Лазерна технологія

Чи зустрічали ви дефекти зварювання, такі як надмірне розбризкування, неприваблива форма шва та велика кількість пор після зварювання? Хоча ви, можливо, припускаєте, що це пов’язано з неправильними налаштуваннями параметрів процесу лазерного зварювання, чи знаєте ви, що правильне використання захисного газу також є важливим чинником, що впливає на форму шва та його експлуатаційні характеристики? Вибір оптимального захисного газу — це справді спосіб покращити якість і ефективність зварювання.

Оскільки захисний газ має таке велике значення, то яку саме функцію він виконує? Як правильно обрати тип захисного газу? Як слід подавати захисний газ під час зварювання?

Функція захисного газу

У лазерному зварюванні захисний газ впливає на формування шва, якість шва, глибину проплавлення та ширину шва. У більшості випадків подача захисного газу позитивно впливає на зварний шов, але може також мати негативні наслідки.

Позитивні ефекти

1) Правильно поданий захисний газ ефективно захищає зварну ванну, зменшуючи або навіть запобігаючи окисненню.

2) Правильно поданий захисний газ ефективно зменшує розбризкування під час зварювання.

3) Правильно поданий захисний газ сприяє рівномірному розтіканню зварної ванни під час кристалізації, забезпечуючи рівномірний і естетично привабливий шов.

4) Правильно поданий захисний газ ефективно зменшує екрануючий вплив парів металу або плазмових хмар на лазерний промінь, підвищуючи ефективний коефіцієнт використання лазера.

5) Правильно поданий захисний газ ефективно зменшує пористість зварного шва.

Якщо правильно підібрати тип газу, витрату газу та метод його подачі, можна досягти ідеальних результатів.

Однак неправильне використання захисного газу також може негативно вплинути на зварювання.

1) Неправильне застосування захисного газу може погіршити зварний шов:

① Вибір непідходящого типу газу може призвести до утворення тріщин у зварному шві та зниження його механічних властивостей;

② Вибір непідходящої швидкості подачі газу може спричинити більш інтенсивне окиснення зварного шву (як при надто високій, так і при надто низькій швидкості), а також суттєво порушити стабільність зварної ванны, що призведе до провалу або нерівномірного формування зварного шву;

③ Вибір непідходящого способу подачі газу може призвести до неефективного або навіть повністю відсутнього захисту, а також негативно вплинути на формування зварного шву;

2) Застосування захисного газу може впливати на глибину проплавлення зварного шву, особливо під час зварювання тонких листів, зменшуючи глибину проплавлення.

Типи захисних газів

Поширені гази, що використовуються для лазерного зварювання, — це азот (N₂), аргон (Ar) та гелій (He). Їх фізико-хімічні властивості відрізняються, а отже, різним є й їх вплив на зварний шов.

Азот (N2)

Найменш витратний, але непридатний для зварювання певних видів нержавіючої сталі. Азот (N2) має помірну енергію іонізації — вищу за аргон, але нижчу за гелій. Під впливом лазерного випромінювання ступінь його іонізації, як правило, низька, що ефективно зменшує утворення плазмового хмари й, відповідно, підвищує коефіцієнт корисного використання лазера. Однак азот може вступати в хімічну реакцію з алюмінієвими сплавами та вуглецевою сталью при певних температурах, утворюючи нітриди. Це збільшує крихкість зварного шва й знижує його в’язкість, суттєво погіршуючи механічні властивості зварного з’єднання. Тому азот не рекомендується використовувати як захисний газ при зварюванні алюмінієвих сплавів та вуглецевої сталі.

З іншого боку, нітриди, що утворюються внаслідок хімічної реакції азоту з нержавіючою сталью, можуть підвищити міцність зварного з’єднання й поліпшити його механічні властивості. Отже, азот може використовуватися як захисний газ при зварюванні нержавіючої сталі.

Аргон (Ar)

є відносно недорогим, має високу щільність і забезпечує хорошу захистну дію. Поверхня зварного шва є гладшою, ніж при використанні гелію. Однак він легко йонізується високотемпературною металевою плазмою, що може екранувати частину лазерного променя, перешкоджаючи його досягненню заготовки, зменшуючи ефективну потужність зварювання та ускладнюючи досягнення високої швидкості зварювання й глибини проплавлення. Аргон (Ar) має найнижчу енергію йонізації, але його ступінь йонізації під впливом лазерного випромінювання є відносно високою, що ускладнює контроль утворення плазмових хмар і певним чином впливає на коефіцієнт ефективного використання лазера. Проте аргон має дуже низьку хімічну активність і важко вступає в хімічні реакції з поширеними металами. Крім того, аргон є недорогим. Також аргон має високу щільність, що сприяє його осіданню над зварною ванною й забезпечує кращий захист зварної ванни. Тому його можна використовувати як звичайний захисний газ.

