Výber ochranného plynu pri laserovom zváraní
Stretnuli ste sa už s varením chybami, ako je nadmerný rozstrek, nepekný tvar zvaru a množstvo pórov po zváraní? Hoci sa môžete pýtať, či je to spôsobené nesprávnym nastavením parametrov laserového zváracieho procesu, vedomí ste si, že správne použitie ochranného plynu je tiež kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim tvar zvaru a jeho výkon? Výber optimálneho ochranného plynu je vlastne spôsob, ako zlepšiť kvalitu a efektivitu zvárania.
Keďže ochranný plyn je tak dôležitý, akú presne má funkciu? Ako si máte vybrať druh ochranného plynu? Ako sa má ochranný plyn privádzať počas zvárania?
Úloha ochranného plynu
Pri laserovom zváraní ochranný plyn ovplyvňuje tvorbu zvaru, kvalitu zvaru, hĺbku prieniku zvaru a šírku zvaru. V väčšine prípadov má privádzanie ochranného plynu pozitívny vplyv na zvar, avšak môže mať aj negatívne účinky.
Pozitívne účinky
1) Správne privádzaný ochranný plyn účinne chráni zvarovú lázňu a zníži alebo dokonca zabráni oxidácii.
2) Správne privádzaný ochranný plyn účinne zníži rozstrekovanie počas zvárania.
3) Správne privádzaný ochranný plyn podporuje rovnomerné rozšírenie zvarovej lázně počas tuhnutia, čím vznikne rovnomerný a esteticky príjemný zvar.
4) Správne privádzaný ochranný plyn účinne zníži stínivý účinok parných oblakov kovu alebo plazmových mrakov na laser, čím sa zvýši efektívna miera využitia laseru.
5) Správne privádzaný ochranný plyn účinne zníži pórovitosť zvaru.
Ak sú správne vybrané druh plynu, prietok plynu a spôsob jeho privádzania, možno dosiahnuť ideálne výsledky.
Nesprávne použitie ochranného plynu však môže mať na zváranie tiež negatívny vplyv.
1) Nesprávne použitie ochranného plynu môže zhoršiť zvar:
① Výber nesprávneho typu plynu môže spôsobiť trhliny v zvare a znížiť mechanické vlastnosti zvaru;
② Výber nesprávneho prietoku plynu môže viesť k závažnejšej oxidácii zvaru (bez ohľadu na to, či je prietok príliš vysoký alebo príliš nízky), a môže tiež spôsobiť vážne rušenie zvarovej lázně, čo má za následok kolaps zvaru alebo nerovnomerné tvorenie zvaru;
③ Výber nesprávnej metódy aplikácie plynu môže viesť k neúčinnému alebo dokonca úplne neexistujúcemu ochráneniu, alebo negatívne ovplyvniť tvorenie zvaru;
2) Aplikácia ochranného plynu môže ovplyvniť hĺbku zvarenia, najmä pri zváraní tenkých plechov, čím sa zníži hĺbka zvarenia.
Typy ochranných plynov
Bežne používané ochranné plyny pre laserové zváranie zahŕňajú N₂, Ar a He. Ich fyzikálno-chemické vlastnosti sa líšia a preto sa tiež líšia ich účinky na zvar.
Dusík (N2)
Najlacnejší, ale nevhodný na zváranie určitých nízkolegovaných ocelí. Dusík (N2) má strednú ionizačnú energiu, vyššiu ako argón, ale nižšiu ako hélium. Pri laserovom ožiarení je jeho stupeň ionizácie všeobecne nízky, čo účinne zníži tvorbu plazmového mraku a tým zvýši efektívnu využiteľnosť laseru. Dusík sa však pri určitých teplotách môže chemicky reagovať s hliníkovými zliatinami a uhlíkovou oceľou za vzniku nitridov. To zvyšuje krehkosť zvaru a znižuje jeho húževnatosť, čím výrazne negatívne ovplyvňuje mechanické vlastnosti zvarového spoja. Preto sa dusík nedporúča ako ochranný plyn pri zváraní hliníkových zliatin a uhlíkovej ocele.
Na druhej strane nitridy vznikajúce chemickou reakciou dusíka so špeciálnymi oceľami môžu zvýšiť pevnosť zvarového spoja a tým zlepšiť jeho mechanické vlastnosti. Preto sa dusík môže použiť ako ochranný plyn pri zváraní špeciálnych ocelí.
Argon (Ar)
je relatívne lacný, má vysokú hustotu a poskytuje dobrú ochranu. Zváracia plocha je hladšia ako pri použití hélia. Avšak je ľahko ionizovaný vysokoteplotným kovovým plazmou, čo môže čiastočne zakryť laserový lúč pred dosiahnutím obrobku, čím sa zníži efektívna zváracia výkon a spomali sa rýchlosť zvárania a hĺbka prieniku. Ar (argón) má najnižšiu energiu ionizácie, avšak jeho stupeň ionizácie je pri ožiarení laserom relatívne vysoký, čo nie je výhodné pre kontrolu tvorby plazmových oblakov a určitým spôsobom ovplyvní efektívnu mieru využitia laseru. Argón však má veľmi nízku reaktivitu a ťažko sa chemicky reaguje s bežnými kovmi. Okrem toho je argón lacný. Navyše má argón vysokú hustotu, čo uspĺňa jeho usadzovanie nad zváracou kalichou a poskytuje tak lepšiu ochranu zváracej kalichy. Preto ho možno použiť ako bežný ochranný plyn.
