Selezione del gas di protezione nella saldatura laser
Hai riscontrato difetti di saldatura come schizzi eccessivi, formazione poco estetica del cordone di saldatura e numerosi pori dopo la saldatura? Mentre potresti chiederti se ciò sia dovuto a un'impostazione errata dei parametri del processo di saldatura laser, sei consapevole che l’uso corretto del gas di protezione è anch’esso un fattore cruciale che influenza la formazione e le prestazioni del cordone di saldatura? La scelta del gas di protezione ottimale rappresenta in effetti un modo per migliorare qualità ed efficienza della saldatura.
Poiché il gas di protezione è così importante, qual è esattamente la sua funzione? Come si sceglie il tipo di gas di protezione? In quale modo il gas di protezione deve essere erogato durante la saldatura?
Il ruolo del gas di protezione
Nella saldatura laser, il gas di protezione influenza la formazione del cordone di saldatura, la qualità della saldatura, la penetrazione e la larghezza del cordone. Nella maggior parte dei casi, l’immissione del gas di protezione ha un effetto positivo sulla saldatura, ma può anche produrre effetti negativi.
Effetti positivi
1) Un gas di protezione introdotto correttamente protegge efficacemente la pozzetta fusa, riducendo o addirittura prevenendo l’ossidazione.
2) Un gas di protezione introdotto correttamente riduce efficacemente gli schizzi durante la saldatura.
3) Un gas di protezione introdotto correttamente favorisce una distribuzione uniforme della pozzetta fusa durante la solidificazione, producendo un cordone di saldatura uniforme ed esteticamente gradevole.
4) Un gas di protezione introdotto correttamente riduce efficacemente l’effetto di schermatura esercitato sul laser dalle nubi di vapore metallico o dalle nubi di plasma, aumentando così il tasso di utilizzo efficace del laser.
5) Un gas di protezione introdotto correttamente riduce efficacemente la porosità del cordone di saldatura.
A condizione che vengano scelti correttamente il tipo di gas, la portata del gas e il metodo di immissione, è possibile ottenere risultati ideali.
Tuttavia, un utilizzo improprio del gas di protezione può influire negativamente anche sulla saldatura.
1) Un'applicazione scorretta del gas di protezione può peggiorare la saldatura:
① La scelta di un tipo di gas inadeguato può causare crepe nel cordone di saldatura e ridurne le proprietà meccaniche;
② La scelta di una portata di gas inadeguata può provocare un'ossidazione più grave del cordone di saldatura (sia che la portata sia troppo elevata sia che sia troppo bassa) e può inoltre causare un'interruzione significativa del bagno di fusione, con conseguente collasso o formazione irregolare del cordone di saldatura;
③ La scelta di un metodo di applicazione del gas inadeguato può determinare una protezione inefficace o addirittura inesistente, oppure influire negativamente sulla formazione del cordone di saldatura;
2) L'applicazione del gas di protezione può influenzare la penetrazione della saldatura, in particolare nella saldatura di lamiere sottili, riducendone la penetrazione.
Tipi di gas di protezione
I gas di protezione comunemente utilizzati per la saldatura laser sono azoto (N2), argon (Ar) ed elio (He). Le loro proprietà fisico-chimiche differiscono e, di conseguenza, il loro effetto sul cordone di saldatura varia.
Azoto (N2)
Il più economico, ma inadatto per la saldatura di alcuni acciai inossidabili. L'azoto (N2) possiede un'energia di ionizzazione moderata, superiore a quella dell'argon (Ar) ma inferiore a quella dell'elio (He). Sotto irraggiamento laser, il suo grado di ionizzazione è generalmente basso, riducendo efficacemente la formazione della nube di plasma e aumentando quindi il tasso di utilizzo efficace del laser. Tuttavia, l'azoto può reagire chimicamente con le leghe di alluminio e con l'acciaio al carbonio a determinate temperature, generando nitruro. Ciò incrementa la fragilità del cordone di saldatura e ne riduce la tenacità, influenzando negativamente in modo significativo le proprietà meccaniche del giunto saldato. Pertanto, l'azoto non è raccomandato come gas di protezione per le saldature di leghe di alluminio e di acciaio al carbonio.
D'altro canto, i nitruro prodotti dalla reazione chimica tra azoto e acciaio inossidabile possono aumentare la resistenza del cordone di saldatura, migliorandone le proprietà meccaniche. Di conseguenza, l'azoto può essere utilizzato come gas di protezione nella saldatura dell'acciaio inossidabile.
Argon (Ar)
è relativamente economico, ha un'alta densità e offre una buona protezione. La superficie di saldatura è più liscia rispetto a quella ottenuta con l'elio. Tuttavia, viene facilmente ionizzato dal plasma metallico ad alta temperatura, il che può schermare parte del fascio laser impedendogli di raggiungere il pezzo in lavorazione, riducendo così la potenza effettiva di saldatura e ostacolando velocità di saldatura e penetrazione. L'Ar (argon) possiede l'energia di ionizzazione più bassa, ma il suo grado di ionizzazione è relativamente elevato sotto irraggiamento laser, il che non favorisce il controllo della formazione delle nubi di plasma ed esercita un certo impatto sul tasso di utilizzo efficace del laser. Tuttavia, l'Ar presenta una reattività molto bassa ed è difficile che reagisca chimicamente con i metalli comuni. Inoltre, l'Ar è economico. In aggiunta, l'Ar ha un'alta densità, il che ne facilita il deposito sulla pozza di saldatura, offrendo una migliore protezione per quest'ultima. Pertanto, può essere utilizzato come gas di protezione convenzionale.
