Wybór gazu osłonowego w spawaniu laserowym
Czy zdarzyło się Państwu, że po spawaniu wystąpiły wady spawalnicze, takie jak nadmierne rozpryskiwanie, nieestetyczny kształt szwu oraz liczne porowatości? Choć może Pan/Pani podejrzewać, że są one spowodowane nieprawidłowymi ustawieniami parametrów procesu spawania laserowego, czy wie Pan/Pani, że prawidłowe stosowanie gazu osłonowego jest również kluczowym czynnikiem wpływającym na kształt i jakość szwu? Wybór optymalnego gazu osłonowego stanowi bowiem skuteczną metodę poprawy jakości i wydajności spawania.
Skoro gaz osłonowy odgrywa tak ważną rolę, to jaka jest jego właściwa funkcja? Jak wybrać odpowiedni typ gazu osłonowego? W jaki sposób należy doprowadzać gaz osłonowy podczas spawania?
Rola gazu osłonowego
W spawaniu laserowym gaz osłonowy wpływa na kształt szwu, jakość szwu, głębokość przetopu oraz szerokość szwu. W większości przypadków doprowadzanie gazu osłonowego ma pozytywny wpływ na szew, ale może również wywoływać skutki niekorzystne.
Skutki pozytywne
1) Poprawnie wprowadzony gaz osłonowy skutecznie chroni wannę spawalniczą, ograniczając lub nawet zapobiegając utlenianiu.
2) Poprawnie wprowadzony gaz osłonowy skutecznie zmniejsza rozpryskiwanie podczas spawania.
3) Poprawnie wprowadzony gaz osłonowy sprzyja jednolitemu rozprzestrzenianiu się wanny spawalniczej w trakcie krzepnięcia, co daje jednolity i estetyczny szew.
4) Poprawnie wprowadzony gaz osłonowy skutecznie zmniejsza efekt osłaniający par metalu lub chmury plazmy w stosunku do promienia laserowego, zwiększając skuteczny współczynnik wykorzystania energii laserowej.
5) Poprawnie wprowadzony gaz osłonowy skutecznie zmniejsza porowatość szwu.
O ile rodzaj gazu, jego przepływ oraz sposób wprowadzania zostaną dobrze dobrane, można osiągnąć wyniki idealne.
Jednak nieprawidłowe stosowanie gazu osłonowego może również negatywnie wpływać na spawanie.
1) Nieprawidłowe zastosowanie gazu osłonowego może pogorszyć jakość spoiny:
① Wybór niewłaściwego typu gazu może powodować pęknięcia spoiny i obniżać jej właściwości mechaniczne;
② Wybór niewłaściwej prędkości przepływu gazu może prowadzić do nasilonego utleniania spoiny (zarówno przy zbyt wysokim, jak i zbyt niskim przepływie) oraz powodować silne zakłócenia w kąpieli spawalniczej, co skutkuje zapadaniem się spoiny lub nieregularnym jej kształtem;
③ Wybór niewłaściwej metody podawania gazu może skutkować nieskuteczną lub wręcz całkowicie niefunkcjonalną osłoną gazową albo negatywnie wpływać na kształt spoiny;
2) Zastosowanie gazu osłonowego może wpływać na głębokość przetopu spoiny, szczególnie przy spawaniu cienkich blach, zmniejszając ją.
Rodzaje gazów osłonowych
Do najczęściej stosowanych gazów osłonowych w spawaniu laserowym należą azot (N₂), argon (Ar) i hel (He). Ich właściwości fizykochemiczne różnią się od siebie, a w związku z tym różnią się też ich wpływ na spoinę.
Azot (N2)
Najtańszy, ale nieodpowiedni do spawania niektórych stali nierdzewnych. Azot (N2) ma umiarkowaną energię jonizacji, wyższą niż argon, ale niższą niż hel. Pod wpływem promieniowania laserowego jego stopień jonizacji jest zazwyczaj niski, co skutecznie ogranicza powstawanie chmury plazmy i zwiększa efektywny współczynnik wykorzystania promieniowania laserowego. Azot może jednak reagować chemicznie z aluminium i stalą węglową w określonych temperaturach, tworząc azotki. Zwiększa to kruchość spoiny i obniża jej odporność udarnościową, co znacząco negatywnie wpływa na właściwości mechaniczne połączenia spawanego. Dlatego azot nie jest zalecany jako gaz osłonowy przy spawaniu stopów aluminium i stali węglowej.
Z drugiej strony azotki powstające w wyniku reakcji chemicznej azotu ze stalą nierdzewną mogą zwiększać wytrzymałość połączenia spawanego, poprawiając jego właściwości mechaniczne. Dlatego azot może być stosowany jako gaz osłonowy przy spawaniu stali nierdzewnej.
Arkon (Ar)
jest stosunkowo tanim gazem, charakteryzuje się wysoką gęstością i zapewnia dobrą ochronę. Powierzchnia spoiny jest gładziej niż przy użyciu helu. Jednak łatwo jonizuje się pod wpływem wysokotemperaturowej plazmy metalowej, co może częściowo osłonić wiązkę laserową przed dotarciem do przedmiotu obrabianego, zmniejszając skuteczną moc spawania oraz utrudniając osiągnięcie dużej prędkości spawania i głębokości wnikania. Argon (Ar) ma najniższą energię jonizacji, ale jego stopień jonizacji jest stosunkowo wysoki pod wpływem promieniowania laserowego, co nie sprzyja kontrolowaniu powstawania chmur plazmy i wpływa negatywnie na skuteczny współczynnik wykorzystania promieniowania laserowego. Argon jednak charakteryzuje się bardzo niską reaktywnością i trudno wchodzi w reakcje chemiczne z powszechnie stosowanymi metalami. Ponadto argon jest tani. Dodatkowo jego wysoka gęstość ułatwia osiadanie nad kąpielą spawalniczą, zapewniając lepszą ochronę kąpieli spawalniczej. Dlatego też może być stosowany jako standardowy gaz osłonowy.
