عوامل مؤثر بر خلوص نیتروژن در جوشکاری لیزری چیست؟

معرفی

جوشکاری لیزری به یک تکنیک انقلابی در ساخت و تولیدهای مدرن تبدیل شده است و به دلیل دقت بالا، عملکرد با سرعت بالا و منطقه تحت تأثیر گرما بسیار کم شناخته شده است. در این فرآیند، نیتروژن نقش مهمی به عنوان گاز محافظ ایفا می‌کند. نیتروژن با خلوص بالا برای جلوگیری از اکسیداسیون حوضچه جوش، کاهش تخلخل و بهبود کیفیت کلی جوش ضروری است. با این حال، دستیابی و حفظ خلوص نیتروژن مطلوب تحت تأثیر چندین عامل است که در این مقاله به طور مفصل به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

1. منبع نیتروژن

1.1 تولید از هوا

معمولاً نیتروژن مورد استفاده در جوشکاری لیزری از هوا تولید می‌شود. هوا حدوداً ۷۸٪ نیتروژن را در بر دارد، همراه با اکسیژن، آرگون و مقادیر بسیار کمی از سایر گازها. برای به دست آوردن نیتروژن از هوا، روش‌هایی مانند جذب با تغییر فشار (PSA) یا جداسازی غشایی به کار گرفته می‌شوند. در روش PSA، هوا تحت فشار قرار گرفته و از میان یک لایه از مواد جاذب (معمولاً زئولیت‌ها) عبور داده می‌شود. این مواد جاذب تمایل بیشتری به جذب اکسیژن و سایر آلاینده‌ها نسبت به نیتروژن دارند. در نتیجه، گاز نیتروژن از هوا جداسازی شده و جمع‌آوری می‌گردد. با این حال، کارایی سیستم‌های PSA در تولید نیتروژن با خلوص بالا به عواملی مانند کیفیت ماده جاذب، فشار و دمای بهره‌برداری و نرخ جریان هوا ورودی بستگی دارد. اگر ماده جاذب در طول زمان اشباع یا فرسوده شود، می‌تواند منجر به کاهش خلوص نیتروژن گردد. به عنوان مثال، اگر واحد PSA به خوبی نگهداری نشود و ماده جاذب به طور مؤثر بازیابی نگردد، اکسیژن و سایر آلاینده‌ها ممکن است شروع به عبور کنند و خلوص نیتروژن را از مقدار مورد نظر ۹۹/۹۹٪ (یا بالاتر در برخی موارد) به مقدار پایین‌تری کاهش دهند.

دیگر روش، جداسازی با غشا است که در آن از یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. هنگامی که هوای فشرده از این غشا عبور می‌کند، گازهایی با اندازه مولکولی کوچک‌تر (مانند اکسیژن) به راحتی بیشتری نسبت به نیتروژن از غشا عبور می‌کنند. سپس جریان غنی از نیتروژن جمع‌آوری می‌شود. اما عواملی مانند سالم بودن غشا و اختلاف فشار در دو طرف غشا می‌توانند بر خلوص نیتروژن تأثیر بگذارند. یک غشای آسیب‌دیده ممکن است اجازه عبور بیشتر آلاینده‌ها را بدهد و در نتیجه خلوص نیتروژن کاهش یابد.

1.2 نیتروژن مایع

نیتروژن مایع منبع دیگری از نیتروژن برای جوشکاری لیزری است. این ماده در مخازن کریوژنیک ذخیره شده و قبل از استفاده گازی می‌شود. نیتروژن مایع معمولاً خلوص بسیار بالایی دارد، اغلب بیش از 99/999 درصد. با این حال، در طی فرآیند گازی شدن، خطر آلودگی وجود دارد. اگر تجهیزات گازی کننده تمیز نباشد یا اگر در سیستم تحویل نشتی وجود داشته باشد، رطوبت یا سایر گازها از محیط اطراف می‌توانند با نیتروژن مخلوط شوند و خلوص آن را کاهش دهند. به عنوان مثال، اگر عایولن روی مخزن کریوژنیک آسیب ببیند، هوا گرم می‌تواند وارد شود و باعث شود رطوبت تشکیل شود و احتمالاً نیتروژن را در هنگام گازی شدن آلوده کند.