Гелій (He)

Він дорожчий, але забезпечує найкращий ефект, дозволяючи лазеру проходити безперешкодно до поверхні виробу. Гелій має найвищу енергію іонізації, проте його ступінь іонізації під впливом лазерного випромінювання дуже низька, що дозволяє ефективно контролювати утворення плазмових хмар. Лазер добре взаємодіє з металами, а гелій має дуже низьку реакційну здатність і практично не вступає в хімічну взаємодію з металами. Це чудовий захисний газ для зварювання. Однак гелій надто дорогий, тому його, як правило, не використовують у масовому виробництві. Зазвичай його застосовують у наукових дослідженнях або для виробництва високотехнологічних товарів з високою доданою вартістю.

Методи подачі захисного газу

Наразі існує два основні методи подачі захисних газів: перший — бічна подача захисного газу поза віссю… Паралельна бічна подача захисного газу

Інший тип — коаксіальна подача захисного газу.

Коаксіальна подача захисного газу

Вибір між цими двома методами подачі залежить від комплексу факторів, проте, як правило, рекомендується бічна подача захисного газу.

Принципи вибору методів подачі захисного газу

По-перше, важливо зазначити, що термін «окиснення шва» є розмовним виразом. Теоретично він означає хімічну реакцію між швом і шкідливими компонентами повітря, що призводить до погіршення якості зварного з’єднання. Поширені приклади включають реакцію зварного металу з киснем, азотом і воднем у повітрі при певних температурах.

Запобігання окисненню зварного шва полягає у зменшенні або уникненні контакту цих шкідливих компонентів із зварним металом при високих температурах. Під високою температурою розуміють не лише температуру розплавленої ванни, а й весь період від моменту плавлення зварного металу до його затвердіння та зниження температури нижче певного рівня.

Наприклад, під час зварювання титанових сплавів водень інтенсивно поглинається вище 300 °°C, кисень — вище 450 °°C, а азот — вище 600 °С. Отже, зварні шви з титанових сплавів потребують ефективного захисту після затвердіння й у період охолодження до температури нижче 300 °°С; в іншому разі вони «окислюються».

Як зазначено вище, захисний газ, що подається струменем, повинен не лише своєчасно захищати зварну ванну, а й недавно затверділу ділянку. Тому загалом застосовується метод бічного подавання захисного газу поза віссю, показаний на рисунку 1, оскільки він забезпечує ширший діапазон захисту порівняно з коаксіальним методом захисту, показаним на рисунку 2, особливо краще захищаючи недавно затверділу ділянку зварного шва.

У технічних застосуваннях бічне подавання захисного газу поза віссю не підходить для всіх виробів. Для певних спеціальних виробів можна використовувати лише коаксіальне подавання захисного газу. Вибір методу має бути адаптованим до конструкції виробу та типу з’єднання.

Вибір конкретного методу подавання захисного газу

1) Прямі зварні шви

Як показано на рисунку 3, форма зварного шва виробу є прямою. Тип з’єднання може бути стиковим, нахлестовим, кутовим або накладним зварним з’єднанням. Для цього типу виробів переважно використовувати метод бічного піддуву захисного газу з відхиленням від осі, показаний на наведено нижче.

2) Плоскі замкнені зварні шви

Форма зварного шва виробу є замкненою — наприклад, плоске коло, плоский багатокутник або плоска багатосегментна лінія. Тип з’єднання може бути стиковим, нахлестовим або накладним зварним з’єднанням. Для цього типу виробів переважно використовувати коаксіальний захисний газ.

Плоский замкнений зварний шов

Вибір захисного газу безпосередньо впливає на якість, ефективність та вартість зварювального виробництва. Однак через різноманітність зварювальних матеріалів вибір зварювального газу в реальному зварюванні є досить складним. Необхідно комплексно враховувати зварювальний матеріал, метод зварювання, положення зварювання та бажаний зварювальний ефект. Лише за допомогою зварювальних випробувань можна підібрати більш придатний зварювальний газ для досягнення кращих результатів зварювання.