Příčiny a metody kontroly plynových pórů v svarových spojích laserového svařování

I. Úvod

Laserové svařování nabízí výhody, jako je vysoká hustota energie, malá tepelně ovlivněná zóna, kvalitní tvorba sváru a nízká deformace. Je široce využíváno při výrobě plechových dílů, ve spotřební elektronice, výrobě baterií, lékařských přístrojích a automobilovém průmyslu. V praxi se však při svařování často objevují pórůvky uvnitř nebo na povrchu svárů, a to v důsledku kombinovaného působení materiálových, zařízenových a procesních faktorů. Tyto vady negativně ovlivňují pevnost, těsnost a kvalitu vzhledu svárů. Je proto nezbytné analyzovat mechanismy vzniku pórovitosti a navrhnout účinná opatření ke kontrole za účelem zlepšení stability svařování a kvality výrobků.

II. Hlavní příčiny pórů ve svarech

Pórovitost při svařování je obvykle způsobena uzavřeným plynem, vyloučením rozpuštěného plynu nebo odpařováním materiálu. Mezi hlavní příčiny patří:

1. Kontaminace povrchu materiálů

Když mají svařované plochy olej, vlhkost, rez nebo povlaky, rozkládají se tyto látky při vysokých teplotách a vytvářejí plyny, které pronikají do taveniny. Například:

Znečištění olejem → vytváří uhlovodíkové plyny

Vlhkost → vytváří H₂ a O₂

Povlaky → se rozkládají na organické nebo anorganické plyny

Pokud tavenina rychle ztuhne, tyto plyny nestačí včas uniknout a vznikají póry.

2. Vysoký obsah plynu v materiálech

Některé materiály obsahují vyšší množství vodíku, kyslíku, dusíku nebo nečistot, které se mohou při tavení vylučovat a vytvářet bubliny. Například:

Hliníkové slitiny jsou citlivé na vodík

Oceli jsou citlivé na kyslík

Měděné slitiny jsou citlivé na dusík

Pokud je doba tavené lázně nedostatečná nebo ochlazování příliš rychlé, plyny zůstávají zachyceny a vytvářejí póry.

3. Nedostatečný nebo nestabilní přívod laserové energie

Pokud je hustota energie nedostatečná, tavená lázeň je mělká s špatnou tekutostí, což ztěžuje únik plynů. Kolísání energie může také způsobit nekonzistentní uzavírání tavené lázně, čímž dochází k zachycení bublin.

Běžné projevy zahrnují:

Kolísání výkonu laseru

Odchylka ohniska vedoucí ke snížení hustoty výkonu

Příliš vysoká rychlost svařování způsobující neúplné prorazení

4. Nesprávné pokrytí ochranným plynem

Nedostatečná ochrana nebo nesprávný směr proudění ochranného plynu umožňuje vstup vzduchu do tavené lázně a vznik plynových reakcí. Nadměrný tok plynu může způsobit turbulence nebo zanášení vzduchu.

Mezi běžné problémy patří:

Nadměrný tok argonu způsobující tvorbu víru

Nesprávné vedení plynu vedoucí k neúplnému krytí

Znečištění trysky způsobující narušené proudové pole

5. Nesoulad mezi přídavným materiálem a základním kovem

Při svařování přídavným drátem může být v případě špatného složení, obsahu plynu nebo nedostatečné čistoty přídavného drátu do svaru zavedeno další množství plynu nebo vměstků.

Příklady zahrnují:

Mokrý nebo hygroskopický svařovací drát

Špatné podmínky uchovávání

Nedostatečné čištění drátu

III. Hlavní nebezpečí pórů ve svarech

Póry ve svaru ovlivňují kvalitu výrobku především tím, že:

Snížená pevnost svaru a životnost při únavě

Zhoršené utěsnění a bariérové vlastnosti

Zhoršená kvalita vzhledu

Snížená spolehlivost v kritických aplikacích

Odvětví, jako jsou pouzdra baterií, lékařské přístroje a těsné konstrukce, mohou výrobky kvůli pórovitosti zcela odmítnout.

IV. Metody řízení defektů pórovitosti při svařování

Pro zlepšení kvality laserového svařování je nutné provést optimalizaci materiálů, zařízení, procesů a prostředí.

1. Zavedení vhodné předúpravy povrchu

Čištění svařovaného povrchu výrazně snižuje riziko pórovitosti. Běžné metody zahrnují:

Mechanické čištění (broušení, kartáčování)

Čištění rozpouštědly (alkohol, aceton)

Laserové čištění (vhodné pro sériovou výrobu)

Sušení a odvlhčování (zejména u hliníkových slitin)

Klíčové oblasti zahrnují svarovou zónu a vnitřní stykové plochy překryvných spojů.

2. Kontrola kvality materiálu a podmínek skladování

Na základě charakteristik pohlcování plynu materiálem:

Hliníkové slitiny je třeba udržovat suché, aby nedošlo k absorpci vlhkosti

Měděné díly je třeba chránit před oxidací pomocí plynu nebo povlaku

Ocel by měla být chráněna před silnou korozí a nečistotami

U svařování plnicím drátem musí zůstat drát suchý a čistý.

3. Optimalizace parametrů laserové energie

Správné nastavení procesu je rozhodující pro únik plynu. Směry optimalizace zahrnují:

Zvyšování hustoty výkonu → zlepšuje průnik a tekutost

Snížení rychlosti svařování → prodlužuje dobu otevření tavené lázně

Úprava polohy ohniska → zvyšuje stabilitu tavené lázně

Stabilizace výstupu laseru → zabrání kolísání energie

Při hlubokém svařování může negativní defokus zlepšit průnik a tok materiálu.

4. Zlepšení systémů ochranného plynu

Optimalizace ochranného plynu zahrnuje:

Výběr vhodných plynů (např. argon pro svařování hliníku)

Dodržování správného průtokového množství (vyhýbat se turbulencím)

Optimalizaci úhlu trysky a vzdálenosti od pracovního předmětu

Zvyšování ochranného krytí za účelem prevence zanášení vzduchu

U svařování hliníku se často používá dvojplynové nebo uzavřené krytí ke snížení pórovitosti.

5. Optimalizujte návrh spoje a konfiguraci svařování

Návrh spoje ovlivňuje chování unikajícího plynu:

Preferujte tyčné spoje před překrytými spoji, pokud je to možné

Zajistěte odvzdušňovací dráhy u překrytých spojů, pokud jsou nevyhnutelné

Vyhněte se uzavřeným strukturám, které plyn zachycují během rychlého chlazení

Správný konstrukční návrh snižuje napětí a zlepšuje účinnost unikání plynu.

V. Závěr

Pórovitost při laserovém svařování je typickým defektem, který vzniká působením materiálových, procesních a environmentálních podmínek. Mechanismus jejího vzniku je úzce spojen s mnoha faktory. Zlepšením čistoty materiálu, optimalizací parametrů laseru a ochranného plynu a použitím vhodného návrhu svarových spojů lze výrazně zlepšit kvalitu a vlastnosti svaru. V provozních prostředích může integrace online monitorování a uzavřených systémů řízení kvality dále stabilizovat kvalitu svařování a podpořit širší průmyslové uplatnění technologie laserového svařování.