2. الزامات خلوص بر اساس مواد

2.1 جوشکاری فولاد ضد زنگ

در جوشکاری لیزری فولاد ضدزنگ، خلوص نیتروژن بالا بسیار مهم است. فولاد ضدزنگ دارای کروم است که یک لایه اکسید محافظتی روی سطح تشکیل می‌دهد. در حین جوشکاری، اگر خلوص نیتروژن کافی نباشد، اکسیژن می‌تواند با فلز مذاب واکنش دهد و از تشکیل این لایه اکسید محافظتی ممانعت کند. این موضوع می‌تواند منجر به کاهش مقاومت در برابر خوردگی اتصال جوش شود. برای جوشکاری لیزری با کیفیت بالای فولاد ضدزنگ، سطح خلوص نیتروژن 99.995 درصد یا بالاتر اغلب پیشنهاد می‌شود. حتی یک انحراف جزئی از این خلوص می‌تواند باعث اکسیداسیون دیدنی روی سطح جوش شود که نه تنها ظاهر را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه عملکرد بلندمدت قطعه جوشکاری شده را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد.

2.2 آلومینیوم و آلیاژهای آن

آلومینیوم و آلیاژهای آن بسیار واکنش‌پذیر به اکسیژن هستند. در جوشکاری لیزری این مواد، نیتروژن به عنوان گاز محافظ عمل می‌کند و از اکسیداسیون حوضچه مذاب جلوگیری می‌کند. با این حال، آلیاژهای مختلف آلومینیومی ممکن است حساسیت متفاوتی نسبت به خلوص نیتروژن داشته باشند. به عنوان مثال، برخی از آلیاژهای آلومینیومی با مقاومت بالا که در کاربردهای هوافضایی استفاده می‌شوند، به نیتروژن بسیار خالص نیاز دارند، معمولاً در محدوده 99.999%. استفاده از نیتروژن با خلوص پایین‌تر می‌تواند ناخالصی‌هایی را به جوش وارد کند و منجر به ایجاد تخلخل یا کاهش استحکام مکانیکی اتصال گردد. در مقابل، برای برخی از آلیاژهای آلومینیومی رایج که در کاربردهای کم‌اهمیت‌تر استفاده می‌شوند، خلوص نیتروژن در حدود 99.99% ممکن است قابل قبول باشد، اما هرگونه انحراف قابل توجهی می‌تواند باعث ایجاد عیوب در جوش شود.

3. عوامل مربوط به تجهیزات

3.1 سیستم تحویل گاز

سیستم انتقال گاز در یک سیستم جوشکاری لیزری شامل لوله‌ها، شیرآلات و دستگاه‌های اندازه‌گیری دبی است. اگر این اجزا تمیز نباشند یا از موادی ساخته شده باشند که می‌توانند با نیتروژن یا آلاینده‌های موجود در هوا واکنش دهند، می‌توانند بر خلوص نیتروژن تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، اگر لوله‌ها زنگ زده باشند، ذرات اکسید آهن می‌توانند وارد جریان نیتروژن شوند. شیرهایی که به خوبی آب‌بندی نشده‌اند می‌توانند اجازه دهند هوا به داخل سیستم نفوذ کند و نیتروژن را رقیق کند و خلوص آن را کاهش دهد. دستگاه‌های اندازه‌گیری دبی نیازمند کالیبراسیون دقیق هستند. یک دبی نادرست می‌تواند منجر به تعادل نامناسب بین نیتروژن و هوا در منطقه جوشکاری شود. اگر دبی نیتروژن خیلی کم باشد، ممکن است بتواند به خوبی حوضچه جوش را حفاظت نکند و اجازه ورود اکسیژن را داده و خلوص مؤثر نیتروژن در منطقه کاری را کاهش دهد.

3.2 طراحی دستگاه جوشکاری لیزری

طراحی ماشین جوشکاری لیزری از نظر خود می‌تواند بر خلوص نیتروژن تأثیر بگذارد. برخی از دستگاه‌های جوشکاری لیزری دارای محفظه‌های بهتر در اطراف ناحیه جوشکاری هستند که به حفظ محیط نیتروژن با خلوص بالاتر کمک می‌کنند. در دستگاه‌هایی که درزگیری ضعیفی دارند، هوا می‌تواند به منطقه جوش نفوذ کند و نیتروژن را رقیق کند. علاوه بر این، موقعیت و جهت نازل‌های گاز که نیتروژن را تأمین می‌کنند نیز مهم است. اگر نازل‌ها به خوبی طراحی یا قرار داده نشوند، نیتروژن ممکن است به طور یکنواخت در اطراف حوضچه جوش توزیع نشود. این موضوع می‌تواند منجر به ایجاد مناطقی با غلظت نیتروژن پایین‌تر شود که به طور موثر خلوص در این مناطق حیاتی را کاهش می‌دهد.

