Apa saja faktor yang mempengaruhi kemurnian nitrogen dalam pengelasan laser?

Pengantar

Lasing laser telah menjadi teknik revolusioner dalam manufaktur modern, yang terkenal karena presisi, kecepatan operasi yang tinggi, dan zona yang terpapar panas yang minimal. Dalam proses ini, nitrogen memainkan peran penting sebagai gas pelindung. nitrogen kemurnian tinggi sangat penting untuk mencegah oksidasi kolam las, mengurangi porositas, dan meningkatkan kualitas keseluruhan las. Namun, mencapai dan mempertahankan kemurnian nitrogen yang diinginkan dipengaruhi oleh beberapa faktor, yang akan kita selidiki secara rinci dalam artikel ini.

1. Sumber nitrogen

1.1 Generasi Atmosfer

Sebagian besar nitrogen yang digunakan dalam pengelasan laser berasal dari udara. Udara mengandung sekitar 78% nitrogen, bersama dengan oksigen, argon, dan sejumlah kecil gas lainnya. Untuk memperoleh nitrogen dari udara, metode seperti pressure swing adsorption (PSA) atau pemisahan membran biasanya digunakan. Dalam metode PSA, udara dikompresi dan dialirkan melalui tumpukan bahan penyerap (umumnya zeolit). Bahan-bahan ini memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap oksigen dan kotoran lainnya dibandingkan dengan nitrogen. Akibatnya, gas nitrogen terpisah dan dikumpulkan. Namun, efisiensi sistem PSA dalam menghasilkan nitrogen kemurnian tinggi bergantung pada beberapa faktor seperti kualitas bahan penyerap, tekanan dan suhu operasi, serta laju aliran udara masuk. Jika bahan penyerap menjadi jenuh atau terdegradasi seiring waktu, hal ini dapat menyebabkan penurunan kemurnian nitrogen. Contohnya, jika unit PSA tidak dipelihara dengan baik dan bahan penyerap tidak diregenerasi secara efektif, maka oksigen dan kontaminan lainnya mulai menembus, sehingga menurunkan kemurnian nitrogen dari nilai yang diinginkan sebesar 99,99% (atau lebih tinggi dalam beberapa kasus) ke nilai yang lebih rendah.

Pemisahan membran, di sisi lain, menggunakan membran semi-permeabel. Ketika udara terkompresi melewati membran ini, gas dengan ukuran molekul lebih kecil (seperti oksigen) lebih mudah menembus membran dibandingkan nitrogen. Aliran kaya nitrogen kemudian dikumpulkan. Namun faktor-faktor seperti integritas membran dan perbedaan tekanan di kedua sisi membran dapat mempengaruhi kemurniannya. Membran yang rusak dapat memungkinkan lebih banyak kontaminan melewati, sehingga mengurangi kemurnian nitrogen.

1.2 Liquid Nitrogen

Nitrogen cair adalah sumber nitrogen lain untuk pengelasan laser. Nitrogen cair disimpan dalam tangki kriogenik dan diuapkan sebelum digunakan. Nitrogen cair umumnya memiliki kemurnian sangat tinggi, seringkali di atas 99,999%. Namun, selama proses penguapan, ada risiko terjadinya kontaminasi. Jika peralatan penguapan tidak bersih atau terdapat kebocoran pada sistem pengiriman, uap air atau gas lain dari lingkungan sekitar dapat bercampur dengan nitrogen, sehingga menurunkan kemurniannya. Sebagai contoh, jika insulasi pada tangki kriogenik rusak, udara hangat dapat masuk, menyebabkan uap air mengembun dan berpotensi mencemari nitrogen saat menguap.

