Welke factoren beïnvloeden de stikstofzuiverheid bij laserlassen?

Inleiding

Laserlassen is uitgegroeid tot een revolutionaire techniek in de moderne productie en staat bekend om zijn precisie, hoge snelheid en minimale warmtebeïnvloede zone. Tijdens dit proces speelt stikstof een cruciale rol als beschermgas. Zuiver stikstof is essentieel om oxidatie van de smeltbad te voorkomen, de porositeit te verminderen en de algehele lasqualiteit te verbeteren. