Mikä vaikuttaa typpipuhdistukseen laserhitsauksessa?

Esittely

Laserhitsaus on noussut uutta tekniikkaa nykyaikaisessa valmistuksessa, jota tunnetaan tarkkuudestaan, korkeasta nopeudesta ja vähäisestä lämmön vaikutusvyöhykkeestä. Tässä prosessissa typellä on tärkeä rooli suojauskaasuna. Korkealaatuinen typpi on välttämätön estämään hitsauskaaren hapettumista, vähentämään huokosmuutoksia ja parantamaan hitsauksen yleislaatua. Typpikaasun halutun puhtauden saavuttaminen ja ylläpitäminen vaikuttavat useat tekijät, joita tarkastellaan tässä artikkelissa yksityiskohtaisesti.

1. Typpilähde

1.1 Ilmakehän tuotanto

Tyypillisimmin laserhitsauksessa käytettävä typpi tuotetaan ilmasta. Ilmassa on noin 78 % typpeä sekä happea, argonia ja jälkiä muista kaasuista. Typlen erottamiseksi ilmasta käytetään menetelmiä, kuten paineheilahdusadsorptiota (PSA) tai kalvoerottelua. PSA-menetelmässä ilmaa puristetaan ja se ohjataan adsorbenttimateriaalien (yleensä zeoliittien) läpi. Näillä materiaaleilla on happiin ja muihin epäpuhtauksiin nähden suurempi sitoutumiskyky typpeen verrattuna. Näin typpikaasu erotetaan ja kerätään. PSA-järjestelmien tehokkuus typen puhdistuksessa riippuu kuitenkin monet tekijöistä, kuten adsorbentin laadusta, käyttöpaineesta ja lämpötilasta sekä sisääntulevan ilman virtausnopeudesta. Jos adsorbentti kyllästyy tai heikkenee ajan mittaan, typlen puhdastaso voi laskea. Esimerkiksi, jos PSA-yksikköä ei huolleta asianmukaisesti tai adsorbenttia ei regeneroida tehokkaasti, happi ja muut epäpuhtaudet voivat alkaa päätyä erotettuun typpikaasuun, jolloin typlen puhdastaso laskee halutusta 99,99 %:sta (tai korkeammasta puhdastasosta joissakin tapauksissa) alempaan arvoon.

Toisaalta kalvoerotuksessa käytetään puoliläpäisevää kalvoa. Kun paineilma kulkee tämän kalvon läpi, kaasut, joiden molekyylikoot ovat pienempiä (kuten happi), läpäisevät kalvon helpommin kuin typpeä. Typpipitoista virtausta kerätään sitten. Mutta tekijät, kuten kalvon eheyden säilyminen ja kalvon yli oleva paine-ero, voivat vaikuttaa puhtouteen. Vaurioitunut kalvo voi sallia enemmän epäpuhtauksia läpäisemään, mikä vähentää typen puhdettomuutta.

1.2 Nestemäinen typpi

Vesivä typpeä on toinen typpeä lasersuhdetta varten. Se säilytetään kriogeenisissa säiliöissä ja haihduttaa ennen käyttöä. Vesipitoinen typpi on tyypillisesti erittäin puhdas, usein yli 99,999%. Mutta höyrystysprosessin aikana on olemassa saastumisen vaara. Jos höyrystyslaite ei ole puhdas tai jos annostelujärjestelmässä on vuoto, ympäristön kosteus tai muut kaasut voivat sekoittaa typpeä ja vähentää sen puhtautta. Jos esimerkiksi kylmäpolttoaineen eristyslaite vahingoittuu, lämpimä ilma voi tulla sisään, mikä aiheuttaa kosteuden tiivistymisen ja mahdollisesti saastuttaa typpiä haihtuessa.

