Η συγκόλληση με λέιζερ είναι μια μέθοδος συγκόλλησης υψηλής ενεργειακής πυκνότητας που χαρακτηρίζεται από συγκεντρωμένη θερμική είσοδο, στενές ραφές συγκόλλησης και χαμηλή παραμόρφωση και χρησιμοποιείται ευρέως στις βιομηχανίες επεξεργασίας μετάλλων. Κατά τη συγκόλληση, εάν η περιοχή συγκόλλησης εκτεθεί σε οξυγόνο ή οξειδωτικά αέρια, μπορεί να συμβεί οξείδωση, με αποτέλεσμα μαύρες, κίτρινες, μπλε ή χρωματισμένες με οξείδιο επιφάνειες συγκόλλησης, οι οποίες επηρεάζουν αρνητικά τη μηχανική απόδοση και την ποιότητα της εμφάνισης. Αυτό το άρθρο αναλύει τις κύριες αιτίες της οξείδωσης της συγκόλλησης από τις προοπτικές των χαρακτηριστικών του υλικού, των περιβαλλοντικών παραγόντων, της θωράκισης αερίου και των παραμέτρων της διαδικασίας.
1. Βασικός μηχανισμός οξείδωσης συγκόλλησης
Η οξείδωση συγκόλλησης συμβαίνει όταν το μέταλλο υψηλής θερμοκρασίας αντιδρά με οξυγόνο ή οξειδωτικά αέρια. Η θερμοκρασία της ζώνης συγκόλλησης με λέιζερ μπορεί να φτάσει τους 1000℃–3000℃ και η λιωμένη δεξαμενή και η θερμικά επηρεασμένη ζώνη παραμένουν σε θερμικά ενεργοποιημένη κατάσταση, γεγονός που αυξάνει την τάση του οξυγόνου να διεισδύσει και να σχηματίσει στρώματα οξειδίου. Οι κοινές αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν:
Μέταλλο + O₂ → Οξείδιο μετάλλου
Προτιμησιακή οξείδωση στοιχείων κράματος (π.χ., Cr, Mn, Ti, Al)
Επομένως, ο βαθμός οξείδωσης σχετίζεται στενά με τη θερμοκρασία, τη σύνθεση του υλικού και τη συγκέντρωση οξυγόνου.
2. Κύριες αιτίες οξείδωσης συγκόλλησης
(1) Ανεπαρκής θωράκιση αερίου
Αυτή είναι η πιο κοινή αιτία οξείδωσης κατά τη συγκόλληση με λέιζερ και συνήθως περιλαμβάνει:
Ανεπαρκής ροή αερίου, με αποτέλεσμα την ατελή απομόνωση οξυγόνου
Ακατάλληλη γωνία ακροφυσίου που προκαλεί ατελή κάλυψη
Ακατάλληλοι τύποι αερίων (π.χ., το άζωτο είναι λιγότερο αδρανές από το αργό)
Ανεπάρκειες διαχύτη αερίου ή δομής θωράκισης
Η γενική αντιοξειδωτική αποτελεσματικότητα των αερίων θωράκισης είναι περίπου:
Αργό ＞ Ήλιο ＞ Άζωτο ＞ Χωρίς θωράκιση
Εάν η θωράκιση είναι ανεπαρκής, η λιωμένη δεξαμενή εκτίθεται στον αέρα κατά την ψύξη, γεγονός που αυξάνει την οξείδωση.
(2) Υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου στο περιβάλλον συγκόλλησης
Εάν το περιβάλλον συγκόλλησης περιέχει υπερβολικό οξυγόνο λόγω κακού αερισμού ή χαμηλής καθαρότητας αερίου, η αποτελεσματικότητα της θωράκισης μειώνεται. Οι συνήθεις συνθήκες περιλαμβάνουν:
Αέριο θωράκισης χαμηλής καθαρότητας με υπερβολική περιεκτικότητα σε οξυγόνο
Ροή αέρα περιβάλλοντος που εισάγει οξυγόνο στη ζώνη συγκόλλησης
Διαρροή γραμμής αερίου που εισάγει αέρα
Για παράδειγμα, εάν η καθαρότητα του βιομηχανικού αργού είναι μικρότερη από 99,99%, η οξείδωση της συγκόλλησης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά.
