Лазерная сварка - это метод сварки с высокой плотностью энергии, характеризующийся концентрированным подводом тепла, узкими сварными швами и низкой деформацией, широко используемый в металлообрабатывающей промышленности. Во время сварки, если область сварки подвергается воздействию кислорода или окислительных газов, может произойти окисление, приводящее к появлению черных, желтых, синих или оксидных цветов на поверхности сварного шва, что негативно влияет на механические характеристики и качество внешнего вида. В этой статье анализируются основные причины окисления сварного шва с точки зрения характеристик материала, факторов окружающей среды, газовой защиты и технологических параметров.
1. Основной механизм окисления сварного шва
Окисление сварного шва происходит, когда высокотемпературный металл реагирует с кислородом или окислительными газами. Температура зоны лазерной сварки может достигать 1000℃–3000℃, а сварочная ванна и зона термического влияния остаются в термически активированном состоянии, что увеличивает тенденцию проникновения кислорода и образования оксидных слоев. Общие реакции окисления включают:
Металл + O₂ → Оксид металла
Преимущественное окисление легирующих элементов (например, Cr, Mn, Ti, Al)
Следовательно, степень окисления тесно связана с температурой, составом материала и концентрацией кислорода.
2. Основные причины окисления сварного шва
(1) Недостаточная газовая защита
Это наиболее распространенная причина окисления при лазерной сварке, которая обычно включает в себя:
Недостаточный поток газа, приводящий к неполной изоляции от кислорода
Неправильный угол сопла, вызывающий неполное покрытие
Неподходящие типы газов (например, азот менее инертен, чем аргон)
Недостатки газового диффузора или защитной конструкции
Общая антиокислительная эффективность защитных газов приблизительно равна:
Аргон > Гелий > Азот > Без защиты
Если защита недостаточна, сварочная ванна подвергается воздействию воздуха во время охлаждения, что увеличивает окисление.
(2) Высокая концентрация кислорода в сварочной среде
Если сварочная среда содержит избыточное количество кислорода из-за плохой вентиляции или низкой чистоты газа, эффективность защиты снижается. Общие условия включают:
Защитный газ низкой чистоты с избыточным содержанием кислорода
Поток окружающего воздуха, вносящий кислород в зону сварки
Утечка газа, приводящая к попаданию воздуха
Например, если чистота промышленного аргона ниже 99,99%, окисление сварного шва может значительно увеличиться.
(3) Материалы с высокой тенденцией к окислению
Различные материалы проявляют различную химическую активность. Металлы, содержащие следующие элементы, более склонны к окислению:
Cr, Mn, Si, Al, Ti и другие активные элементы
Высокомарганцовистая сталь, нержавеющая сталь, титановые сплавы и магниевые сплавы
Примеры:
Нержавеющая сталь содержит хром, который образует оксид хрома выше 600℃, что приводит к изменению цвета.
Титановые сплавы реагируют с кислородом выше 400℃, вызывая изменение цвета сварного шва и охрупчивание.
Таким образом, характеристики материала играют решающую роль в поведении при окислении.
(4) Чрезмерный подвод тепла лазером
Подвод тепла определяет температуру и продолжительность сварочной ванны. Чрезмерный подвод тепла вызывает:
Более высокие температуры сварочной ванны и усиленное окисление
Более длительное время охлаждения, увеличивающее окна воздействия окисления
Получающееся изменение цвета сварного шва часто следует последовательности, такой как:
Золотой → Синий → Фиолетовый → Серый/Черный
Более темные цвета обычно указывают на более высокий уровень окисления.
(5) Низкая скорость сварки
Скорость сварки обратно пропорциональна времени воздействия сварочной ванны:
Низкая скорость → Более длительное воздействие → Увеличение окисления
Высокая скорость → Более короткое воздействие → Снижение окисления
Окислительное обесцвечивание особенно распространено при сварке тонколистового металла на низких скоростях перемещения.
(6) Отсутствие защиты после сварки
Некоторые материалы требуют защиты после сварки во время охлаждения; в противном случае может произойти окисление, пока материал остается горячим. Типичные случаи включают:
Титановые сплавы, требующие защиты газом
Трубы из нержавеющей стали, требующие внутренней защиты (продувка аргоном)
Недостаточная защита после сварки приводит к видимым термическим изменениям цвета и оксидным слоям.
3. Влияние окисления сварного шва
Окисление сварного шва влияет не только на внешний вид, но и может вызвать:
Снижение коррозионной стойкости (окисление хрома снижает пассивацию нержавеющей стали)
Снижение пластичности и ударной вязкости (например, охрупчивание титана)
Повышенная чувствительность к трещинам
Снижение усталостных характеристик
Увеличение требований к последующей обработке (травление кислотой или механическое удаление)
Поэтому отрасли с высокими требованиями к качеству сварных швов должны контролировать уровни окисления.
Окисление сварного шва при лазерной сварке в основном вызвано недостаточной защитой, тенденцией к окислению материала, высоким уровнем кислорода в окружающей среде, высоким подводом тепла и неправильной скоростью сварки. Чтобы уменьшить окисление, необходимо оптимизировать стратегии газовой защиты, технологические параметры, конструкцию оборудования и условия окружающей среды в сочетании.