζερ, το προστατευτικό αέριο επηρεάζει τη διαμόρφωση της συγκόλλησης, την ποιότητα της συγκόλλησης, το βάθος διείσδυσης και το πλάτος της συγκόλλησης. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, η χρήση προστατευτικού αερίου έχει θετική επίδραση στη συγκόλληση, αλλά μπορεί επίσης να έχει αρνητικές επιπτώσεις.

Θετικές Επιδράσεις

1) Το κατάλληλα εισαγόμενο προστατευτικό αέριο προστατεύει αποτελεσματικά τη λίμνη συγκόλλησης, μειώνοντας ή ακόμη και αποτρέποντας την οξείδωση.

2) Το κατάλληλα εισαγόμενο προστατευτικό αέριο μειώνει αποτελεσματικά τις σπίθες κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης.

3) Το κατάλληλα εισαγόμενο προστατευτικό αέριο προωθεί την ομοιόμορφη διασπορά της λίμνης συγκόλλησης κατά τη στερέωση, με αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη και αισθητικά ευχάριστη συγκόλληση.

4) Το κατάλληλα εισαγόμενο προστατευτικό αέριο μειώνει αποτελεσματικά το προστατευτικό αποτέλεσμα των ατμών μετάλλου ή των πλάσμα σύννεφων στη δέσμη λέιζερ, αυξάνοντας τον αποτελεσματικό βαθμό χρησιμοποίησης του λέιζερ.

5) Το κατάλληλα εισαγόμενο προστατευτικό αέριο μειώνει αποτελεσματικά την πορώδη δομή της συγκόλλησης.

Εφόσον επιλεγούν σωστά ο τύπος αερίου, η παροχή αερίου και η μέθοδος εισαγωγής, μπορούν να επιτευχθούν ιδανικά αποτελέσματα.

Ωστόσο, η ακατάλληλη χρήση του προστατευτικού αερίου μπορεί επίσης να επηρεάσει αρνητικά τη συγκόλληση.

1) Η ανεπίτρεπτη εφαρμογή του προστατευτικού αερίου μπορεί να επιδεινώσει τη συγκόλληση:

① Η επιλογή λανθασμένου τύπου αερίου μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στη συγκόλληση και να μειώσει τις μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης·

② Η επιλογή λανθασμένης παροχής αερίου μπορεί να οδηγήσει σε πιο έντονη οξείδωση της συγκόλλησης (είτε η παροχή είναι υπερβολικά υψηλή είτε υπερβολικά χαμηλή) και μπορεί επίσης να προκαλέσει σημαντική διατάραξη της λεκάνης συγκόλλησης, με αποτέλεσμα κατάρρευση της συγκόλλησης ή ανομοιόμορφη διαμόρφωσή της·

③ Η επιλογή λανθασμένης μεθόδου εφαρμογής του αερίου μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκή ή ακόμη και μη υφιστάμενη προστασία, ή να επηρεάσει αρνητικά τη διαμόρφωση της συγκόλλησης·

2) Η εφαρμογή του προστατευτικού αερίου μπορεί να επηρεάσει τη διείσδυση της συγκόλλησης, ιδιαίτερα στη συγκόλληση λεπτών πλακών, μειώνοντας τη διείσδυση.

Τύποι Προστατευτικών Αερίων

Τα συνηθέστερα αέρια που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση με λέιζερ είναι το N₂, το Ar και το He. Οι φυσικοχημικές τους ιδιότητες διαφέρουν και, κατά συνέπεια, οι επιδράσεις τους στη συγκόλληση ποικίλλουν.

Αζώτιο (N2)

Το φθηνότερο, αλλά ακατάλληλο για τη συγκόλληση ορισμένων ανοξείδωτων χαλύβων. Το άζωτο (N2) έχει μέτρια ενέργεια ιονισμού, υψηλότερη από το Ar, αλλά χαμηλότερη από το He. Υπό την επίδραση λέιζερ, ο βαθμός ιονισμού του είναι γενικά χαμηλός, με αποτέλεσμα την αποτελεσματική μείωση του σχηματισμού πλάσματος και, κατά συνέπεια, την αύξηση του αποτελεσματικού ποσοστού χρησιμοποίησης του λέιζερ. Ωστόσο, το άζωτο μπορεί να αντιδράσει χημικά με κράματα αλουμινίου και άνθρακα σε ορισμένες θερμοκρασίες, παράγοντας νιτρίδια. Αυτό αυξάνει την ευθραυστότητα της συγκόλλησης και μειώνει την ταυτότητα, επηρεάζοντας σημαντικά αρνητικά τις μηχανικές ιδιότητες της συγκολλητής σύνδεσης. Ως εκ τούτου, το άζωτο δεν συνιστάται ως προστατευτικό αέριο για τη συγκόλληση κραμάτων αλουμινίου και χάλυβα άνθρακα.

