Причини та методи контролю газових пор в швах лазерного зварювання

I. Вступ

Лазерне зварювання має переваги, такі як висока густина енергії, мала зона термічного впливу, гарне формування шва та низька деформація. Воно широко використовується у виробництві листового металу, побутової електроніки, виготовленні акумуляторів, медичних пристроях та автомобільній промисловості. Однак на практиці під час зварювання часто виникають дефекти пористості всередині або на поверхні швів через поєднаний вплив матеріалів, обладнання та технологічних факторів. Ці дефекти негативно впливають на міцність, щільність та якість зовнішнього вигляду швів. Тому необхідно проаналізувати механізми утворення пористості та запропонувати ефективні заходи контролю для покращення стабільності зварювання та якості продукції.

II. Основні причини пористості при зварюванні

Пористість при зварюванні зазвичай викликається захопленим газом, виділенням розчиненого газу або випаровуванням матеріалу. Основні причини включають:

1. Забруднення поверхні матеріалів

Якщо поверхні зварювання містять олію, вологу, іржу або покриття, вони розкладаються під дією високих температур і утворюють гази, які потрапляють у розплавлений басейн. Наприклад:

Забруднення олією → утворює вуглеводневі гази

Волога → утворює H₂ та O₂

Покриття → розкладаються на органічні або неорганічні гази

Якщо розплавлений басейн швидко затвердіває, ці гази не встигають вийти і утворюють пори.

2. Високий вміст газів у матеріалах

Певні матеріали містять більше водню, кисню, азоту або включень, які можуть виділятися і утворювати бульбашки під час плавлення. Наприклад:

Алюмінієві сплави чутливі до водню

Сталі чутливі до кисню

Мідні сплави чутливі до азоту

Якщо час розплавленого басейну недостатній або охолодження надто швидке, гази залишаються у пастці та утворюють пори.

3. Недостатнє або нестабільне введення лазерної енергії

Якщо густина енергії недостатня, розплавлений басейн стає мілким із поганою рухливістю, що ускладнює вихід газів. Коливання енергії також можуть призводити до нестабільного запечатування розплавленого басейну, внаслідок чого бульбашки залишаються всередині.

Поширені прояви включають:

Коливання потужності лазера

Відхилення фокусу, що призводить до зниження густини потужності

Надмірно висока швидкість зварювання, що призводить до неповного проплавлення

4. Неправильне закриття захисним газом

Недостатнє захист або неправильний напрямок захисту дозволяє повітрю потрапляти в розплавлений басейн і викликати газові реакції. Надмірний потік газу може спричинити турбулентність або захоплення повітря.

Поширені проблеми включають:

Надмірний потік аргону, що призводить до утворення вихорів

Неправильне співвідношення газу, що призводить до неповного екранування

Забруднення сопла, що викликає порушення потокових полів

5. Невідповідність між присадковим матеріалом і основним металом

Під час зварювання присадковим дротом, якщо склад дроту, вміст газів або чистота недостатні, можуть бути введені додаткові гази або включення.

Приклади:

Вологий або гігроскопічний зварювальний дріт

Погані умови зберігання

Недостатнє очищення дроту

III. Основні небезпекі пористості зварних швів

Дефекти пористості впливають на якість продукту переважно через:

Зниження міцності зварного шву та довговічності при витривалості

Погіршення герметичності та бар'єрних властивостей

Погіршення якості зовнішнього вигляду

Зниження надійності у критичних застосуваннях

Галузі, такі як акумуляторні батареї, медичні пристрої та герметичні конструкції, можуть повністю відхиляти продукти через дефекти пористості.

IV. Методи контролю дефектів пористості зварних швів

Для покращення якості лазерного зварювання необхідно оптимізувати матеріали, обладнання, процеси та умови.

1. Застосування належної попередньої обробки поверхні

Очищення поверхні зварного шва значно зменшує ризик утворення пор. Поширені методи включають:

Механічне очищення (шліфування, щіткування)

Розчинне очищення (спирт, ацетон)

Лазерне очищення (підходить для масового виробництва)

Сушіння та видалення вологи (особливо для алюмінієвих сплавів)

Основними зонами є зона зварювання та внутрішні поверхні контакту при нахлесточних з'єднаннях

2. Контроль якості матеріалу та умов зберігання

З огляду на характеристики поглинання газів матеріалом:

Алюмінієві сплави мають зберігатися в сухому стані, щоб запобігти поглинанню вологи

Мідні деталі слід захищати від окиснення за допомогою газового середовища або покриття

Сталь повинна бути захищена від сильного ржавіння та забруднень

При зварюванні дротом-наповнювачем дріт має залишатися сухим і чистим

3. Оптимізація параметрів лазерної енергії

Правильний підбір технологічних параметрів має важливе значення для виходу газу. Напрямки оптимізації включають:

Збільшення густини потужності → покращує проникнення та рухливість

Зменшення швидкості зварювання → збільшує час відкриття ванни розплаву

Регулювання положення фокусу → підвищує стабільність ванни розплаву

Стабілізація вихідного сигналу лазера → запобігає коливанням енергії

При зварюванні з глибоким проникненням негативне дефокусування може покращити проникнення та поведінку потоку.

4. Вдосконалення систем захисного газу

Оптимізація захисного газу включає:

Вибір відповідних газів (наприклад, аргон для зварювання алюмінію)

Контроль відповідних швидкостей подачі (уникайте турбулентності)

Оптимізація кута сопла та відстані до виробу

Збільшення зони захисту для запобігання попаданню повітря

Для зварювання алюмінію часто використовують двогазове екранування або замкнуті камери для зменшення пористості.

5. Оптимізуйте конструкцію з'єднання та конфігурацію зварювання

Конструкція з'єднання впливає на поведінку виходу газу:

За можливості надавати перевагу стиковим з'єднанням замість накладних

Забезпечити шляхи виходу газу для накладних з'єднань, якщо їх не уникнути

Уникайте замкнених конструкцій, які затримують газ під час швидкого охолодження

Правильна конструкція зменшує напруження та покращує ефективність виходу газу.

V. Висновок

Пористість при лазерному зварюванні — це типовий дефект, що виникає внаслідок поєднаного впливу матеріалів, процесів та умов навколишнього середовища. Механізм її утворення тісно пов’язаний із багатьма факторами. Шляхом покращення чистоти матеріалів, оптимізації параметрів лазера та захисного газу, а також використання правильних конструкцій з’єднань можна значно підвищити якість формування зварних швів та їх експлуатаційні характеристики. У виробничих умовах інтеграція систем онлайн-моніторингу та замкнених систем контролю якості дозволяє додатково стабілізувати якість зварювання та сприяє ширшому промисловому впровадженню технології лазерного зварювання.