(3) Υλικά με υψηλή τάση οξείδωσης
Διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν διαφορετική χημική δραστικότητα. Τα μέταλλα που περιέχουν τα ακόλουθα στοιχεία είναι πιο επιρρεπή στην οξείδωση:
Cr, Mn, Si, Al, Ti και άλλα ενεργά στοιχεία
Χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο, ανοξείδωτος χάλυβας, κράματα τιτανίου και κράματα μαγνησίου
Παραδείγματα:
Ο ανοξείδωτος χάλυβας περιέχει χρώμιο, το οποίο σχηματίζει οξείδιο του χρωμίου πάνω από 600℃, οδηγώντας σε αποχρωματισμό.
Τα κράματα τιτανίου αντιδρούν με οξυγόνο πάνω από 400℃, προκαλώντας αποχρωματισμό της συγκόλλησης και ευθραυστότητα.
Τα χαρακτηριστικά του υλικού διαδραματίζουν επομένως κρίσιμο ρόλο στη συμπεριφορά οξείδωσης.
(4) Υπερβολική θερμική είσοδος λέιζερ
Η θερμική είσοδος καθορίζει τη θερμοκρασία και τη διάρκεια της λιωμένης δεξαμενής. Η υπερβολική θερμική είσοδος προκαλεί:
Υψηλότερες θερμοκρασίες λιωμένης δεξαμενής και εντατικοποιημένη οξείδωση
Μεγαλύτεροι χρόνοι ψύξης, αυξάνοντας τα παράθυρα έκθεσης στην οξείδωση
Ο αποχρωματισμός της συγκόλλησης που προκύπτει ακολουθεί συχνά μια ακολουθία όπως:
Χρυσό → Μπλε → Μωβ → Γκρι/Μαύρο
Τα πιο σκούρα χρώματα υποδεικνύουν γενικά υψηλότερα επίπεδα οξείδωσης.
(5) Χαμηλή ταχύτητα συγκόλλησης
Η ταχύτητα συγκόλλησης είναι αντιστρόφως ανάλογη με το χρόνο έκθεσης της λιωμένης δεξαμενής:
Χαμηλή ταχύτητα → Μεγαλύτερη έκθεση → Αυξημένη οξείδωση
Γρήγορη ταχύτητα → Μικρότερη έκθεση → Μειωμένη οξείδωση
Ο αποχρωματισμός από οξείδωση είναι ιδιαίτερα συνηθισμένος στη συγκόλληση λεπτών φύλλων σε χαμηλές ταχύτητες κίνησης.
(6) Έλλειψη θωράκισης μετά τη συγκόλληση
Ορισμένα υλικά απαιτούν θωράκιση μετά τη συγκόλληση κατά την ψύξη. Διαφορετικά, μπορεί να συμβεί οξείδωση ενώ το υλικό παραμένει ζεστό. Οι τυπικές περιπτώσεις περιλαμβάνουν:
Κράματα τιτανίου, που απαιτούν θωράκιση αερίου ίχνους
Σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα, που απαιτούν εσωτερική θωράκιση (επαναφορά αργού)
Η ανεπαρκής θωράκιση μετά τη συγκόλληση έχει ως αποτέλεσμα ορατό θερμικό αποχρωματισμό και στρώματα οξειδίου.
3. Επιδράσεις της οξείδωσης συγκόλλησης
Η οξείδωση συγκόλλησης επηρεάζει όχι μόνο την εμφάνιση, αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει:
Μειωμένη αντοχή στη διάβρωση (η οξείδωση του χρωμίου μειώνει την παθητικοποίηση του ανοξείδωτου χάλυβα)
Μειωμένη ελατότητα και σκληρότητα (π.χ., ευθραυστότητα τιτανίου)
Αυξημένη ευαισθησία σε ρωγμές
Μειωμένη απόδοση κόπωσης
Αυξημένες απαιτήσεις μετα-επεξεργασίας (αφαίρεση με όξινη απομάκρυνση ή μηχανική αφαίρεση)
Επομένως, οι βιομηχανίες με υψηλές απαιτήσεις ποιότητας συγκόλλησης πρέπει να ελέγχουν τα επίπεδα οξείδωσης.
Η οξείδωση συγκόλλησης κατά τη συγκόλληση με λέιζερ προκαλείται κυρίως από ανεπαρκή θωράκιση, τάση οξείδωσης του υλικού, υψηλά περιβαλλοντικά επίπεδα οξυγόνου, υψηλή θερμική είσοδο και ακατάλληλες ταχύτητες συγκόλλησης. Για τη μείωση της οξείδωσης, οι στρατηγικές θωράκισης αερίου, οι παράμετροι της διαδικασίας, ο σχεδιασμός του εξοπλισμού και οι περιβαλλοντικές συνθήκες πρέπει να βελτιστοποιηθούν σε συνδυασμό.