Από την άλλη πλευρά, τα νιτρίδια που παράγονται από τη χημική αντίδραση του αζώτου με ανοξείδωτο χάλυβα μπορούν να αυξήσουν την αντοχή της συγκολλητής σύνδεσης, βελτιώνοντας τις μηχανικές της ιδιότητες. Ως εκ τούτου, το άζωτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προστατευτικό αέριο κατά τη συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα.

Αργόνιο (Ar)

είναι σχετικά φθηνό, έχει υψηλή πυκνότητα και παρέχει καλή προστασία. Η επιφάνεια συγκόλλησης είναι λειότερη σε σύγκριση με το ήλιο. Ωστόσο, ιονίζεται εύκολα από το πλάσμα μετάλλου υψηλής θερμοκρασίας, γεγονός που μπορεί να αποκλείσει ένα μέρος της λέιζερ δέσμης από την επαφή με το εξάρτημα, μειώνοντας την αποτελεσματική ισχύ συγκόλλησης και δυσχεραίνοντας την ταχύτητα και το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης. Το Ar (αργόν) έχει τη χαμηλότερη ενέργεια ιονισμού, αλλά ο βαθμός ιονισμού του είναι σχετικά υψηλός υπό την επίδραση της λέιζερ ακτινοβολίας, γεγονός που δεν ευνοεί τον έλεγχο του σχηματισμού πλασματικών νεφών και επηρεάζει κατά κάποιο τρόπο τον αποτελεσματικό βαθμό αξιοποίησης της λέιζερ. Ωστόσο, το Ar είναι εξαιρετικά ανενεργό και δεν αντιδρά χημικά εύκολα με τα συνηθισμένα μέταλλα. Επιπλέον, είναι φθηνό. Προσθέτως, το Ar έχει υψηλή πυκνότητα, γεγονός που διευκολύνει την καθίζησή του πάνω από τη λεκάνη συγκόλλησης, παρέχοντας καλύτερη προστασία σε αυτήν. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συνηθισμένο αέριο προστασίας.

Ήλιο (He)

Είναι πιο ακριβό, αλλά παρέχει το καλύτερο αποτέλεσμα, επιτρέποντας στη λέιζερ ακτινοβολία να διέρχεται απευθείας χωρίς εμπόδιο μέχρι την επιφάνεια του εξαρτήματος. Έχει την υψηλότερη ενέργεια ιονισμού, αλλά ο βαθμός ιονισμού του είναι πολύ χαμηλός υπό την επίδραση της λέιζερ ακτινοβολίας, γεγονός που επιτρέπει τον αποτελεσματικό έλεγχο του σχηματισμού πλάσματος. Η λέιζερ ακτινοβολία δρα αποτελεσματικά σε μέταλλα, ενώ το He έχει πολύ χαμηλή χημική δραστικότητα και δεν αντιδρά ουσιαστικά χημικά με τα μέταλλα. Αποτελεί εξαιρετικό προστατευτικό αέριο για τις συγκολλήσεις. Ωστόσο, το He είναι υπερβολικά ακριβό και συνήθως δεν χρησιμοποιείται σε μαζική παραγωγή. Χρησιμοποιείται συνήθως σε επιστημονικές έρευνες ή σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας.

Μέθοδοι Εισαγωγής Προστατευτικού Αερίου

Υπάρχουν προς το παρόν δύο κύριες μέθοδοι εισαγωγής προστατευτικών αερίων: η πρώτη είναι η πλευρική ροή εκτός άξονα του προστατευτικού αερίου... Παράλληλη πλευρική ροή προστατευτικού αερίου

Ένας άλλος τύπος είναι το συγκεντρικό (coaxial) προστατευτικό αέριο.

Συγκεντρικό (Coaxial) Προστατευτικό Αέριο

Η επιλογή μεταξύ των δύο μεθόδων ροής εξαρτάται από συνδυασμό παραγόντων, αλλά γενικά προτείνεται η πλευρική ροή προστατευτικού αερίου.

Αρχές για την Επιλογή Μεθόδων Ροής Προστατευτικού Αερίου

Πρώτον, είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι ο όρος «οξείδωση της συγκόλλησης» είναι μια κοινή ορολογία. Θεωρητικά, αναφέρεται σε μια χημική αντίδραση μεταξύ της συγκόλλησης και επιζήμιων συστατικών του αέρα, που οδηγεί σε επιδείνωση της ποιότητας της συγκόλλησης. Συνηθισμένα παραδείγματα περιλαμβάνουν την αντίδραση του μετάλλου της συγκόλλησης με το οξυγόνο, το άζωτο και το υδρογόνο του αέρα σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες.

