Príčiny a metódy kontroly plynových pórov v zvarových švov pri laserovom zváraní

I. Úvod

Laserové zváranie ponúka výhody, ako je vysoká hustota energie, malá tepelne ovplyvnená zóna, dobrá formácia zvaru a nízka deformácia. Široko sa používa pri výrobe plechových konštrukcií, spotrebnom elektronickom zariadení, výrobe batérií, lekárskych prístrojoch a v automobilovom priemysle. V praxi sa však pri zváraní často vyskytujú dutiny vo vnútri alebo na povrchu zvarov spôsobené kombinovaným pôsobením materiálových, zariadenových a procesných faktorov. Tieto chyby negatívne ovplyvňujú pevnosť, hustotu a kvalitu vzhľadu zvaru. Preto je nevyhnutné analyzovať mechanizmy vzniku dutín a navrhnúť účinné opatrenia na ich kontrolu, aby sa zlepšila stabilita zvárania a kvalita výrobkov.

II. Hlavné príčiny tvorby dutín pri zváraní

Dutiny pri zváraní sú zvyčajne spôsobené zachyteným plynom, vylučovaním rozpusteného plynu alebo odparovaním materiálu. Medzi hlavné príčiny patria:

1. Kontaminácia povrchu materiálov

Keď sú zváracie povrchy znečistené olejom, vlhkosťou, hrdzou alebo povlakmi, tieto látky sa pri vysokých teplotách rozkladajú a uvoľňujú plyny, ktoré vstupujú do tavenej lázne. Napríklad:

Znečistenie olejom → vznikajú uhľovodíkové plyny

Vlhkosť → vzniká H₂ a O₂

Povlaky → sa rozkladajú na organické alebo anorganické plyny

Ak sa tav vylúči rýchlo, tieto plyny nestihnú uniknúť a vytvárajú póry.

2. Vysoký obsah plynov v materiáloch

Niektoré materiály obsahujú vyšší podiel vodíka, kyslíka, dusíka alebo nečistôt, ktoré sa počas tavby môžu vylúčiť a tvoriť bubliny. Napríklad:

Hliníkové zliatiny sú citlivé na vodík

Ocele sú citlivé na kyslík

Meďové zliatiny sú citlivé na dusík

Ak je čas tavenia bazéna nedostatočný alebo chladenie príliš rýchle, plyny zostávajú zachytené a vytvárajú póry.

3. Nedostatočný alebo nestabilný vstup laserovej energie

Ak je hustota energie nedostatočná, tavný bazén je plytký s nízkou tekutosťou, čo sťažuje únik plynov. Kolísanie energie môže spôsobiť nekonzistentné uzatváranie tavného bazéna, čo vedie k zachyteniu bublín.

Bežné prejavy zahŕňajú:

Kolísanie výkonu lasera

Odchýlka ohniska vedúca k zníženej hustote výkonu

Príliš vysoká rýchlosť zvárania spôsobujúca neúplné preniknutie

4. Nesprávne pokrytie ochranným plynom

Nedostatočné alebo nesprávne zameranie ochranného plynu umožňuje vstup vzduchu do tavného bazéna a vznik plynových reakcií. Príliš vysoký prietok plynu môže spôsobiť turbulenciu alebo zavzdušnenie.

Bežné problémy zahŕňajú:

Príliš vysoký prietok argónu spôsobujúci tvorbu vírov

Nesprávne nastavenie plynu, ktoré spôsobuje neúplné krytie

Znečistenie trysky spôsobujúce narušené prúdenie

5. Nezhoda medzi prídavným materiálom a základným kovom

Pri zváraní prídavným drôtom môže zlé zloženie prídavného drôtu, obsah plynu alebo nedostatočná čistota zaviesť dodatočný plyn alebo nečistoty.

