Jaké faktory ovlivňují čistotu dusíku při laserovém svařování?

Úvod

Laserové svařování se stalo revoluční technikou v moderním průmyslu, známou svou přesností, vysokou rychlostí provádění a minimální tepelně ovlivněnou zónou. V tomto procesu hraje dusík klíčovou roli jako ochranný plyn. Vysoká čistota dusíku je nezbytná pro zabránění oxidaci svarové lázně, snížení pórovitosti a zlepšení celkové kvality svaru. Dosáhnutí a udržení požadované čistoty dusíku však ovlivňuje několik faktorů, které si v tomto článku podrobně rozebereme.

1. Zdroj dusíku

1.1 Výroba z atmosféry

Nejčastěji se v laserovém svařování používá dusík získávaný z atmosférického vzduchu. Vzduch obsahuje přibližně 78 % dusíku spolu s kyslíkem, argonem a stopovými množstvími jiných plynů. K oddělení dusíku z vzduchu se používají metody jako adsorpce za proměnlivého tlaku (PSA) nebo membránová separace. U metody PSA je vzduch stlačen a následně propuštěn skrze lože adsorbentních materiálů (obvykle zeolity). Tyto materiály mají větší afinitu kyslíku a dalších nečistot ve srovnání s dusíkem. V důsledku toho je dusík oddělen a následně sbírán. Účinnost PSA systémů při výrobě dusíku vysoké čistoty však závisí na několika faktorech, jako je kvalita adsorbentu, provozní tlak a teplota a průtoková rychlost přiváděného vzduchu. Pokud se adsorbent v průběhu času nasycuje nebo degraduje, může dojít ke snížení čistoty dusíku. Například pokud není PSA jednotka správně udržována a adsorbent nedostatečně regenerován, mohou začít pronikat kyslík a další nečistoty, čímž se sníží čistota dusíku z požadovaných 99,99 % (nebo ještě vyšší v některých případech) na nižší hodnotu.

Membránová separace na druhé straně využívá polopropustnou membránu. Když stlačený vzduch prochází touto membránou, plyny s menšími molekulárními rozměry (například kyslík) pronikají membránou snadněji než dusík. Proud obohacený o dusík je následně sbírán. Ale faktory, jako je integrita membrány a tlakový rozdíl na membráně, mohou ovlivnit čistotu. Poškozená membrána může umožnit průchod většího množství nečistot, čímž se snižuje čistota dusíku.

1.2 Kapalný dusík

Kapalný dusík je dalším zdrojem dusíku pro laserové svařování. Uchovává se v kryogenních nádržích a před použitím se odpařuje. Kapalný dusík obvykle vykazuje velmi vysokou čistotu, často vyšší než 99,999 %. Při procesu odpařování však hrozí riziko kontaminace. Pokud není vybavení pro odpařování čisté nebo pokud má systém přívodu netěsnosti, mohou se do dusíku zamíchat vlhkost nebo jiné plyny z okolního prostředí, čímž se sníží jeho čistota. Například pokud je poškozená izolace kryogenní nádrže, může do ní proniknout teplý vzduch, což způsobí kondenzaci vlhkosti a potenciální kontaminaci dusíku během jeho odpařování.

2. Požadavky na čistotu v závislosti na materiálech

2.1 Svařování nerezové oceli

Při laserovém svařování nerezové oceli je velmi důležitá vysoká čistota dusíku. Nerezová ocel obsahuje chrom, který na povrchu vytváří ochrannou oxidovou vrstvu. Během svařování může nedostatečná čistota dusíku způsobit, že se kyslík bude vázat na roztavený kov a naruší tak vznik této ochranné oxidové vrstvy. To může vést ke snížení odolnosti svařovaného spoje vůči korozi. Pro vysoce kvalitní laserové svařování nerezové oceli se často doporučuje čistota dusíku 99,995 % nebo vyšší. I nepatrná odchylka od této čistoty může způsobit viditelné oxidační známky na povrchu svaru, což negativně ovlivňuje nejen estetiku, ale i dlouhodobý výkon svařované součásti.

2.2 Hliník a jeho slitiny

Hliník a jeho slitiny jsou velmi reaktivní vůči kyslíku. Při laserovém svařování těchto materiálů působí dusík jako ochranný plyn, který brání oxidaci tavné lázně. Různé slitiny hliníku však mohou mít odlišnou citlivost na čistotu dusíku. Například některé slitiny hliníku s vysokou pevností, používané v leteckém průmyslu, vyžadují extrémně čistý dusík, často v rozmezí 99,999 %. Dusík nižší čistoty může do svaru zavádět nečistoty, což může vést k vzniku pórů nebo ke snížení mechanické pevnosti spoje. Naproti tomu u některých běžných slitin hliníku používaných v méně náročných aplikacích může být přijatelná mírně nižší čistota dusíku kolem 99,99 %, i když i v tomto případě jakákoli významná odchylka může způsobit vadu svaru.

