Выбор защитного газа при лазерной сварке
Вы сталкивались с дефектами сварки, такими как чрезмерное разбрызгивание, неэстетичная форма шва и большое количество пор после сварки? Возможно, вы задаётесь вопросом, связано ли это с неправильными параметрами процесса лазерной сварки, но знаете ли вы, что правильное использование защитного газа также является важнейшим фактором, влияющим на форму и качество шва? Выбор оптимального защитного газа — это действенный способ повышения качества и эффективности сварки.
Поскольку защитный газ играет столь важную роль, какова его функция? Как выбрать тип защитного газа? Каким образом следует подавать защитный газ при сварке?
Роль защитного газа
При лазерной сварке защитный газ влияет на формирование шва, качество шва, глубину проплавления и ширину шва. В большинстве случаев подача защитного газа положительно сказывается на сварном соединении, однако она может также оказывать негативное воздействие.
Положительные эффекты
1) Правильно подаваемый защитный газ эффективно защищает сварочную ванну, снижая или даже предотвращая окисление.
2) Правильно подаваемый защитный газ эффективно снижает разбрызгивание металла при сварке.
3) Правильно подаваемый защитный газ способствует равномерному растеканию сварочной ванны при затвердевании, обеспечивая однородный и эстетически привлекательный шов.
4) Правильно подаваемый защитный газ эффективно снижает экранирующее воздействие паровых выбросов металла или плазменных облаков на лазерный луч, повышая эффективную степень использования лазера.
5) Правильно подаваемый защитный газ эффективно снижает пористость шва.
При правильном выборе типа газа, расхода газа и метода его подачи можно достичь идеальных результатов.
Однако неправильное использование защитного газа также может негативно повлиять на процесс сварки.
1) Неправильное применение защитного газа может ухудшить качество сварного шва:
① Выбор неподходящего типа газа может привести к образованию трещин в сварном шве и снижению его механических свойств;
② Выбор неподходящей скорости подачи газа может вызвать более интенсивное окисление сварного шва (как при слишком высокой, так и при слишком низкой скорости подачи), а также существенно нарушить стабильность сварочной ванны, что приведёт к провалу шва или его неравномерному формированию;
③ Выбор неподходящего способа подачи газа может привести к неэффективной или даже полностью отсутствующей защите, а также негативно повлиять на формирование сварного шва;
2) Применение защитного газа может влиять на глубину проплавления, особенно при сварке тонколистовых материалов, снижая глубину проплавления.
Типы защитных газов
Наиболее часто используемые защитные газы для лазерной сварки — это азот (N₂), аргон (Ar) и гелий (He). Их физико-химические свойства различны, поэтому их влияние на сварной шов также отличается.
Азот (N2)
Самый дешевый, но непригодный для сварки некоторых марок нержавеющей стали. Азот (N2) обладает умеренной энергией ионизации — выше, чем у аргона, но ниже, чем у гелия. Под воздействием лазерного излучения степень его ионизации, как правило, невысока, что эффективно снижает образование плазменного облака и, следовательно, повышает коэффициент полезного использования лазера. Однако при определённых температурах азот может вступать в химическую реакцию с алюминиевыми сплавами и углеродистой сталью с образованием нитридов. Это повышает хрупкость сварного шва и снижает его вязкость, оказывая существенное негативное влияние на механические свойства сварного соединения. Поэтому азот не рекомендуется в качестве защитного газа при сварке алюминиевых сплавов и углеродистой стали.
С другой стороны, нитриды, образующиеся в результате химической реакции азота с нержавеющей сталью, могут повысить прочность сварного соединения и улучшить его механические свойства. Следовательно, азот может использоваться в качестве защитного газа при сварке нержавеющей стали.
Аргон (Ar)
относительно недорогой, обладает высокой плотностью и обеспечивает хорошую защиту. Поверхность сварного шва получается более гладкой по сравнению с использованием гелия. Однако он легко ионизируется высокотемпературной металлической плазмой, что может экранировать часть лазерного луча, препятствуя его попаданию на заготовку, снижая эффективную мощность сварки и затрудняя достижение высокой скорости сварки и глубины проплавления. Ar (Ar) обладает самой низкой энергией ионизации, однако степень его ионизации под действием лазерного излучения относительно высока, что затрудняет контроль над формированием плазменных облаков и оказывает определённое влияние на коэффициент эффективного использования лазера. В то же время аргон обладает очень низкой химической активностью и практически не вступает в химические реакции с распространёнными металлами. Кроме того, аргон является недорогим газом. Также аргон имеет высокую плотность, что способствует его оседанию над сварочной ванной и обеспечивает более надёжную защиту сварочной ванны. Поэтому его можно использовать в качестве стандартного защитного газа.