Príklady zahŕňajú:

Mokrý alebo hygroskopický zvárací drôt

Nevhodné podmienky uskladnenia

Nedostatočné čistenie drôtu

III. Hlavné nebezpečenstvá pórovitosti zvaru

Pórovitosť zvaru ovplyvňuje kvalitu výrobku najmä nasledovne:

Znížená pevnosť zvaru a životnosť pri únave

Zhoršená tesniaca a bariérová funkcia

Zhoršená kvalita vzhľadu

Znížená spoľahlivosť pri kritických aplikáciách

Priemyselné odvetvia, ako sú batériové skrine, lekárské prístroje a tesné konštrukcie, môžu výrobky úplne odmietnuť kvôli pórovitosti.

IV. Metódy kontroly defektov pórovitosti zvárania

Na zlepšenie kvality laserového zvárania je potrebné optimalizovať materiály, vybavenie, procesy a prostredie.

1. Zavedenie vhodnej predúpravy povrchu

Vyčistenie zváracieho povrchu výrazne zníži riziko tvorby pórov. Bežné metódy zahŕňajú:

Mechanické čistenie (brúsenie, kefovanie)

Čistenie rozpúšťadlami (alkohol, acetón)

Laserové čistenie (vhodné pre sériovú výrobu)

Sušenie a odvlhčovanie (najmä pri hliníkových zliatinách)

Kľúčové oblasti zahŕňajú zónu zvárania a vnútorné stykové plochy prekrytých spojov.

2. Kontrola kvality materiálu a podmienok uskladnenia

Na základe charakteristík absorpcie plynov materiálom:

Hliníkové zliatiny je potrebné udržiavať suché, aby sa zabránilo absorpcii vlhkosti

Medené diely je potrebné chrániť pred oxidáciou pomocou plynu alebo povlaku

Oceľ by mala vyhýbať silnému hrdzu a nečistotám

Pri zváraní plniacim drôtom musí zostať drôt suchý a čistý.

3. Optimalizácia parametrov laserovej energie

Správne nastavenie procesu je kritické pre únik plynu. Smer optimalizácie zahŕňa:

Zvyšovanie výkonového zdvihu → zlepšuje prenikanie a tekutosť

Znižovanie rýchlosti zvárania → predlžuje dobu otvorenia tavenej lázne

Nastavenie polohy ohniska → zvyšuje stabilitu tavenej lázne

Stabilizácia laserového výstupu → zabráňuje kolísaniu energie

Pri hlbokom zváraní negatívny defokus môže zlepšiť prenikanie a tok materiálu.

4. Zlepšenie systémov chráneného plynu

Optimalizácia chráneného plynu zahŕňa:

Výber vhodných plynov (napr. argón pri zváraní hliníka)

Dodržiavanie správnych prietokových rýchlostí (vyhýbanie sa turbulenciám)

Optimalizácia uhla trysky a vzdialenosti od pracovného predmetu

Zvyšovanie ochrany pre zabránenie nasávaniu vzduchu

Pri zváraní hliníka sa často používa dvojplynové alebo uzavreté krytie na zníženie pórovitosti.

5. Optimalizujte návrh spoja a konfiguráciu zvárania

Návrh spoja ovplyvňuje správanie unikajúceho plynu:

Uprednostňujte tesné spoje pred prekrytými spojmi, ak je to možné

Zabezpečte odvzdušňovacie dráhy pre prekryté spoje, ak sa ich nedá vyhnúť

Vyhýbajte sa uzavretým štruktúram, ktoré zachytávajú plyn pri rýchlej chladnutí

Správny konštrukčný návrh znižuje napätie a zlepšuje účinnosť úniku plynu.

V. Záver

Pórovitosť pri laserovom zváraní je typickou chybou, ktorá vzniká pôsobením materiálov, procesov a prostredia. Mechanizmus jej vzniku je úzko prepojený s viacerými faktormi. Zlepšením čistoty materiálu, optimalizáciou parametrov laseru a ochranného plynu a použitím vhodného návrhu zvarov sa môže kvalita tvorby zvaru a jeho výkon výrazne zlepšiť. V podmienkach výroby môže integrovanie online monitorovania a uzavretých systémov kontroly kvality ďalej stabilizovať kvalitu zvárania a podporiť širšie prijatie technológie laserového zvárania v priemysle.