Hélium (He)
Je drahší, ale má najlepší účinok, pretože umožňuje laseru prejsť priamo bez prekážok na povrch obrobku. Má najvyššiu ionizačnú energiu, avšak jeho stupeň ionizácie je pri laserovom ožiarení veľmi nízky, čo umožňuje účinne kontrolovať vznik plazmových oblakov. Laser môže účinne pôsobiť na kovoch a hélium má veľmi nízku reaktivitu, takže sa v podstate chemicky nereaguje s kovmi. Je to vynikajúci ochranný plyn pre zváranie. Hélium je však príliš drahé a preto sa zvyčajne nepoužíva pri sériovej výrobe. Zvyčajne sa používa vedeckým výskumom alebo pri výrobe výrobkov s vysokou pridanou hodnotou.
Spôsoby privádzania ochranného plynu
V súčasnosti existujú dva hlavné spôsoby privádzania ochranných plynov: jeden je bočné prívodné odfukovanie ochranného plynu mimo osi... paralelné bočné odfukovanie ochranného plynu
Druhý typ je koaxiálne privádzanie ochranného plynu.
Koaxiálne ochranné plynové prívody
Voľba medzi týmito dvoma spôsobmi odfukovania závisí od kombinácie viacerých faktorov, avšak vo všeobecnosti sa odporúča bočné odfukovanie ochranného plynu.
Zásady výberu metód fúkania ochranného plynu
Najprv je dôležité upresniť, že pojem „oxidácia zvaru“ je hovorový výraz. Teoreticky sa vzťahuje na chemickú reakciu medzi zvarom a škodlivými zložkami v ovzduší, čo vedie k zhoršeniu kvality zvaru. Medzi bežné príklady patria reakcie zváraného kovu s kyslíkom, dusíkom a vodíkom v ovzduší pri určitých teplotách.
Predchádzanie oxidácii zvaru zahŕňa zníženie alebo vyhnutie sa kontaktu týchto škodlivých zložiek so zváraným kovom pri vysokých teplotách. Táto vysoká teplota sa vzťahuje nielen na kov v tavenom bazéne, ale aj na celé obdobie od okamihu, keď sa zváraný kov roztaví, až po jeho zatuhnutie a pokles teploty pod určitú hranicu.
Napríklad pri zváraní zliatin titánu sa vodík rýchlo absorbuje nad 300 °°C, kyslík nad 450 °°C a dusík nad 600 °C. Preto zvárané švy z titanových zliatin vyžadujú účinnú ochranu po zatuhnutí a počas obdobia, keď teplota klesne pod 300 °°C; v opačnom prípade dôjde k ich „oxidácii“.
Ako vyššie uvedený popis objasňuje, ochranný plyn privádzaný do zóny zvárania musí nielen včas chrániť zvarovú lázň, ale aj novovzniknutú zatuhnutú oblasť. Preto sa všeobecne používa metóda bočného privádzania ochranného plynu mimo osi, znázornená na obrázku 1, pretože ponúka širší rozsah ochrany v porovnaní s koaxiálnou ochrannou metódou znázornenou na obrázku 2, najmä lepšiu ochranu novovzniknutej zatuhnutej zvarovej oblasti.
Pre inžinierske aplikácie metóda bočného privádzania ochranného plynu mimo osi nie je vhodná pre všetky výrobky. Pre určité špecifické výrobky je možné použiť len koaxiálne privádzanie ochranného plynu. Výber musí byť prispôsobený štruktúre výrobku a typu spoja.
Výber konkrétnej metódy privádzania ochranného plynu
1) Priame zvary
Ako je znázornené na obrázku 3, tvar zváraného švu výrobku je priamkový. Typ spoja môže byť prímočiary spoj, prekryvný spoj, rohový spoj alebo prekryvný zvárací šev. Pre tento typ výrobku sa uprednostňuje metóda ochranného plynu s bočným prúdením mimo osi, znázornená na je uprednostňovaná.
2) Rovinné uzavreté tvarové zvárané švy
Tvar zváraného švu výrobku je uzavretý tvar, napríklad rovinná kružnica, rovinný mnohouholník alebo rovinná viacosegmentová čiara. Typ spoja môže byť prímočiary spoj, prekryvný spoj alebo prekryvný zvárací spoj. Pre tento typ výrobku sa uprednostňuje koaxiálny ochranný plyn.
Rovinný uzavretý tvarový zvárací šev
Výber ochranného plynu priamo ovplyvňuje kvalitu, účinnosť a náklady na zváranie. Avšak vzhľadom na rozmanitosť zváracích materiálov je výber zváracieho plynu v praxi pomerne zložitý. Je potrebné komplexne zohľadniť zvárací materiál, metódu zvárania, polohu zvárania a požadovaný zvárací efekt. Až prostredníctvom zváracích skúšok je možné vybrať vhodnejší zvárací plyn, aby sa dosiahli lepšie zváracie výsledky.