Η πρόληψη της οξείδωσης της συγκόλλησης περιλαμβάνει τη μείωση ή την αποφυγή επαφής αυτών των επιζήμιων συστατικών με το μέταλλο της συγκόλλησης σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η υψηλή θερμοκρασία αναφέρεται όχι μόνο στο μέταλλο της λιωμένης λεκάνης, αλλά και σε ολόκληρη την περίοδο από τη στιγμή που το μέταλλο της συγκόλλησης λιώνει μέχρι τη στιγμή που στερεοποιείται και η θερμοκρασία του πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο.

Για παράδειγμα, στη συγκόλληση κραμάτων τιτανίου, το υδρογόνο απορροφάται γρήγορα πάνω από 300 °°C, το οξυγόνο πάνω από 450 °°C και το άζωτο πάνω από 600 °Γ. Συνεπώς, οι συγκολλήσεις κραμάτων τιτανίου απαιτούν αποτελεσματική προστασία μετά τη στερέωση και κατά τη διάρκεια της περιόδου κατά την οποία η θερμοκρασία πέφτει κάτω των 300 °°C· διαφορετικά θα «οξειδωθούν».

Όπως διευκρινίζεται στην παραπάνω περιγραφή, το προστατευτικό αέριο που προσφέρεται με φυσητήρα πρέπει όχι μόνο να προστατεύει εγκαίρως τη λεκάνη συγκόλλησης, αλλά και την πρόσφατα στερεωμένη περιοχή. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιείται γενικά η μέθοδος πλευρικής ροής προστατευτικού αερίου εκτός άξονα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, καθώς προσφέρει ευρύτερο εύρος προστασίας σε σύγκριση με την κοαξονική μέθοδο προστασίας που απεικονίζεται στο Σχήμα 2, προσφέροντας ειδικότερα καλύτερη προστασία στην πρόσφατα στερεωμένη περιοχή συγκόλλησης.

Για εφαρμογές στη μηχανική, η πλευρική ροή προστατευτικού αερίου εκτός άξονα δεν είναι κατάλληλη για όλα τα προϊόντα. Για ορισμένα συγκεκριμένα προϊόντα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο κοαξονικό προστατευτικό αέριο. Η επιλογή πρέπει να προσαρμόζεται στη δομή του προϊόντος και στον τύπο της σύνδεσης.

Ειδική επιλογή μεθόδου ροής προστατευτικού αερίου

1) Ευθείες συγκολλήσεις

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, το σχήμα της συγκόλλησης του προϊόντος είναι ευθύγραμμο. Ο τύπος σύνδεσης μπορεί να είναι σύνδεση ακροπροσάρτησης (butt joint), σύνδεση επικάλυψης (lap joint), γωνιακή σύνδεση (corner joint) ή συγκόλληση επικάλυψης (overlapping weld). Για αυτόν τον τύπο προϊόντος, προτιμάται η μέθοδος πλευρικής ροής προστατευτικού αερίου εκτός άξονα, όπως φαίνεται στο είναι προτιμότερη.

2) Επίπεδες κλειστού σχήματος συγκολλήσεις

Το σχήμα της συγκόλλησης του προϊόντος είναι κλειστού σχήματος, όπως επίπεδος κύκλος, επίπεδο πολύγωνο ή επίπεδη πολυτμηματική γραμμή. Ο τύπος σύνδεσης μπορεί να είναι σύνδεση ακροπροσάρτησης (butt joint), σύνδεση επικάλυψης (lap joint) ή σύνδεση επικάλυψης (overlap weld joint). Για αυτόν τον τύπο προϊόντος, προτιμάται η κοαξονική ροή προστατευτικού αερίου.

Επίπεδη συγκόλληση κλειστού σχήματος

Η επιλογή του προστατευτικού αερίου επηρεάζει άμεσα την ποιότητα, την αποδοτικότητα και το κόστος της παραγωγής μέσω συγκόλλησης. Ωστόσο, λόγω της ποικιλίας των υλικών συγκόλλησης, η επιλογή του αερίου συγκόλλησης στην πράξη είναι ιδιαίτερα περίπλοκη. Απαιτείται να ληφθούν υπόψη εκτενώς το υλικό συγκόλλησης, η μέθοδος συγκόλλησης, η θέση συγκόλλησης και το επιθυμητό αποτέλεσμα συγκόλλησης. Μόνο μέσω δοκιμών συγκόλλησης μπορεί να επιλεγεί ένα καταλληλότερο αέριο συγκόλλησης για την επίτευξη καλύτερων αποτελεσμάτων συγκόλλησης.