Elio (He)
È più costoso, ma ha l'effetto migliore, consentendo al laser di passare direttamente senza ostacoli fino alla superficie del pezzo in lavorazione. Ha l'energia di ionizzazione più elevata, ma il suo grado di ionizzazione è molto basso sotto irraggiamento laser, il che consente di controllare efficacemente la formazione delle nubi di plasma. Il laser agisce bene sui metalli e l’elio (He) presenta una reattività molto bassa, non reagendo praticamente in modo chimico con i metalli. È un eccellente gas di protezione per le saldature. Tuttavia, l’elio è troppo costoso e generalmente non viene utilizzato nella produzione su larga scala. Viene impiegato prevalentemente nella ricerca scientifica o per prodotti ad alto valore aggiunto.
Metodi di iniezione del gas di protezione
Attualmente esistono due principali metodi per introdurre i gas di protezione: uno è il soffio laterale fuori asse del gas di protezione… Gas di protezione soffiato lateralmente in parallelo
Un altro tipo è il gas di protezione coassiale.
Gas di protezione coassiale
La scelta tra i due metodi di soffio dipende da una combinazione di fattori, ma generalmente si raccomanda il soffio laterale del gas di protezione.
Principi per la scelta dei metodi di soffiaggio del gas di protezione
Innanzitutto, è importante chiarire che l'espressione «ossidazione del cordone saldato» è un termine colloquiale. Teoricamente, essa indica una reazione chimica tra il cordone saldato e componenti nocivi presenti nell'aria, con conseguente deterioramento della qualità della saldatura. Esempi comuni includono la reazione del metallo saldato con ossigeno, azoto e idrogeno presenti nell'aria a determinate temperature.
Prevenire l'ossidazione del cordone saldato implica ridurre o evitare il contatto tra tali componenti nocivi e il metallo saldato ad alte temperature. Per «alta temperatura» si intende non soltanto il metallo della pozzetta fusa, ma anche l'intero periodo compreso tra la fusione del metallo saldato e la sua solidificazione, fino a quando la sua temperatura scende al di sotto di un determinato valore.
Ad esempio, nella saldatura di leghe di titanio, l'idrogeno viene assorbito rapidamente al di sopra dei 300 °°C, l'ossigeno al di sopra dei 450 °°C e l'azoto al di sopra dei 600 °C. Pertanto, le saldature in lega di titanio richiedono una protezione efficace dopo la solidificazione e durante il periodo in cui la temperatura scende al di sotto dei 300 °°C; in caso contrario, verranno "ossidate".
Come chiarito nella descrizione precedente, il gas di protezione soffiato deve non solo proteggere tempestivamente la pozza di saldatura, ma anche l’area appena solidificata. Di conseguenza, viene generalmente utilizzato il metodo di soffiaggio laterale asse-assiale del gas di protezione illustrato nella Figura 1, poiché offre un campo di protezione più ampio rispetto al metodo di protezione coassiale mostrato nella Figura 2, garantendo in particolare una protezione migliore per l’area di saldatura appena solidificata.
Per applicazioni ingegneristiche, il soffiaggio laterale asse-assiale del gas di protezione non è adatto a tutti i prodotti. Per alcuni prodotti specifici, può essere utilizzato esclusivamente il gas di protezione coassiale. La scelta deve essere adeguata alla struttura del prodotto e al tipo di giunto.
Selezione del metodo specifico di soffiaggio del gas di protezione
1) Saldature diritte
Come mostrato nella Figura 3, la forma del cordone di saldatura del prodotto è rettilinea. Il tipo di giunto può essere un giunto a testa a testa, un giunto a sovrapposizione, un giunto d’angolo o un giunto a sovrapposizione saldato. Per questo tipo di prodotto, è preferito il metodo di protezione con gas di copertura laterale fuori asse illustrato in è preferito.
2) Saldature piane chiuse
La forma del cordone di saldatura del prodotto è una figura chiusa piana, ad esempio un cerchio piano, un poligono piano o una linea piana costituita da più segmenti. Il tipo di giunto può essere un giunto a testa a testa, un giunto a sovrapposizione o un giunto a sovrapposizione saldato. Per questo tipo di prodotto, è preferita la protezione con gas di copertura coassiale.
Saldatura piana chiusa
La scelta del gas di protezione influenza direttamente la qualità, l’efficienza e i costi della produzione saldante. Tuttavia, a causa della diversità dei materiali da saldare, la selezione del gas per la saldatura nella pratica è piuttosto complessa. È necessario considerare in modo completo il materiale da saldare, il metodo di saldatura, la posizione di saldatura e l’effetto saldante richiesto. Solo mediante prove di saldatura è possibile selezionare un gas di saldatura più adatto per ottenere risultati di saldatura migliori.