2. Persyaratan Kemurnian Berdasarkan Material

2.1 Pengelasan Baja Tahan Karat

Dalam pengelasan logam stainless steel dengan laser, kemurnian nitrogen yang tinggi sangatlah penting. Stainless steel mengandung kromium yang membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaannya. Selama proses pengelasan, apabila kemurnian nitrogen tidak mencukupi, oksigen dapat bereaksi dengan logam cair dan mengganggu pembentukan lapisan oksida pelindung tersebut. Hal ini dapat menyebabkan penurunan ketahanan korosi pada sambungan las. Untuk pengelasan stainless steel dengan laser berkualitas tinggi, tingkat kemurnian nitrogen sebesar 99,995% atau lebih tinggi umumnya direkomendasikan. Bahkan sedikit penyimpangan dari kemurnian tersebut dapat menyebabkan oksidasi yang terlihat pada permukaan las, yang tidak hanya mempengaruhi estetika tetapi juga performa jangka panjang komponen yang dilas.

2.2 Aluminium dan Paduannya

Aluminium dan paduannya sangat reaktif terhadap oksigen. Dalam pengelasan laser bahan-bahan ini, nitrogen bertindak sebagai gas pelindung untuk mencegah oksidasi pada kolam lelehan. Namun, berbagai jenis paduan aluminium mungkin memiliki tingkat sensitivitas berbeda terhadap kemurnian nitrogen. Sebagai contoh, beberapa paduan aluminium berkekuatan tinggi yang digunakan dalam aplikasi kedirgantaraan memerlukan nitrogen yang sangat murni, biasanya pada kisaran 99,999%. Nitrogen dengan kemurnian lebih rendah dapat memperkenalkan kotoran ke dalam lasan, menyebabkan terbentuknya porositas atau mengurangi kekuatan mekanis sambungan. Sebaliknya, untuk beberapa paduan aluminium umum yang digunakan dalam aplikasi yang kurang kritis, kemurnian nitrogen sekitar 99,99% mungkin masih dapat diterima, tetapi tetap saja, penyimpangan yang signifikan dapat menyebabkan cacat lasan.

3. Faktor - Faktor Terkait Peralatan

3.1 Sistem Pengaliran Gas

Sistem pengiriman gas dalam pengaturan pengelasan laser mencakup pipa, katup, dan meter aliran. Jika komponen-komponen ini tidak bersih atau terbuat dari bahan yang dapat bereaksi dengan nitrogen atau kontaminan di udara, maka hal ini dapat mempengaruhi kemurnian nitrogen. Sebagai contoh, jika pipa berkarat, partikel besi oksida dapat terbawa ke dalam aliran nitrogen. Katup yang tidak disegel dengan baik dapat memungkinkan udara masuk ke dalam sistem, mengencerkan nitrogen dan mengurangi kemurniannya. Meter aliran perlu dikalibrasi secara akurat. Laju aliran yang tidak tepat dapat menyebabkan ketidakseimbangan antara nitrogen dan udara sekitar di area pengelasan. Jika laju aliran nitrogen terlalu rendah, nitrogen mungkin tidak dapat secara efektif melindungi kolam las, sehingga memungkinkan oksigen masuk dan mengurangi kemurnian efektif nitrogen di area kerja.

3.2 Desain Mesin Pengelasan Laser

Desain mesin las laser itu sendiri dapat memengaruhi kemurnian nitrogen. Beberapa mesin las laser memiliki ruang yang lebih tertutup di sekitar area pengelasan, yang membantu mempertahankan lingkungan nitrogen dengan kemurnian lebih tinggi. Pada mesin dengan segel berkualitas buruk, udara dapat meresap ke zona pengelasan, mengencerkan nitrogen. Selain itu, posisi dan orientasi nozzle gas yang mengalirkan nitrogen juga penting. Jika nozzle tidak dirancang atau diposisikan dengan baik, nitrogen mungkin tidak terdistribusi secara merata di sekitar kolam las. Hal ini dapat menghasilkan area dengan konsentrasi nitrogen yang lebih rendah, secara efektif menurunkan kemurnian di wilayah kritis tersebut.

