Причините и методи за контрол на газовите пори в шевовете от лазерно заваряване

I. Въведение

Лазерното заваряване предлага предимства като висока плътност на енергията, малка топлинно засегната зона, добра формация на заварката и ниска деформация. То се използва широко в производството на ламарини, потребителска електроника, производство на батерии, медицински устройства и автомобилната индустрия. В практически приложения обаче често възникват дефекти под формата на пори вътре или на повърхността на заварките поради комбинирания ефект от материали, оборудване и технологични фактори. Тези дефекти негативно влияят на якостта, плътността и външния вид на заварката. Поради това е необходимо да се анализират механизмите на образуване на порите и да се предложат ефективни мерки за контрол, за да се подобри стабилността на заваряването и качеството на продукта.

II. Основни причини за образуване на пори при заваряване

Порите при заваряване обикновено се причиняват от уловен газ, преципитация на разтворен газ или изпарение на материал. Основните причини включват:

1. Замърсяване на повърхността на материалите

Когато повърхностите за заваряване съдържат масло, влага, ръжда или покрития, те се разграждат при високи температури и генерират газове, които навлизат в разтопения басейн. Например:

Замърсяване с масло → генерира въглеводородни газове

Влага → генерира H₂ и O₂

Покрития → се разграждат на органични или неорганични газове

Ако разтопеният басейн се затвърди бързо, тези газове не могат да излязат навреме и образуват пори.

2. Високо съдържание на газове в материали

Определени материали съдържат по-високи количества водород, кислород, азот или включвания, които могат да се изделват и образуват мехурчета по време на стопяване. Например:

Алуминиевите сплави са чувствителни към водород

Челените са чувствителни към кислород

Медните сплави са чувствителни към азот

Ако времето на разтопената вана е недостатъчно или охлаждането е твърде бързо, газовете остават затворени и образуват пори.

3. Недостатъчен или нестабилен лазерен енергиен вход

Ако плътността на енергията е недостатъчна, разтопената вана става плитка с лоша текучест, което затруднява излизането на газовете. Колебанията в енергията също могат да предизвикат непостоянно запечатване на разтопената вана, водещо до улавяне на мехурчета.

Честите прояви включват:

Колебания в лазерната мощност

Отклонение на фокуса, довеждащо до намалена плътност на мощността

Твърде висока скорост на заваряване, причиняваща непълно проникване

4. Неправилно покритие с защитен газ

Недостатъчна защита или неправилна посока на защитния газ позволява на въздуха да навлезе в разтопената вана и да предизвикае газови реакции. Твърде висок дебит на газа може да предизвикае турбулентност или улавяне на въздух.

Чести проблеми включват:

Твърде висок дебит на аргона, причиняващ образуването на вихри

Неправилно подаване на газ, водещо до непълно защитаване

Замърсяване на соплото, предизвикващо нарушени потоци

5. Несъответствие между добавъчния материал и основния метал

При заваряване с добавъчен проводник, ако съставът на проводника, съдържанието на газ или чистотата са лоши, могат да бъдат въведени допълнителни газове или включвания.

Примери включват:

Влажна или хигроскопична заваръчна жица

Лоши условия за съхранение

Недостатъчно почистване на жицата

III. Основни рискове от порестост при заварките

Дефектите от порестост повлияват върху качеството на продукта главно чрез:

Намалена якост на заварката и живот при умора

Намалена пломбировъчна и бариерна производителност

Влошено качество на външния вид

Намалена надеждност при критични приложения

Индустрии като корпуси за батерии, медицински устройства и плътни срещу газове конструкции може напълно да отхвърлят продукти поради дефекти от порестост.

IV. Методи за контрол на дефектите от порестост при заварката

За подобряване на качеството на лазерната заварка, оптимизацията трябва да се извърши по отношение на материали, оборудване, процеси и околната среда.

1. Прилагане на подходяща предварителна обработка на повърхността

Почистването на заваръчната повърхност значително намалява риска от порестост. Често използвани методи включват:

Механично почистване (шлифоване, четкане)

Почистване с разтворители (алкохол, ацетон)

Лазерно почистване (подходящо за масово производство)

Сушене и дехумидификация (особено за алуминиеви сплави)

Ключови зони включват зоната на заварката и вътрешните контактни повърхности на наслагваните връзки.

2. Контрол на качеството на материала и условията за съхранение

Въз основа на характеристиките на абсорбция на газове от материала:

Алуминиевите сплави трябва да се пазят сухи, за да се предотврати абсорбцията на влага

Медните части трябва да бъдат защитени от окисляване чрез газ или покритие

Челюгът трябва да избягва сериозна корозия и замърсявания

При заваряване с пълнежна жица, жицата трябва да остане суха и чиста.

3. Оптимизиране на параметрите на лазерната енергия

Правилното съпоставяне на процеса е от решаващо значение за отвеждане на газовете. Посоки за оптимизация включват:

Увеличаване на плътността на мощността → подобрява проникването и течливостта

Намаляване на скоростта на заваряване → увеличава времето на отваряне на разтопената вана

Регулиране на фокусното положение → повишава стабилността на разтопената вана

Стабилизиране на лазерния изход → избягва колебания на енергията

При заваряване с дълбоко проникване, отрицателният дефокус може да подобри проникването и поведението на течността.

4. Подобряване на системите за защитен газ

Оптимизацията на защитния газ включва:

Избор на подходящи газове (напр. аргон при заваряване на алуминий)

Контрол на подходящи скорости на потока (избягване на турбулентност)

Оптимизиране на ъгъла на соплото и разстоянието до детайла

Увеличаване на обхвата на защитата, за да се предотврати улавянето на въздух

При заваряване на алуминий често се използва двойна газова защита или затворена среда, за да се намали порестостта.

5. Оптимизиране на конструкцията на съединението и конфигурацията на заварката

Конструкцията на съединението влияе на поведението на газообразуването:

Предпочитайте съединения тип срещу срещу вместо припокриващи съединения, когато е възможно

Осигурете пътища за отвеждане на газовете при припокриващи съединения, ако те са неизбежни

Избягвайте затворени конструкции, които задържат газове по време на бързо охлаждане

Правилната структурна конструкция намалява напрежението и подобрява ефективността на отделянето на газовете.

V. Заключение

Порьозността при лазерно заваряване е типичен дефект, възникващ от съвместното влияние на материали, процеси и околните условия. Механизмът на образуване е силно свързан с множество фактори. Чрез подобряване на чистотата на материалите, оптимизиране на параметрите на лазера и защитния газ и използване на подходящи конструкции на съединенията, качеството и производителността на заваръчния шев могат значително да се подобрят. В производствени условия интегрирането на онлайн мониторинг и системи за затворен контур на контрол на качеството допълнително може да стабилизира качеството на заваряването и да подпомогне по-широкото промишлено внедряване на технологията за лазерно заваряване.