3. Faktory související s vybavením

3.1 Systém dodávky plynu

Plynový rozvodový systém ve svařovací sestavě zahrnuje potrubí, ventily a průtokoměry. Pokud tyto komponenty nejsou čisté nebo jsou vyrobeny z materiálů, které mohou reagovat s dusíkem nebo nečistotami ve vzduchu, mohou ovlivnit čistotu dusíku. Například pokud jsou potrubí rezavá, částice oxidu železnatého mohou být unášeny do proudu dusíku. Ventily, které nejsou správně utěsněné, mohou do systému pustit vzduch, čímž se dusík zředí a sníží se jeho čistota. Průtokoměry je třeba přesně zkalibrovat. Nesprávná rychlost průtoku může vést k nesprávné rovnováze mezi dusíkem a okolním vzduchem v svařovací oblasti. Pokud je průtok dusíku příliš nízký, nemusí účinně chránit svarovou lázeň, což umožní vniknutí kyslíku a sníží efektivní čistotu dusíku v pracovní oblasti.

3.2 Konstrukce laserového svařovacího stroje

Konstrukce samotného svařovacího laserového stroje může ovlivnit čistotu dusíku. Některé svařovací laserové stroje mají lepší utěsněné komory v okolí svařovací zóny, což pomáhá udržovat prostředí s vyšší čistotou dusíku. U strojů s kvalitnějšími těsněními může dojít k průniku vzduchu do svařovací zóny, čímž se ředí dusík. Dále jsou důležitá poloha a orientace plynových trysek, které dodávají dusík. Pokud jsou trysky špatně navržené nebo umístěné, dusík se kolem svarové lázně nemusí rovnoměrně rozdělit. To může vést k místům, kde je koncentrace dusíku nižší, čímž se efektivně snižuje čistota v těchto kritických oblastech.

4. Provozní faktory

4.1 Vlhkost

Vlhkost v okolním prostředí může být významným faktorem ovlivňujícím čistotu dusíku. Vlhkost ve vzduchu může proniknout do proudu dusíku, zejména pokud jsou v systému pro dopravu plynu netěsnosti nebo během procesu výroby dusíku. Vodní pára může reagovat s horkým kovem během svařování, což způsobuje vznik vodíku, který může vést ke vzniku pórů ve svaru. V prostředí s vysokou vlhkostí je třeba přijmout zvláštní opatření, jako je použití adsorpčních sušiček v potrubí pro dodávku dusíku, které odstraňují vlhkost. I malé množství vodní páry v dusíku může mít nepříznivý vliv na kvalitu svaru, proto je důležité udržovat nízkou vlhkost dusíku pro dosažení kvalitních laserových svarů.

4.2 Teplota

Teplotní rozdíly mohou také ovlivnit čistotu dusíku. U některých metod výroby dusíku, jako je například PSA, může být adsorpční kapacita adsorbentních materiálů ovlivněna teplotou. Vyšší teplota může snížit účinnost adsorbentu při odstraňování nečistot z vzduchu, což vede na výstupu k nižší čistotě dusíku. Kromě toho v plynovém rozvodu mohou způsobit teplotní změny roztažnost nebo smrštění potrubí a ventilů. Pokud nejsou tyto komponenty vhodně navrženy tak, aby odolaly takovým teplotním změnám, může dojít k únikům, které umožní vniknutí vzduchu a sníží čistotu dusíku.

5. Časté otázky a odpovědi

Otázka 1: Můžu použít běžný stlačený vzduch místo vysokě čistého dusíku pro svařování laserem?

Odpověď: Běžný stlačený vzduch obsahuje významné množství kyslíku (přibližně 21 %). Během svařování laserem bude kyslík reagovat s roztaveným kovem, což způsobuje oxidaci, pórovitost a snížení mechanických vlastností svaru. Vysokě čistý dusík se používá k vytvoření inertního prostředí kolem svarové lázně, čímž se těmto problémům zabrání. Proto není vhodné používat běžný stlačený vzduch pro svařování laserem.

Otázka 2: Jak často bych měl kontrolovat čistotu dusíku ve svém zařízení pro svařování laserem?

Odpověď: Doporučuje se testovat čistotu dusíku alespoň jednou denně, zejména pokud je proces laserového svařování nepřetržitý. Pokud však dojde k příznakům nízké kvality svaru, jako je nadměrná pórovitost nebo oxidace, měla by být čistota dusíku testována okamžitě. Navíc, pokud došlo k jakýmkoli změnám v systému výroby dusíku, systému dodávky plynu nebo k prostředí, je testování čistoty klíčové pro zajištění stálé kvality svaru.

Otázka 3: Co mohu dělat, pokud zjistím, že čistota dusíku ve vašem zařízení pro laserové svařování je nižší, než je vyžadováno?

Odpověď: Nejprve zkontrolujte systém výroby dusíku. Pokud se jedná o PSA systém, ujistěte se, že sorbent byl správně regenerován a není nasycený. U membránových separačních systémů zkontrolujte membránu, zda není poškozená. V systému dodávky plynu zkontrolujte potrubí, ventily a spoje, zda netečou. Vyčistěte všechny znečištěné komponenty. Pokud se používá kapalný dusík, ujistěte se, že vybavení pro vypařování je čisté a že vedení pro dopravu plynu není znečištěné. Pokud problém přetrvává, zvažte konzultaci s odborným technikem nebo výrobcem zařízení souvisejícího s dusíkem.