La saldatura laser è un metodo di saldatura ad alta densità energetica caratterizzato da un apporto di calore concentrato, cordoni di saldatura stretti e bassa deformazione, ed è ampiamente utilizzato nelle industrie di lavorazione dei metalli. Durante la saldatura, se l'area di saldatura è esposta all'ossigeno o a gas ossidanti, può verificarsi l'ossidazione, con conseguente formazione di superfici di saldatura nere, gialle, blu o color ossido, che influiscono negativamente sulle prestazioni meccaniche e sulla qualità estetica. Questo articolo analizza le cause principali dell'ossidazione della saldatura dal punto di vista delle caratteristiche dei materiali, dei fattori ambientali, della schermatura a gas e dei parametri di processo.
1. Meccanismo di base dell'ossidazione della saldatura
L'ossidazione della saldatura si verifica quando il metallo ad alta temperatura reagisce con l'ossigeno o i gas ossidanti. La temperatura della zona di saldatura laser può raggiungere i 1000℃–3000℃ e il bagno di fusione e la zona termicamente interessata rimangono in uno stato termicamente attivato, il che aumenta la tendenza dell'ossigeno a penetrare e formare strati di ossido. Le reazioni di ossidazione comuni includono:
Metallo + O₂ → Ossido metallico
Ossidazione preferenziale degli elementi di lega (ad esempio, Cr, Mn, Ti, Al)
Pertanto, il grado di ossidazione è strettamente correlato alla temperatura, alla composizione del materiale e alla concentrazione di ossigeno.
2. Cause principali dell'ossidazione della saldatura
(1) Schermatura a gas insufficiente
Questa è la causa più comune di ossidazione durante la saldatura laser e in genere comporta:
Flusso di gas insufficiente, con conseguente isolamento incompleto dell'ossigeno
Angolo dell'ugello improprio che causa una copertura incompleta
Tipi di gas inappropriati (ad esempio, l'azoto è meno inerte dell'argon)
Inadeguatezze del diffusore di gas o della struttura di schermatura
L'efficacia generale antiossidante dei gas di schermatura è approssimativamente:
Argon ＞ Elio ＞ Azoto ＞ Nessuna schermatura
Se la schermatura è insufficiente, il bagno di fusione viene esposto all'aria durante il raffreddamento, il che aumenta l'ossidazione.
(2) Elevata concentrazione di ossigeno nell'ambiente di saldatura
Se l'ambiente di saldatura contiene ossigeno eccessivo a causa di scarsa ventilazione o bassa purezza del gas, l'efficacia della schermatura diminuisce. Le condizioni comuni includono:
Gas di schermatura a bassa purezza con contenuto di ossigeno eccessivo
Flusso d'aria ambiente che introduce ossigeno nella zona di saldatura
Perdite nella tubazione del gas che introducono aria
Ad esempio, se la purezza dell'argon industriale è inferiore al 99,99%, l'ossidazione della saldatura può aumentare significativamente.
(3) Materiali con elevata tendenza all'ossidazione
Materiali diversi mostrano una reattività chimica diversa. I metalli contenenti i seguenti elementi sono più soggetti all'ossidazione:
Cr, Mn, Si, Al, Ti e altri elementi attivi
Acciaio ad alto tenore di manganese, acciaio inossidabile, leghe di titanio e leghe di magnesio
Esempi:
L'acciaio inossidabile contiene cromo, che forma ossido di cromo sopra i 600℃, causando scolorimento.
Le leghe di titanio reagiscono con l'ossigeno sopra i 400℃, causando scolorimento e fragilità della saldatura.
Le caratteristiche dei materiali svolgono quindi un ruolo fondamentale nel comportamento all'ossidazione.
(4) Apporto di calore laser eccessivo
L'apporto di calore determina la temperatura e la durata del bagno di fusione. Un apporto di calore eccessivo causa:
Temperature del bagno di fusione più elevate e ossidazione intensificata
Tempi di raffreddamento più lunghi, che aumentano le finestre di esposizione all'ossidazione
Lo scolorimento della saldatura risultante segue spesso una sequenza come:
Oro → Blu → Viola → Grigio/Nero
I colori più scuri indicano generalmente livelli di ossidazione più elevati.
(5) Bassa velocità di saldatura
La velocità di saldatura è inversamente proporzionale al tempo di esposizione del bagno di fusione:
Bassa velocità → Esposizione più lunga → Aumento dell'ossidazione
Alta velocità → Esposizione più breve → Riduzione dell'ossidazione
Lo scolorimento da ossidazione è particolarmente comune nella saldatura di lamiere sottili a basse velocità di avanzamento.
(6) Mancanza di schermatura post-saldatura
Alcuni materiali richiedono la schermatura post-saldatura durante il raffreddamento; in caso contrario, l'ossidazione può verificarsi mentre il materiale rimane caldo. I casi tipici includono:
Leghe di titanio, che richiedono la schermatura con gas di trascinamento
Tubi in acciaio inossidabile, che richiedono la schermatura interna (spurgo posteriore con argon)
Una schermatura insufficiente dopo la saldatura provoca una visibile decolorazione termica e strati di ossido.
3. Effetti dell'ossidazione della saldatura
L'ossidazione della saldatura influisce non solo sull'aspetto, ma può anche causare:
Ridotta resistenza alla corrosione (l'ossidazione del cromo diminuisce la passivazione dell'acciaio inossidabile)
Ridotta duttilità e tenacità (ad esempio, fragilità del titanio)
Maggiore sensibilità alle cricche
Prestazioni a fatica ridotte
Maggiore necessità di post-elaborazione (decapaggio acido o rimozione meccanica)
Pertanto, le industrie con elevati requisiti di qualità della saldatura devono controllare i livelli di ossidazione.
L'ossidazione della saldatura durante la saldatura laser è causata principalmente da schermatura insufficiente, tendenza all'ossidazione del materiale, elevati livelli di ossigeno ambientale, elevato apporto di calore e velocità di saldatura improprie. Per ridurre l'ossidazione, le strategie di schermatura a gas, i parametri di processo, la progettazione delle apparecchiature e le condizioni ambientali devono essere ottimizzati in combinazione.