Hel (He)
Jest droższy, ale daje najlepszy efekt, umożliwiając bezpośrednie przejście wiązki laserowej przez gaz bez przeszkód do powierzchni obrabianego przedmiotu. Ma najwyższą energię jonizacji, ale jego stopień jonizacji jest bardzo niski pod wpływem promieniowania laserowego, co pozwala skutecznie kontrolować powstawanie chmur plazmy. Laser działa dobrze na metalach, a hel wykazuje bardzo niską reaktywność i praktycznie nie wchodzi w reakcje chemiczne z metalami. Jest doskonałym gazem osłonowym do spawania. Jednak hel jest zbyt drogi i zazwyczaj nie stosuje się go w produkcji masowej. Zwykle wykorzystuje się go w badaniach naukowych lub przy produkcji wyrobów o wysokiej wartości dodanej.
Metody wprowadzania gazu osłonowego
Obecnie istnieją dwie główne metody wprowadzania gazów osłonowych: pierwsza to boczne, pozakoaksjalne dmuchanie gazu osłonowego… równoległe boczne dmuchanie gazu ochronnego
Drugim typem jest współosiowe dmuchanie gazu osłonowego.
Współosiowy gaz osłonowy
Wybór między tymi dwoma metodami dmuchania zależy od zestawu czynników, jednak ogólnie zaleca się stosowanie bocznego dmuchania gazu osłonowego.
Zasady doboru metod dmuchania gazem osłonowym
Po pierwsze, ważne jest wyjaśnienie, że termin „utlenianie spoiny” to wyrażenie potoczne. Teoretycznie odnosi się on do reakcji chemicznej między spoiną a szkodliwymi składnikami powietrza, prowadzącej do pogorszenia jakości spoiny. Typowymi przykładami są reakcje metalu spoiny z tlenem, azotem i wodorem obecnymi w powietrzu w określonych temperaturach.
Zapobieganie utlenianiu spoiny polega na ograniczeniu lub unikaniu kontaktu tych szkodliwych składników z metalem spoiny w wysokiej temperaturze. Wysoka temperatura ta obejmuje nie tylko metal w stanie ciekłym (kąpiel spawalniczą), ale także cały okres od momentu stopienia metalu spoiny aż do jego zakrzepnięcia i obniżenia temperatury poniżej określonego poziomu.
Na przykład przy spawaniu stopów tytanu wodór jest szybko pochłaniany powyżej 300 °°C, tlen powyżej 450 °°C, a azot powyżej 600 °C. W związku z tym spoiny ze stopów tytanu wymagają skutecznej ochrony po zakrzepnięciu oraz w okresie, gdy temperatura spada poniżej 300 °°C; w przeciwnym razie ulegną „utlenieniu”.
Jak wynika z powyższego opisu, gaz osłonowy podawany strumieniem musi nie tylko skutecznie chronić wannę spawalniczą w odpowiednim czasie, ale także nowo zakrzepniętą strefę spoiny. Dlatego też najczęściej stosuje się metodę bocznego, osiowo przesuniętego podawania gazu osłonowego przedstawioną na Rysunku 1, ponieważ zapewnia ona szerszy zakres ochrony niż metoda współosiowa przedstawiona na Rysunku 2, szczególnie lepiej chroniąc nowo zakrzepniętą strefę spoiny.
W zastosowaniach inżynierskich metoda bocznego, osiowo przesuniętego podawania gazu osłonowego nie nadaje się do wszystkich produktów. Dla niektórych konkretnych produktów możliwa jest jedynie metoda współosiowego podawania gazu osłonowego. Wybór metody musi być dostosowany do konstrukcji produktu oraz typu połączenia.
Wybór konkretnej metody podawania gazu osłonowego
1) Spoiny proste
Jak pokazano na Rysunku 3, kształt spoiny produktu jest prostoliniowy. Rodzaj połączenia może być połączeniem czołowym, czołowo-nakładkowym, narożnym lub nakładkowym. Dla tego typu produktu preferowaną metodą jest metoda zewnętrzna boczna podawania gazu osłonowego przedstawiona na jest metoda zewnętrzna boczna podawania gazu osłonowego.
2) Spoiny płaskie zamknięte
Kształt spoiny produktu jest kształtem zamkniętym, takim jak okrąg płaski, wielokąt płaski lub łamana płaska wielosegmentowa. Rodzaj połączenia może być połączeniem czołowym, czołowo-nakładkowym lub nakładkowym. Dla tego typu produktu preferowany jest gaz osłonowy współosiowy.
Spoina płaska zamknięta
Wybór gazu osłonowego ma bezpośredni wpływ na jakość, wydajność i koszty produkcji spawalniczej. Jednak ze względu na różnorodność materiałów spawalniczych dobór gazu spawalniczego w rzeczywistych warunkach spawania jest dość złożony. Konieczne jest kompleksowe uwzględnienie materiału spawanego, metody spawania, położenia spawania oraz wymaganego efektu spawania. Tylko dzięki testom spawalniczym można dobrać bardziej odpowiedni gaz spawalniczy, umożliwiający uzyskanie lepszych wyników spawania.