2. Suomalainen Materiaaleihin perustuvat puhtausvaatimukset

2.1 Ruostumaton teräs hitsastus

Kun ruostumattomaan teräkseen tehdään laserhitsausta, typen korkea puhtaus on erittäin tärkeää. Ruostumaton teräs sisältää kromia, joka muodostaa suojakerroksen pinnalle. Hittausta suoritettaessa, jos typen puhtaus ei ole riittävän hyvä, happi voi reagoida sulan metallin kanssa, mikä häiritsee tämän suojakerroksen muodostumista. Tämä voi johtaa hitsausliitännän korroosionkestävyyden heiketmiseen. Korkealaatuisessa ruostumattomasta teräksestä tehdylässä laserhitsauksessa suositellaan typen puhtaustasoa, joka on 99,995 % tai korkeampi. Jo pienikin poikkeama tästä puhtauden tasosta voi aiheuttaa näkyvän hapettumisen hitsin pinnalle, mikä vaikuttaa sekä ulkonäköön että hitsatun komponentin pitkäaikaiseen suorituskykyyn.

2.2 Alumiini ja sen seokset

Alumiini ja sen seokset ovat erittäin reaktiivisia happiatomien kanssa. Näiden materiaalien laserhitsauksessa typpeä käytetään suojaamaan sulan kuplan hapettumista. Kuitenkin eri alumiiniseokset voivat olla eri herkkiä typen puhtaudelle. Esimerkiksi jotkin korkean lujuuden alumiiniseokset, joita käytetään ilmailusovelluksissa, vaativat erittäin puhdasta typpeä, usein 99,999 %:n puhtautta. Alhaisempi typen puhtaus voi aiheuttaa epäpuhtauksia hitsiin, mikä johtaa huokosten muodostumiseen tai heikentää liitoksen mekaanista lujuutta. Sen sijaan joillekin yleisille alumiiniseoksille, joita käytetään vähemmän kriittisissä sovelluksissa, noin 99,99 %:n typen puhtaus saattaa olla hyväksyttävää, mutta silti merkittävä poikkeama voi aiheuttaa hitsausvirheitä.

3. Laitetekniikkaan liittyvät tekijät

3.1 Kaasujen jakelujärjestelmä

Kaasunjakojärjestelmässä laserhitsauslaitteistossa on putkia, venttiileitä ja virtausmittareita. Jos nämä komponentit eivät ole puhtaita tai niiden valmistusmateriaalit voivat reagoida typpikaasun tai ilman epäpuhtauksien kanssa, ne voivat vaikuttaa typen puhtaukseen. Esimerkiksi, jos putket ovat ruostuneet, rautaoksidipartikkeleita voi kulkeutua typen virtaukseen. Huonosti tiivistetyt venttiilit voivat sallia ilman vuotamisen järjestelmään, jolloin typen laatu heikkenee ja sen puhdasuus laskee. Virtausmittareiden kalibrointi tulee olla tarkkaa. Virheellinen virtausnopeus voi johtaa epätasapainoon typen ja hitsausalueen ympäröivän ilman välillä. Jos typen virtausnopeus on liian alhainen, se ei välttämättä eristä hitsauskuplaa tehokkaasti, jolloin happi pääsee alueelle ja typen tehollinen puhdasuus työskentelyalueella laskee.

3.2 Laserhitsauskoneen rakenne

Laserhitsauskoneen suunnittelu voi vaikuttaa typpipuhdistukseen. Jotkin laserhitsauskoneet ovat varustetut paremmin tiivistetyillä kammioilla hitsausalueen ympärille, mikä auttaa yllättämään korkeampaa puhtuutta typpiympäristössä. Koneissa, joissa on huonolaatuiset tiivisteet, ilma voi tunkeutua hitsausalueelle laimentamalla typpeä. Lisäksi typpikaasun ruiskutusputkien sijoittaminen ja suunta ovat tärkeitä. Jos putket eivät ole oikein suunniteltu tai sijoitettu, typpi ei välttämättä jaaudu tasaisesti hitsausaltaan ympärille. Tämä voi johtaa alueisiin, joissa typpipitoisuus on alhaisempi, mikä tehokkaasti alentaa puhtautta näissä kriittisissä kohdissa.

