Какви фактори влияят на чистотата на азота при лазерно заваряване?

Въведение

Лазерното заваряване се превърна в революционна техника в съвременното производство, известно с прецизността си, високата скорост на изпълнение и минималната топлиннообработена зона. В този процес азотът играе ключова роля като защитен газ. Високо-чист азот е от съществено значение за предотвратяване на оксидацията на заваръчната вана, намаляване на порестостта и подобряване на общото качество на завара. Въпреки това, постигането и поддържането на желаната чистота на азота зависи от няколко фактора, които ще разгледаме подробно в тази статия.

1. Източник на азот

1.1 Атмосферно генериране

Най-често използваният при лазерното заваряване азот се получава от въздуха. Въздухът съдържа приблизително 78% азот, както и кислород, аргон и следи от други газове. За получаването на азот от въздуха се използват методи като адсорбция при променливо налягане (PSA) или мембранна сепарация. При PSA въздухът се компресира и пропуска през слой адсорбенти (обикновено цеолити). Тези материали имат по-голям капацитет за абсорбиране на кислород и други примеси в сравнение с азота. В резултат на това азотният газ се отделя и събира. Въпреки това ефективността на PSA системите при производството на високо-чист азот зависи от няколко фактора, включително качеството на адсорбента, работното налягане и температура, както и скоростта на подаване на въздуха. Ако адсорбентът се насити или деградира с течение на времето, това може да доведе до намаляване на чистотата на азота. Например, ако PSA единицата не се поддържа правилно и адсорбентът не се регенерира ефективно, кислородът и други замърсители могат да започнат да преминават през системата, което намалява чистотата на азота от желаните 99,99% (или по-високи стойности в някои случаи) до по-ниска стойност.

Мембранната сепарация, от друга страна, използва полу-пропускливa мембрана. Когато компресиран въздух преминава през тази мембрана, газове с по-малки молекулни размери (като кислород) преминават през мембраната по-лесно в сравнение с азота. След това се събира азото-богатият поток. Но фактори като цялостта на мембраната и перепада на налягане през мембраната могат да повлияят на чистотата. Повредена мембрана може да допусне преминаването на повече примеси, което води до намаляване на чистотата на азота.

1.2 Течен азот

Течният азот е друг източник на азот за лазерно заваряване. Той се съхранява в криогенни резервоари и се изпарява преди употреба. Течният азот обикновено има много висока чистота, често над 99,999%. Въпреки това, по време на процеса на изпаряване, съществува риск от замърсяване. Ако оборудването за изпаряване не е чисто или ако има теч в системата за подаване, влага или други газове от заобикалящата среда могат да се смесят с азота, намалявайки неговата чистота. Например, ако изолацията на криогенния резервоар е повредена, топъл въздух може да навлезе, което води до кондензиране на влага и потенциално замърсяване на азота при неговото изпаряване.

2. Изисквания за чистота в зависимост от материала

2.1 Заваряване на неръждаема стомана

При лазерно заваряване на неръждаема стомана, високата чистота на азота е от решаващо значение. Неръждаемата стомана съдържа хром, който формира защитен оксиден слой на повърхността. По време на заваряването, ако чистотата на азота е недостатъчна, кислородът може да встъпи в реакция с разтопен метал, което нарушава формирането на този защитен оксиден слой. Това може да доведе до намаляване на корозионната устойчивост на завареното съединение. За висококачествено лазерно заваряване на неръждаема стомана, често се препоръчва чистота на азота от 99,995% или по-висока. Дори и малко отклонение от тази чистота може да предизвикате видима оксидация по повърхността на завара, което не само засяга естетиката, но и дългосрочната издръжливост на заварената компонента.

2.2 Алуминий и неговите сплави

Алуминият и неговите сплави са много реактивни към кислорода. При лазерно заваряване на тези материали азотът действа като защита, за да се предотврати оксидирането на разтопената вана. Въпреки това, различни алуминиеви сплави може да имат различна чувствителност към чистотата на азота. Например, някои високоякостни алуминиеви сплави, използвани в авиокосмическата индустрия, изискват изключително чист азот, често в диапазона от 99,999%. Азот с по-ниска чистота може да въведе примеси в завара, което води до образуване на пори или намаляване на механичната якост на съединението. Напротив, за някои често използвани алуминиеви сплави в по-малко критични приложения, чистота на азота от около 99,99% може да бъде приетлива, но все пак всяко съществено отклонение може да предизвикат дефекти в завара.