4. عوامل محیطی

4.1 رطوبت

رطوبت در محیط اطراف می‌تواند یک عامل مهم در ایجاد تأثیر روی خلوص نیتروژن باشد. رطوبت موجود در هوا می‌تواند به جریان نیتروژن نفوذ کند، به ویژه اگر در سیستم انتقال گاز یا در فرآیند تولید نیتروژن نشتی وجود داشته باشد. بخار آب می‌تواند با فلز داغ در حین جوشکاری واکنش دهد و باعث تولید هیدروژن شود که می‌تواند منجر به تشکیل حفره‌هایی در جوش گردد. در محیط‌های با رطوبت بالا، اقدامات خاصی باید انجام شود، مانند استفاده از خشک‌کننده‌های جاذب در خط تأمین نیتروژن برای حذف رطوبت. حتی مقدار کمی بخار آب در نیتروژن نیز می‌تواند تأثیر مخربی روی کیفیت جوش داشته باشد، بنابراین حفظ رطوبت پایین در نیتروژن برای دستیابی به جوش‌های لیزری با کیفیت بالا ضروری است.

4.2 دما

تغییرات دما نیز می‌تواند بر خلوص نیتروژن تأثیر بگذارد. در برخی روش‌های تولید نیتروژن مانند PSA، ظرفیت جذب مواد جاذب می‌تواند تحت تأثیر دما قرار گیرد. دماهای بالاتر می‌توانند کارایی مواد جاذب در حذف ناخالصی‌ها از هوا را کاهش دهند و در نتیجه خروجی نیتروژن با خلوص پایین‌تری همراه باشند. علاوه بر این، در سیستم تحویل گاز، تغییرات دما می‌تواند باعث انبساط یا انقباض لوله‌ها و شیرآلات شود. اگر این اجزا به‌خوبی طراحی نشده باشند تا بتوانند در برابر چنین تغییرات دمایی مقاومت کنند، ممکن است باعث نشتی شوند و اجازه ورود هوا داده شود و در نتیجه خلوص نیتروژن کاهش یابد.

5. سوالات متداول و پاسخ‌ها

سوال 1: آیا می‌توان از هوای فشرده معمولی به جای نیتروژن خالص برای جوشکاری لیزری استفاده کرد؟

پاسخ: هوای فشرده معمولی حاوی مقدار قابل توجهی اکسیژن (حدود 21 درصد) است. در حین جوشکاری لیزری، اکسیژن با فلز مذاب واکنش داده و باعث اکسیداسیون، تخلخل و کاهش خواص مکانیکی جوش می‌شود. از نیتروژن خالص برای ایجاد محیط بی‌اثر در اطراف حوضچه جوش استفاده می‌شود تا از این مشکلات جلوگیری شود. بنابراین استفاده از هوای فشرده معمولی برای جوشکاری لیزری پیشنهادی نیست.

سوال 2: باید چقدر از خلوص نیتروژن در سیستم جوشکاری لیزری خود آزمایش کنم؟

پاسخ: توصیه می‌شود خلوص نیتروژن را حداقل یک بار در روز آزمایش کنید، به خصوص اگر فرآیند جوشکاری لیزری مداوم باشد. با این حال، در صورت مشاهده هرگونه نشانه از کیفیت ضعیف جوش، مانند تخلخل بیش از حد یا اکسیداسیون، باید بلافاصله خلوص نیتروژن را آزمایش کنید. علاوه بر این، اگر هرگونه تغییری در سیستم تولید نیتروژن، سیستم تحویل گاز یا محیط انجام شده باشد، آزمایش خلوص برای اطمینان از کیفیت یکنواخت جوش ضروری است.

سوال 3: اگر متوجه شدم خلوص نیتروژن در تنظیم جوشکاری لیزری من پایین‌تر از حد مورد نیاز است، چه می‌توانم انجام دهم؟

پاسخ: ابتدا سیستم تولید نیتروژن را بررسی کنید. اگر سیستم از نوع جذب با ضربه فشاری (PSA) است، مطمئن شوید که ماده جاذب به درستی دژنره شده و اشباع نشده است. برای سیستم‌های جداسازی با غشا، غشای مورد استفاده را از نظر آسیب چک کنید. در سیستم تحویل گاز، لوله‌ها، شیرآلات و اتصالات را به منظور وجود نشتی بررسی کنید. قطعات کثیف را تمیز کنید. در صورت استفاده از نیتروژن مایع، مطمئن شوید تجهیزات تبخیر کننده تمیز است و خطوط تحویل آلوده نیستند. اگر مشکل ادامه داشت، ممکن است نیاز باشد با یک تکنسین متخصص یا تولیدکننده تجهیزات مربوط به نیتروژن مشورت کنید.