4. Faktor Lingkungan

4.1 Kelembapan

Kelembapan di lingkungan sekitar dapat menjadi faktor penting yang mempengaruhi kemurnian nitrogen. Uap air di udara dapat masuk ke dalam aliran nitrogen, terutama jika terdapat kebocoran pada sistem pengiriman gas atau selama proses penghasilan nitrogen. Uap air dapat bereaksi dengan logam panas selama pengelasan, menyebabkan terbentuknya hidrogen yang dapat mengakibatkan porositas pada sambungan las. Pada lingkungan dengan kelembapan tinggi, langkah pencegahan khusus perlu diambil, seperti menggunakan pengering desikant pada jalur pasokan nitrogen untuk menghilangkan uap air. Bahkan sejumlah kecil uap air dalam nitrogen dapat berdampak buruk terhadap kualitas pengelasan, sehingga menjaga kelembapan nitrogen tetap rendah sangatlah penting untuk menghasilkan sambungan las laser berkualitas tinggi.

4.2 Suhu

Variasi suhu juga dapat memengaruhi kemurnian nitrogen. Pada beberapa metode generasi nitrogen, seperti PSA (Pressure Swing Adsorption), kapasitas adsorpsi bahan penyerap dapat terpengaruh oleh suhu. Suhu yang lebih tinggi dapat mengurangi efisiensi bahan penyerap dalam menghilangkan kotoran dari udara, menghasilkan output nitrogen dengan kemurnian lebih rendah. Selain itu, pada sistem pengiriman gas, perubahan suhu dapat menyebabkan pemuaian atau penyusutan pipa dan katup. Jika komponen-komponen ini tidak dirancang dengan baik untuk menahan perubahan akibat suhu tersebut, hal ini dapat menyebabkan kebocoran, memungkinkan udara masuk dan menurunkan kemurnian nitrogen.

5. Pertanyaan dan Jawaban Umum

Pertanyaan 1: Apakah saya dapat menggunakan udara tekan biasa sebagai pengganti nitrogen kemurnian tinggi untuk pengelasan laser?

Jawaban: Udara tekan biasa mengandung jumlah oksigen yang signifikan (sekitar 21%). Selama pengelasan laser, oksigen akan bereaksi dengan logam cair, menyebabkan oksidasi, porositas, dan penurunan sifat mekanik dari sambungan las. Nitrogen kemurnian tinggi digunakan untuk menciptakan lingkungan inert di sekitar kolam las, mencegah masalah-masalah tersebut. Oleh karena itu, tidak disarankan menggunakan udara tekan biasa untuk pengelasan laser.

Pertanyaan 2: Seberapa sering saya harus menguji kemurnian nitrogen pada instalasi pengelasan laser saya?

Jawaban: Disarankan untuk menguji kemurnian nitrogen setidaknya sekali sehari, terutama jika proses pengelasan dengan laser berlangsung secara kontinu. Namun, jika terdapat tanda-tanda kualitas las yang buruk, seperti porositas atau oksidasi berlebihan, kemurnian nitrogen harus segera diuji. Selain itu, jika terjadi perubahan pada sistem pembangkit nitrogen, sistem pengiriman gas, atau lingkungan, pengujian kemurnian menjadi sangat penting untuk memastikan konsistensi kualitas las.

Pertanyaan 3: Apa yang dapat saya lakukan jika saya menemukan bahwa kemurnian nitrogen pada perangkat las laser saya lebih rendah dari yang dibutuhkan?

Jawaban: Pertama, periksa sistem pembangkit nitrogen. Jika sistem tersebut adalah sistem PSA, pastikan adsorben diregenerasi dengan benar dan tidak jenuh. Untuk sistem pemisahan membran, periksa membran apakah ada kerusakan. Pada sistem pengiriman gas, periksa kebocoran pada pipa, katup, dan sambungan. Bersihkan komponen yang kotor. Jika menggunakan nitrogen cair, pastikan peralatan penguapannya bersih dan jalur pengirimannya bebas dari kontaminasi. Jika masalah tetap terjadi, pertimbangkan untuk berkonsultasi dengan teknisi profesional atau produsen peralatan terkait nitrogen.