Гелий (He)
Это более дорогостоящий вариант, однако он обеспечивает наилучший эффект: лазер проходит непосредственно через газ без каких-либо препятствий к поверхности обрабатываемой детали. Гелий обладает самой высокой энергией ионизации, однако степень его ионизации под воздействием лазера крайне мала, что позволяет эффективно контролировать образование плазменных облаков. Лазерное излучение хорошо взаимодействует с металлами, а гелий характеризуется очень низкой химической активностью и практически не вступает в химические реакции с металлами. Это превосходный защитный газ для сварки. Однако гелий слишком дорог, поэтому его, как правило, не используют в массовом производстве. Обычно его применяют в научных исследованиях или при изготовлении высокотехнологичной продукции с высокой добавленной стоимостью.
Способы подачи защитного газа
В настоящее время существует два основных способа подачи защитных газов: первый — боковая подача защитного газа вне оси... Параллельная боковая подача защитного газа
Другой тип — коаксиальная подача защитного газа.
Коаксиальная подача защитного газа
Выбор между двумя указанными способами подачи зависит от совокупности факторов, однако в целом предпочтительнее использовать боковую подачу защитного газа.
Принципы выбора методов подачи защитного газа
Во-первых, важно уточнить, что термин «окисление сварного шва» является разговорным выражением. Теоретически он обозначает химическую реакцию между сварным швом и вредными компонентами воздуха, приводящую к ухудшению качества сварного соединения. Типичными примерами являются реакции металла шва с кислородом, азотом и водородом, присутствующими в воздухе, при определённых температурах.
Предотвращение окисления сварного шва заключается в снижении или исключении контакта этих вредных компонентов с металлом шва при высоких температурах. Под высокой температурой понимается не только температура расплавленной ванны, но и весь период от момента плавления металла шва до его затвердевания и снижения температуры ниже определённого уровня.
Например, при сварке титановых сплавов водород интенсивно поглощается выше 300 °°C, кислород — выше 450 °°C, а азот — выше 600 °C. Таким образом, сварные швы из титановых сплавов требуют эффективной защиты после затвердевания и в течение периода, когда температура снижается ниже 300 °°C; в противном случае они будут «окислены».
Как следует из приведённого выше описания, подаваемый защитный газ должен не только своевременно защищать сварочную ванну, но и только что затвердевшую зону. Поэтому, как правило, применяется метод боковой подачи защитного газа с отклонением от оси, показанный на рисунке 1, поскольку он обеспечивает более широкую зону защиты по сравнению с коаксиальным методом защиты, показанным на рисунке 2, особенно лучше защищая только что затвердевшую зону сварного шва.
Для инженерных применений боковая подача защитного газа с отклонением от оси не подходит для всех изделий. Для некоторых специфических изделий допустимо использовать только коаксиальную подачу защитного газа. Выбор метода должен быть адаптирован к конструкции изделия и типу соединения.
Выбор конкретного метода подачи защитного газа
1) Прямые швы
Как показано на рисунке 3, форма сварного шва изделия прямолинейна. Тип соединения может быть стыковым, нахлёсточным, угловым или наложенным швом. Для данного типа изделий предпочтительным является метод боковой подачи защитного газа с отклонением от оси, показанный на предпочтителен.
2) Плоские замкнутые сварные швы
Форма сварного шва изделия представляет собой замкнутый контур, например, плоскую окружность, плоский многоугольник или плоскую ломаную линию из нескольких отрезков. Тип соединения может быть стыковым, нахлёсточным или наложенным швом. Для данного типа изделий предпочтительной является коаксиальная подача защитного газа.
Плоский замкнутый сварной шов
Выбор защитного газа напрямую влияет на качество, эффективность и стоимость сварочного производства. Однако из-за разнообразия сварочных материалов выбор сварочного газа в реальных условиях сварки является весьма сложной задачей. Необходимо комплексно учитывать тип сварочного материала, метод сварки, положение шва при сварке и требуемый результат сварки. Только путём проведения сварочных испытаний можно подобрать более подходящий сварочный газ для достижения лучших результатов сварки.