3. Фактори, свързани с оборудването

3.1 Система за подаване на газ

Газовата система за подаване в лазерна сваръчна инсталация включва тръби, клапани и мерни устройства за поток. Ако тези компоненти не са чисти или са произведени от материали, които могат да реагират с азота или замърсителите във въздуха, те могат да повлияят на чистотата на азота. Например, ако тръбите са ръждясали, частици от оксид на желязото могат да бъдат отнесени в азотния поток. Клапаните, които не са правилно уплътнени, могат да допуснат въздух да проникне в системата, което разрежда азота и намалява неговата чистота. Мерните устройства за поток трябва да бъдат точно калибрирани. Неправилният дебит може да доведе до неправилен баланс между азота и заобикалящия въздух в сваръчната зона. Ако дебитът на азота е твърде нисък, може да не се осигури ефективна защита на сваръчната вана, което позволява на кислорода да навлезе и намалява ефективната чистота на азота в работната зона.

3.2 Конструкция на лазерен сваръчен апарат

Конструкцията на самата машина за лазерно заваряване може да повлияе на чистотата на азота. Някои машини за лазерно заваряване разполагат с по-добре уплътнени камери около зоната на заваряване, което помага за поддържане на по-висока чистота на азотната среда. При машини с некачествени уплътнения въздухът може да проникне в зоната на заваряване, разреждайки азота. Освен това, позицията и ориентацията на газовите сопла, подаващи азот, са важни. Ако соплата не са правилно проектирани или позиционирани, азотът може да не се разпределя равномерно около заваръчната вана. Това може да доведе до области, където концентрацията на азот е по-ниска, което ефективно намалява чистотата в тези критични зони.

4. Външни фактори

4.1 Влажност

Влажността в заобикалящата среда може да бъде значителен фактор, влияещ на чистотата на азота. Влагата от въздуха може да навлезе в азотния поток, особено ако има течове в газовата инсталация или по време на процеса на генериране на азот. Водната пара може да реагира с горещия метал по време на заварване, което води до образуване на водород и предизвиква порестост в завара. В среди с висока влажност трябва да се предприемат специални мерки, например използването на адсорбентни сушилни в азотната линия за отстраняване на влагата. Дори и малко количество водна пара в азота може да окаже вредно влияние върху качеството на завара, затова е от съществено значение поддържането на ниска влажност на азота, за да се постигне висококачествено лазерно заварване.

4.2 Температура

Температурните колебания също могат да повлияят на чистотата на азота. При някои методи за генериране на азот, като PSA, адсорбционната способност на адсорбиращите материали може да бъде засегната от температурата. По-високите температури могат да намалят ефективността на адсорбента при премахването на примеси от въздуха, което води до по-ниска чистота на изходния азот. Освен това в системата за подаване на газ, температурните промени могат да предизвикат разширване или свиване на тръбите и клапаните. Ако тези компоненти не са правилно проектирани, за да издържат на такива температурни промени, това може да доведе до течове, които позволяват на въздуха да навлезе и да понижи чистотата на азота.

5. Чести въпроси и отговори

Въпрос 1: Мога ли да използвам обикновен компресиран въздух вместо високо-чист азот за лазерно заваряване?

Отговор: Обикновеният компресиран въздух съдържа значително количество кислород (около 21%). По време на лазерно заваряване кислородът ще реагира с разтопен метал, причинявайки оксидация, порестост и намаляване на механичните свойства на завара. Високо-чистият азот се използва, за да създаде инертна среда около заваръчната вана, предотвратявайки тези проблеми. Следователно не се препоръчва използването на обикновен компресиран въздух за лазерно заваряване.

Въпрос 2: Колко често трябва да проверявам чистотата на азота в моята лазерна заваръчна инсталация?

Отговор: Препоръчва се чистотата на азота да се проверява поне веднъж дневно, особено ако процесът на лазерно заваряване е непрекъснат. Въпреки това, ако се наблюдават признаци на лошо качество на завара, като например преувеличенa порьозност или оксидация, чистотата на азота трябва да се провери незабавно. Допълнително, ако са настъпили промени в системата за генериране на азот, в газоразпределителната система или в околната среда, проверката на чистотата е от съществено значение, за да се осигури постоянно добро качество на завара.

Въпрос 3: Какво мога да направя, ако установя, че чистотата на азота в моята лазерна заваръчна инсталация е по-ниска от изискваното?

Отговор: Първо проверете системата за генериране на азот. Ако тя е PSA система, уверете се, че адсорбентът се регенерира правилно и не е наситен. За системи с мембранна сепарация, проверете мембраната за евентуални повреди. В газоразпределителната система проверете за течове в тръбите, клапаните и свърванията. Почистете всички замърсени компоненти. Ако използвате течен азот, уверете се, че оборудването за изпаряване е чисто и линиите за подаване са свободни от замърсяване. Ако проблемът продължава, помислете за консултация с квалифициран техник или производителя на оборудването, свързано с азота.