Spawanie laserowe jest metodą spawania o wysokiej gęstości energii charakteryzującą się skoncentrowanym wprowadzeniem ciepła, wąskimi szwówami spawania i niską deformacją i jest szeroko stosowane w przemyśle przetwórczym metali.Podczas spawania, jeśli obszar spawania jest narażony na działanie tlenu lub gazów utleniających, może wystąpić utlenianie, w wyniku czego powstają czarne, żółte, niebieskie lub oksydowe powierzchnie spawania,które negatywnie wpływają na właściwości mechaniczne i jakość wygląduW tym artykule analizowane są główne przyczyny utleniania spawania z punktu widzenia właściwości materiału, czynników środowiskowych, osłony gazowej i parametrów procesu.
1Podstawowy mechanizm utleniania spawania
Oksydacja spawania występuje, gdy metal o wysokiej temperaturze reaguje z tlenem lub gazem utleniającym.a stopiony basen i strefa dotknięta ciepłem pozostają w stanie aktywacji termicznej, co zwiększa skłonność tlenu do penetracji i tworzenia warstw tlenowych.
Metal + O2 → tlenek metalu
Preferowane utlenianie pierwiastków stopu (np. Cr, Mn, Ti, Al)
Dlatego stopień utleniania jest ściśle związany z temperaturą, składem materiału i stężeniem tlenu.
2Główne przyczyny utleniania spawania
(1) Niewystarczająca osłona gazowa
Jest to najczęstsza przyczyna utleniania podczas spawania laserowego i zazwyczaj obejmuje:
Niewystarczający przepływ gazu, w wyniku czego niepełna izolacja tlenu
Nieprawidłowy kąt dyszy powodujący niepełne pokrycie
Nieodpowiednie typy gazów (np. azot jest mniej obojętny niż argon)
Niedostatki w konstrukcji dyfuzora gazu lub osłony
Ogólna skuteczność przeciwoksydacyjna gazów osłonowych wynosi około:
Argon > Helium > Azot > Brak osłony
Jeśli osłona jest niewystarczająca, podczas chłodzenia stopiony basen staje się narażony na działanie powietrza, co zwiększa utlenianie.
(2) Wysokie stężenie tlenu w środowisku spawania
Jeżeli środowisko spawania zawiera nadmiar tlenu z powodu złej wentylacji lub niskiej czystości gazu, skuteczność osłony zmniejsza się.
Gaz osłonowy o niskiej czystości o nadmiernej zawartości tlenu
Przepływ powietrza otoczenia wprowadzający tlen do strefy spawania
Wyciek gazociągów wprowadzający powietrze
Na przykład, jeśli czystość argonu przemysłowego jest niższa niż 99,99%, utlenianie spawania może znacznie wzrosnąć.
(3) Materiały o wysokiej skłonności do utleniania
Metali zawierające następujące pierwiastki są bardziej podatne na utlenianie:
Cr, Mn, Si, Al, Ti i inne pierwiastki czynne
Stali o wysokiej zawartości manganu, stali nierdzewnej, stopów tytanu i stopów magnezu
Przykłady:
Stal nierdzewna zawiera chrom, który tworzy tlenek chromu powyżej 600°C, co prowadzi do przebarwienia.
Stopy tytanu reagują z tlenem powyżej 400 °C, powodując przebarwienie i rozkład spoinowy.
W związku z tym właściwości materiału odgrywają kluczową rolę w zachowaniu utleniania.
(4) Nadmierne wprowadzanie ciepła laserowego
Wpływ ciepła określa temperaturę i czas trwania stopionego basenu.
Wyższe temperatury płynnych basenów i intensywniejsze utlenianie
Dłuższe czasy chłodzenia, zwiększenie okna ekspozycji na utlenianie
W rezultacie zmiana koloru spawania następuje często w następującej sekwencji:
Złoty → Niebieski → Fioletowy → Szary/Czarny
Ciemniejsze kolory zazwyczaj wskazują na wyższy poziom utleniania.
(5) Niska prędkość spawania
Prędkość spawania jest odwrotnie proporcjonalna do czasu ekspozycji na roztopiony basen:
Powolna prędkość → Dłuższa ekspozycja → Zwiększone utlenianie
Szybka prędkość → Krótsza ekspozycja → Zmniejszona utlenianie
Zmiana koloru w wyniku utleniania występuje szczególnie często w spawaniu cienkimi arkuszami przy niskich prędkościach.
(6) Brak osłony po spawaniu
Niektóre materiały wymagają osłony po spawaniu podczas chłodzenia; w przeciwnym razie może wystąpić utlenianie, podczas gdy materiał pozostaje gorący.
Zestawy tytanu, wymagające osłony gazowej
Rury ze stali nierdzewnej, wymagające wewnętrznej osłony (argon z powrotem oczyszczania)
Niewystarczające osłony powodują widoczne zmiany barwy termicznej i warstwy tlenku.
3. Wpływ utleniania spawania
Utlenianie spawania wpływa nie tylko na wygląd, ale może również powodować:
Zmniejszona odporność na korozję (oksydacja chromu zmniejsza pasywację stali nierdzewnej)
Zmniejszona elastyczność i wytrzymałość (np. rozkład titanu)
Zwiększona wrażliwość na pęknięcia
Zmniejszona wydajność podczas zmęczenia
Zwiększone wymagania w zakresie przetwarzania późniejszego (przetwarzanie kwasowe lub usunięcie mechaniczne)
W związku z powyższym przemysł o wysokich wymaganiach dotyczących jakości spawania musi kontrolować poziom utleniania.
Utlenianie spawania podczas spawania laserowego jest głównie spowodowane niewystarczającą osłoną, tendencją do utleniania materiału, wysokim poziomem tlenu w środowisku, wysokim wprowadzeniem ciepła i niewłaściwymi prędkościami spawania.W celu zmniejszenia utleniania, strategie osłony gazowej, parametry procesu, projektowanie urządzeń i warunki środowiskowe muszą być zoptymalizowane w połączeniu.