Vzroki in metode nadzora plinskih por v zvarih pri laserskem varjenju

I. Uvod

Laserjsko varjenje ponuja prednosti, kot so visoka gostota energije, majhna toplotno vplivana cona, dobra oblika zvara in majhna izkrivljenost. Široko se uporablja pri izdelavi pločevine, potrošniški elektroniki, proizvodnji baterij, medicinskih napravah ter v avtomobilski industriji. Vendar pa se pri dejanskih aplikacijah varjenja pogosto pojavljajo napake v obliki poroznosti znotraj ali na površini zvarov zaradi kombiniranih učinkov materiala, opreme in procesnih dejavnikov. Te napake negativno vplivajo na trdnost, gostoto in kakovost videza zvara. Zato je potrebno analizirati mehanizme nastanka poroznosti ter predlagati učinkovite ukrepe za nadzor, da bi izboljšali stabilnost varjenja in kakovost izdelkov.

II. Glavni vzroki poroznosti zvarov

Poroznost pri varjenju je ponavadi posledica ujetega plina, izločanja raztopljenega plina ali uparjanja materiala. Glavni vzroki vključujejo:

1. Kontaminacija površine materialov

Ko vareni površini vsebujeta olje, vlago, rjo ali prevleke, se te razgradijo ob visokih temperaturah in sproščajo pline, ki vdrejo v talino. Na primer:

Zamazanost z oljem → nastajanje ogljikovodikovih plinov

Vlaga → nastajanje H₂ in O₂

Prevleke → razgradnja na organske ali anorganske pline

Če se talina hitro strdi, ti plini ne morejo pravočasno uiti in tvorijo pore.

2. Visoka vsebnost plinov v materialih

Določeni materiali vsebujejo višje količine vodika, kisika, dušika ali vključkov, ki se med tališčem lahko izločijo in tvorijo mehurčke. Na primer:

Aluminijeve zlitine so občutljive na vodik

Jekla so občutljiva na kisik

Bakrove zlitine so občutljive na dušik

Če je čas taline premajhen ali hlajenje prehitro, plini ostanejo ujeti in tvorijo pore.

3. Nezadostna ali nestabilna vhodna laserska energija

Če je gostota energije premajhna, je talina plitvaja in ima slabo tekočnost, zaradi česar je težko iztisniti pline. Nihanja energije lahko povzročijo neenakomerno zapiranje taline, kar vodi do ujemanja mehurčkov.

Pogoste manifestacije vključujejo:

Nihanja moči laserja

Odklon fokusa, ki vodi do zmanjšanja gostote moči

Previsoka hitrost varjenja, ki povzroča nepopolno prepustnost

4. Neprimerovano pokrivanje zaščitnega plina

Nezadostna zaščita ali napačna smer zaščite omogoča vstop zraka v talino in nastanek plinskih reakcij. Prevelik tok plina lahko povzroči turbulenco ali vlečenje zraka.

Pogoste težave vključujejo:

Prevelik tok argona, ki povzroča nastanek vrtincev

Neujemanje plina, ki vodi do nepopolnega zaščitnega učinka

Zamazanost šobo, ki povzroča motnje v toku

5. Neujemanje med dodajnim materialom in osnovnim kovino

Pri zvarjanju z dodajnim žicom lahko slaba sestava žice, vsebnost plina ali nečistoča privedejo do dodatnega vključevanja plinov ali vključkov.

Primeri vključujejo:

Mokra ali higroskopična zvarilna žica

Slabe pogoji shranjevanja

Nezadostno čiščenje žice

III. Glavne nevarnosti zaradi poroznosti zvara

Pomanjkljivosti zaradi poroznosti vplivajo na kakovost izdelka predvsem prek:

Zmanjšane trdnosti zvara in življenjske dobe pri utrujanju

Poslabšane tesnilne in zaporne lastnosti

Zmanjšana kakovost videza

Zmanjšana zanesljivost v kritičnih aplikacijah

Industrije, kot so ohišja baterij, medicinska oprema in tesne konstrukcije, lahko izdelke popolnoma zavrnejo zaradi napak zaradi poroznosti.

IV. Metode nadzora napak poroznosti pri varjenju

Za izboljšanje kakovosti laserskega varjenja je treba optimizirati materiale, opremo, postopke in okolje.

1. Uvedba ustrezne predobdelave površine

Čiščenje površine za varjenje znatno zmanjša tveganje poroznosti. Pogoste metode vključujejo:

Mehansko čiščenje (brušenje, česanje)

Toplotno čiščenje (alkohol, aceton)

Laserjsko čiščenje (primerano za serijsko proizvodnjo)

Sušenje in odvlaževanje (zlasti za aluminijeve zlitine)

Ključna področja vključujejo območje varjenja in notranja stikalna območja prekrivnih spojev.

2. Nadzor kakovosti materiala in pogoji shranjevanja

Glede na lastnosti absorpcije plinov materiala:

Aluminijeve zlitine je treba hraniti suhe, da se prepreči vpenjanje vlage

Bakerne dele je treba zaščititi pred oksidacijo s plinom ali prevleko

Jeklo naj se izogne hudemu rjenju in onesnaževalom

Pri zvarjenju s polnilnim žicom mora ostati žica suha in čista.

3. Optimizacija parametrov laserske energije

Pravilno usklajevanje postopka je ključno za izpuščanje plina. Smeri optimizacije vključujejo:

Povečanje gostote moči → izboljša predirnost in tekočino

Zmanjševanje hitrosti varjenja → poveča čas odprtosti taline

Prilagajanje položaja fokusa → izboljša stabilnost taline

Stabilizacija laserskega izhoda → preprečuje nihanja energije

Pri globokem varjenju negativen defokus izboljša predirnost in tokovne lastnosti.

4. Izboljšajte sisteme zaščitnih plinov

Optimizacija zaščitnega plina vključuje:

Izbira primernih plinov (npr. argon pri varjenju aluminija)

Kontrola ustrezne stopnje pretoka (izogibanje turbulencam)

Optimizacija kota šobe in razdalje do dela

Povečanje pokritosti zaščite za preprečevanje vključevanja zraka

Pri varjenju aluminija se pogosto uporablja dvojni plin ali ohišje za zaščito, da se zmanjša poroznost.

5. Optimizacija konstrukcije spoja in nastavitve varjenja

Konstrukcija spoja vpliva na obnašanje izpuščanja plina:

Če je mogoče, raje uporabite stikalne spoje namesto prekrivnih spojev

Za prekrivne spoje zagotovite izpušne poti, če jih ni mogoče izogniti

Izogibajte se zaprtim strukturam, ki ujamejo plin med hitrim hlajenjem

Ustrezen konstruktivni dizajn zmanjša napetost in izboljša učinkovitost izpuščanja plina.

V. Zaključek

Poroznost pri laserskem varjenju je tipična napaka, ki nastane zaradi kombiniranih učinkov materialov, postopkov in okoljskih pogojev. Mehhanizem njene nastajanja je zelo odvisen od več dejavnikov. S povečanjem čistosti materialov, optimizacijo parametrov laserskega žarka in zaščitnega plina ter uporabo ustrezne oblike spojnih mest se lahko kakovost in zmogljivost zvarov znatno izboljša. V proizvodnih okoljih lahko integracija sistemov za spremljanje v realnem času in zaprtje kakovostnega nadzora še dodatno stabilizira kakovost varjenja ter podpre širšo industrijsko uporabo tehnologije laserskega varjenja.