Izbira zaščitnega plina pri laserskem varjenju
Ali ste pri opažanju varilnih napak, kot so prekomerna razpršenost, neprivlačna oblika varilnega šava in številne pore po varjenju, že pomislili, da je vzrok morda napačna nastavitev parametrov laserskega varjenja? Ali ste si zavedni, da je pravilna uporaba zaščitnega plina tudi ključnega pomena za obliko in lastnosti varilnega šava? Izbira optimalnega zaščitnega plina je dejansko način izboljšanja kakovosti in učinkovitosti varjenja.
Ker je zaščitni plin tako pomemben, kakšna je njegova natančna funkcija? Kako izbrati ustrezno vrsto zaščitnega plina? Kako naj se zaščitni plin dovaja med varjenjem?
Vloga zaščitnega plina
Pri laserskem varjenju zaščitni plin vpliva na oblikovanje varilnega šava, kakovost varilnega šava, globino varjenja in širino varilnega šava. V večini primerov ima dovajanje zaščitnega plina pozitiven učinek na varilni šav, lahko pa ima tudi negativne učinke.
Pozitivni učinki
1) Ustrezno vnesen zaščitni plin učinkovito zaščiti varilno kopico in zmanjša ali celo prepreči oksidacijo.
2) Ustrezno vnesen zaščitni plin učinkovito zmanjša razprševanje med varjenjem.
3) Ustrezno vnesen zaščitni plin spodbuja enakomerno raztekanje varilne kopice med strjevanjem, kar povzroči enakomeren in estetsko privlačen varilni šav.
4) Ustrezno vnesen zaščitni plin učinkovito zmanjša zaščitni učinek plinastih para ali plazemskih oblakov kovin na laser, kar poveča učinkovitost uporabe lasera.
5) Ustrezno vnesen zaščitni plin učinkovito zmanjša poroznost varilnega šava.
Če so izbrani ustrezna vrsta plina, pretok plina in način vnosa, je mogoče doseči idealne rezultate.
Vendar nepravilna uporaba zaščitnega plina lahko negativno vpliva tudi na varjenje.
1) Nepravilna uporaba zaščitnega plina lahko poslabša zvar:
① Izbira napačne vrste plina lahko povzroči razpoke v zvaru in zmanjša mehanske lastnosti zvara;
② Izbira napačne prostorninske hitrosti pretoka plina lahko povzroči hujšo oksidacijo zvara (bilo da je pretok previsok ali prenizek) ter lahko močno moti taljeni bazen, kar vodi do zrušitve zvara ali neravnomerne oblikovanja;
③ Izbira napačne metode podajanja plina lahko povzroči neučinkovito ali celo popolnoma odsotno zaščito ter negativno vpliva na oblikovanje zvara;
2) Uporaba zaščitnega plina lahko vpliva na globino zvare, še posebej pri varjenju tankih plošč, kar zmanjšuje globino zvare.
Vrste zaščitnih plinov
Pogosto uporabljani zaščitni plini za lasersko varjenje so dušik (N₂), argon (Ar) in helij (He). Njihove fizikalno-kemijske lastnosti se razlikujejo, zato se razlikuje tudi njihov vpliv na zvar.
Dušik (N2)
Najcenejši, a neprimeren za varjenje določenih nerjavnih jekel. Dušik (N2) ima zmerno ionizacijsko energijo, višjo kot argon, a nižjo kot helij. Pod laserskim sevanjem je njegova stopnja ionizacije na splošno nizka, kar učinkovito zmanjšuje nastajanje plazemskega oblaka in s tem povečuje učinkovitost uporabe lasera. Dušik pa lahko pri določenih temperaturah kemično reagira z aluminijevimi zlitinami in ogljikovim jeklom ter tvori nitride. To poveča krhkost varilnega šva in zmanjša njegovo žilavost, kar negativno vpliva na mehanske lastnosti varjenega spoja. Zato dušika ne priporočamo kot zaščitni plin za varjenje aluminijevih zlitin in ogljikovega jekla.
Po drugi strani nitridi, ki nastanejo pri kemični reakciji dušika z nerjavnim jeklom, lahko povečajo trdnost varilnega spoja in izboljšajo njegove mehanske lastnosti. Zato je dušik mogoče uporabiti kot zaščitni plin pri varjenju nerjavnega jekla.
Argon (Ar)
je relativno poceni, ima visoko gostoto in zagotavlja dobro zaščito. Varilna površina je gladka kot pri uporabi helija. Vendar se zelo enostavno ionizira v prisotnosti visoko temperaturne kovinske plazme, kar lahko deloma zasloni laserski žarek pred dosego obdelovanega dela, zmanjša učinkovito varilno moč ter ovira hitrost varjenja in prodornost. Ar (argon) ima najnižjo energijo ionizacije, vendar je njegova stopnja ionizacije pod laserskim sevanjem relativno visoka, kar ni ugodno za nadzor nastajanja plazemskih oblakov in določen vpliv ima tudi na učinkovitost uporabe lasera. Argon pa je zelo malo reaktiven in se težko kemično veže z običajnimi kovinami. Poleg tega je argon poceni. Prav tako ima argon visoko gostoto, kar omogoča, da se nad varilnim bazenom usede, kar zagotavlja boljšo zaščito varilnega bazena. Zato se lahko uporablja kot običajen zaščitni plin.
