Cauzele și metodele de control al porilor de gaz în cusăturile de sudură laser

I. Introducere

Sudarea cu laser oferă avantaje precum densitatea ridicată de energie, zona afectată termic redusă, formarea bună a cusăturii și distorsiuni scăzute. Este utilizată pe scară largă în prelucrarea tablelor, electronica de consum, fabricarea bateriilor, dispozitivele medicale și industria auto. Totuși, în aplicațiile practice de sudare, defectele de porozitate apar frecvent în interiorul sau pe suprafața cusăturilor din cauza efectelor combinate ale materialului, echipamentului și factorilor de proces. Aceste defecte afectează negativ rezistența, densitatea și calitatea aparenței cusăturii. Prin urmare, este necesar să se analizeze mecanismele formării porozității și să se propună măsuri eficiente de control pentru a îmbunătăți stabilitatea sudării și calitatea produsului.

II. Cauzele principale ale porozității la sudare

Porozitatea la sudare este provocată în mod obișnuit de gazul închis, precipitarea gazului dizolvat sau vaporizarea materialului. Principalele cauze includ:

1. Contaminarea suprafeței materialelor

Când suprafețele de sudură conțin ulei, umiditate, rugină sau acoperiri, acestea se descompun la temperaturi înalte și generează gaze care pătrund în baia de metal topit. De exemplu:

Contaminarea cu ulei → generează gaze hidrocarburi

Umiditatea → generează H₂ și O₂

Acoperirile → se descompun în gaze organice sau anorganice

Dacă baia de metal topit se solidifică rapid, aceste gaze nu pot ieși la timp și formează pori.

2. Conținut ridicat de gaze în materiale

Anumite materiale conțin niveluri mai mari de hidrogen, oxigen, azot sau incluziuni, care se pot separa și forma bule în timpul topirii. De exemplu:

Aliajele de aluminiu sunt sensibile la hidrogen

Oțelurile sunt sensibile la oxigen

Aliajele de cupru sunt sensibile la azot

Dacă timpul băii topite este insuficient sau răcirea este prea rapidă, gazele rămân capturate și formează pori.

3. Injecție Insuficientă sau Instabilă de Energia Laser

Dacă densitatea energetică este insuficientă, baia topită devine superficială și are o fluiditate redusă, ceea ce face dificilă evacuarea gazelor. Fluctuațiile de energie pot provoca și o închidere inconstantă a băii topite, ducând la capturarea bulelor.

Manifestările frecvente includ:

Fluctuații ale puterii laserului

Abaterea focalizării care duce la scăderea densității de putere

Viteză de sudare excesiv de mare, care provoacă o penetrare incompletă

4. Acoperire Incorectă cu Gaz de Protecție

O protecție insuficientă sau o direcție incorectă a gazului de protecție permite intrarea aerului în baia topită și producerea reacțiilor gazoase. Un debit excesiv de gaz poate genera turbulențe sau antrenarea aerului.

Problemele comune includ:

Debit excesiv de argon care provoacă formarea de vârtejuri

Dezechilibrare de gaz care duce la o protecție incompletă

Contaminarea duzei cauzând perturbări ale câmpurilor de curgere

5. Necorespondența între materialul de adaos și metalul de bază

În sudura cu fir de adaos, dacă compoziția firului de adaos, conținutul de gaze sau gradul de curățenie sunt slabe, pot fi introduse gaze suplimentare sau incluziuni.

Exemple includ:

Fir de sudură umed sau higroscopic

Condiții proaste de depozitare

Curățare insuficientă a firului

III. Principalele pericole ale porozității în sudură

Defectele de porozitate afectează calitatea produsului în principal prin:

Reducerea rezistenței sudurii și a duratei de viață în regim de oboseală

Perturbarea etanșării și a performanței barieră

Calitate scăzută a aspectului exterior

Fiabilitate redusă în aplicații critice

Industrii precum carcasele pentru baterii, dispozitive medicale și structuri etanșe la gaze pot respinge complet produsele din cauza defectelor de porozitate.

IV. Metode de control al defectelor de porozitate la sudură

Pentru a îmbunătăți calitatea sudurii laser, trebuie realizată o optimizare la nivelul materialelor, echipamentelor, proceselor și mediului.

1. Aplicarea unui pretratament corespunzător al suprafeței

Curățarea suprafeței de sudură reduce semnificativ riscurile de porozitate. Metodele obișnuite includ:

Curățare mecanică (șlefuire, periere)

Curățare cu solvenți (alcool, acetonă)

Curățare cu laser (potrivită pentru producția de serie)

Uscare și deumidificare (în special pentru aliajele de aluminiu)

Zonele cheie includ zona de sudură și zonele interne de contact ale îmbinărilor suprapuse.

2. Controlul calității materialelor și al condițiilor de depozitare

Pe baza caracteristicilor de absorbție a gazelor ale materialului:

Aliajele de aluminiu trebuie păstrate uscate pentru a preveni absorbția de umiditate

Părțile din cupru trebuie protejate de oxidare prin utilizarea unui gaz sau a unui strat de acoperire

Oțelul trebuie să evite ruginirea severă și contaminanții

În cazul sudurii cu sârmă de adaos, sârma trebuie să rămână uscată și curată.

3. Optimizarea parametrilor energetici ai laserului

Potrivirea corectă a procesului este esențială pentru evacuarea gazelor. Direcțiile de optimizare includ:

Creșterea densității de putere → îmbunătățește penetrarea și fluiditatea

Reducerea vitezei de sudare → crește timpul de deschidere al băii de topitură

Ajustarea poziției focale → sporește stabilitatea băii de topitură

Stabilizarea ieșirii laserului → evită fluctuațiile de energie

În cazul sudării cu pătrundere profundă, defocalizarea negativă poate îmbunătăți penetrarea și comportamentul fluxului.

4. Îmbunătățirea sistemelor de gaze de protecție

Optimizarea gazelor de protecție include:

Selectarea gazelor adecvate (de exemplu, argon pentru sudarea aluminiului)

Controlul debitelor corespunzătoare (evitarea turbulențelor)

Optimizarea unghiului duzei și a distanței față de piesă

Creșterea acoperirii de protecție pentru a preveni antrenarea aerului

Pentru sudura aluminiului, se utilizează adesea protecția cu gaz dublu sau în incintă pentru a reduce porozitatea.

5. Optimizarea proiectării îmbinărilor și a configurației de sudare

Proiectarea îmbinării influențează comportamentul de evacuare a gazelor:

Se preferă îmbinările cap-la-cap față de cele suprapuse, atunci când este posibil

Asigurați căile de ventilare pentru îmbinările suprapuse dacă nu pot fi evitate

Evitați structurile închise care captează gazul în timpul răcirii rapide

O proiectare structurală corespunzătoare reduce tensiunile și îmbunătățește eficiența evacuării gazelor.

V. Concluzie

Porozitatea sudurii cu laser este un defect tipic rezultat din efectele combinate ale materialelor, proceselor și condițiilor de mediu. Mecanismul său de formare este puternic cuplat cu mai mulți factori. Prin îmbunătățirea curățeniei materialelor, optimizarea parametrilor laserului și ai gazului de protecție, precum și adoptarea unor configurații adecvate ale îmbinărilor, calitatea și performanța sudurii pot fi semnificativ îmbunătățite. În mediile de producție, integrarea sistemelor de monitorizare în timp real și a sistemelor de control al calității în buclă închisă pot contribui în continuare la stabilizarea calității sudurii și la susținerea adoptării industriale pe scară largă a tehnologiei de sudare cu laser.