4. Ympäristötekijät

4.1 Kosteus

Ympäristön kosteus voi olla merkittävä tekijä, joka vaikuttaa typpipuhdistukseen. Ilman kosteus voi päästä typen virtaukseen, erityisesti jos kaasunjakojärjestelmässä on vuotoja tai typen tuotannon aikana. Vesihöyry voi reagoida kuuman metallin kanssa hitsauksessa, mikä johtaa vetyä muodostumiseen, joka voi aiheuttaa huokosia hitsiin. Korkeassa kosteudessa on otettava erityistoimenpiteitä, kuten desikaattori- tai kuivauslaitteiden käyttö typen syöttölinjassa kosteuden poistamiseksi. Jo pienikin määrä vesihöyryä typessä voi haitallisesti vaikuttaa hitsin laatuun, joten typpipuhdistuksen säilyttäminen matalalla kosteudella on välttämätöntä korkealaatuisten laserhitsien saavuttamiseksi.

4.2 Lämpötila

Lämpötilan vaihtelut voivat myös vaikuttaa typen puhtouteen. Tietyissä typen tuotantomenetelmissä, kuten PSA:ssa, adsorbenttien adsorptiokyky voi olla riippuvainen lämpötilasta. Korkeammat lämpötilat voivat heikentää adsorbentin tehokkuutta ilman epäpuhtauksien poistamisessa, mikä johtaa alhaisempaan typen puhtouteen. Lisäksi kaasujen toimitusjärjestelmässä lämpötilan muutokset voivat aiheuttaa putkistojen ja venttiilien laajenemista tai kutistumista. Jos näitä komponentteja ei ole suunniteltu kestämään tällaisia lämpötilan aiheuttamia muutoksia, siitä voi aiheutua vuotoja, joiden kautta ilmaa pääsee sisään ja typen puhtous laskee.

5. Usein kysytyt kysymykset ja vastaukset

Kysymys 1: Voinko käyttää tavallista puristettua ilmaa korkean puhtauden typen sijaan laserhitsauksessa?

Vastaus: Tavallinen puristettu ilma sisältää merkittävän määrän happea (noin 21 %). Laserhitsauksen aikana happi reagoi sulan metallin kanssa, mikä aiheuttaa hapettumista, huokosmuutoksia ja hitsin mekaanisten ominaisuuksien heikentymistä. Korkean puhtauden typpeä käytetään luomaan inertti ympäristö hitsausaltaaseen, estämään nämä ongelmat. Siksi tavallisen puristetun ilman käyttöä laserhitsauksessa ei suositella.

Kysymys 2: Kuinka usein typen puhtautta tulisi testata laserhitsausjärjestelmässä?

Vastaus: Typpipuhdistuuden testaaminen vähintään kerran päivässä on suositeltavaa, erityisesti jos laserhitsausprosessi on jatkuvaa. Kuitenkin, jos havaitset huonon hitsilaadun oireita, kuten liiallista huokosmuodostusta tai hapettumista, typpipuhdistuuden testaaminen tulee suorittaa välittömästi. Lisäksi, mikäli typen tuotantosysteemissä, kaasunjakelujärjestelmässä tai ympäristössä on tapahtunut muutoksia, puhdistuuden testaaminen on ratkaisevan tärkeää varmistaaksesi yhtenäinen hitsauslaatu.

Kysymys 3: Mitä voin tehdä, jos havaitaan, että typpipuhdistuslaserhitsausjärjestelmässäni on alhaisempi kuin vaadittu puhdistusaste?

Vastaus: Tarkista ensin typen tuotantosysteemi. Jos kyseessä on PSA-systeemi, varmista, että adsorbentti regeneroituu oikein eikä se ole kyllästynyt. Kalvoerottelusysteemeissä tarkista kalvon mahdolliset vauriot. Kaasunjakosysteemissä tarkista putket, venttiilit ja liitännät vuotojen varalta. Puhdista likaiset komponentit. Jos käytössä on nestetyppeä, varmista, että höyrystyslaitteisto on puhdasta ja että toimitusputket eivät ole saastuneet. Jos ongelma jatkuu, harkitse ammattitaitoisen teknikon tai typen laitteiden valmistajan asiantiedon hyödyntämistä.