Helij (He)
Je dražji, vendar ima najboljši učinek, saj omogoča neposreden prehod laserskega žarka do površine obdelovanega materiala brez ovir. Ima najvišjo ionizacijsko energijo, vendar je njegova ionizacijska stopnja pod laserskim sevanjem zelo nizka, kar učinkovito nadzoruje nastajanje plazemskih oblakov. Laser na kovine deluje izjemno dobro, helij pa ima zelo nizko reaktivnost in praktično ne reagira kemično s kovinami. Je odličen zaščitni plin za varjenje. Vendar je helij predragega, zato se običajno ne uporablja pri serijski proizvodnji. Uporablja se predvsem za znanstveno raziskovanje ali izdelavo visokovrednostnih izdelkov.
Načini dovajanja zaščitnega plina
Trenutno obstajata dva glavna načina vnašanja zaščitnih plinov: prvi je stransko izpuščanje zaščitnega plina izven osi… vzporedno stransko izpuščanje zaščitnega plina
Drugi način je koaksialno izpuščanje zaščitnega plina.
Koaksialni zaščitni plin
Izbira med obema načinoma izpuščanja je odvisna od kombinacije več dejavnikov, vendar se običajno priporoča stransko izpuščanje zaščitnega plina.
Načela izbire metod pihanja zaščitnega plina
Najprej je pomembno pojasniti, da je izraz »oksidacija varilnega šva« pogovorni izraz. Teoretično se nanaša na kemijsko reakcijo med varilnim švom in škodljivimi sestavinami zraka, kar vodi do poslabšanja kakovosti varilnega šva. Pogosti primeri vključujejo reakcijo varilnega kovinskega materiala z vodikom, dušikom in kisikom v zraku pri določenih temperaturah.
Preprečevanje oksidacije varilnega šva vključuje zmanjševanje ali izogibanje stiku teh škodljivih sestavin z varilnim kovinskim materialom pri visokih temperaturah. Ta visoka temperatura se nanaša ne le na kovino taljenega bazena, temveč tudi na celoten čas od taljenja varilnega kovinskega materiala do njegovega strjevanja in padca temperature pod določeno mejo.
Na primer pri varjenju titanovih zlitin se vodik hitro absorbira nad 300 °°C, kisik nad 450 °°C in dušik nad 600 °C. Zato za varjenje titanovih zlitin potrebujejo učinkovito zaščito po strjevanju in v obdobju, ko se temperatura zniža pod 300 °°C; sicer bodo »oksidirali«.
Kot razlagajo zgornji opisi, zaščitni plin, ki se izpušča v stran, ne sme varno zaščititi le taljene varilne kopice, temveč tudi novo strjeno območje. Zato se na splošno uporablja metoda stranskega izpuščanja zaščitnega plina izven osi, prikazana na sliki 1, saj ponuja širši obseg zaščite kot koaksialna zaščitna metoda, prikazana na sliki 2, zlasti pa zagotavlja boljšo zaščito novega strjenega varilnega območja.
Za inženirske aplikacije metoda stranskega izpuščanja zaščitnega plina izven osi ni primerna za vse izdelke. Za določene posebne izdelke je mogoče uporabiti le koaksialni zaščitni plin. Izbira mora biti prilagojena konstrukciji izdelka in vrsti spoja.
Izbira posebne metode izpuščanja zaščitnega plina
1) Ravninski varovi
Kot je prikazano na sliki 3, je oblika varilnega šiva izdelka ravna. Vrsta spoja lahko predstavlja spoj z ravno površino (butt joint), prekrivni spoj (lap joint), kotni spoj (corner joint) ali prekrivni varilni spoj (overlapping weld). Za ta tip izdelka se prednostno uporablja metoda zaščitnega plina z bočnim piščanjem izven osi, prikazana v je prednostna.
2) Ravninski zaprti varilni šivi
Oblika varilnega šiva izdelka je zaprta oblika, kot so ravninski krog, ravninski mnogokotnik ali ravninska večsegmentna črta. Vrsta spoja lahko predstavlja spoj z ravno površino (butt joint), prekrivni spoj (lap joint) ali prekrivni varilni spoj (overlap weld joint). Za ta tip izdelka se prednostno uporablja koaksialni zaščitni plin.
Ravninski zaprti varilni šiv
Izbira zaščitnega plina neposredno vpliva na kakovost, učinkovitost in stroške varilne proizvodnje. Zaradi raznovrstnosti varilnih materialov je izbira varilnega plina pri dejanskih varilnih postopkih zelo zapletena. Potrebno je celovito upoštevati varilni material, varilno metodo, varilni položaj in zahtevan učinek varjenja. Le s preizkušanjem varjenja je mogoče izbrati bolj primerno varilno plin za doseganje boljših varilnih rezultatov.
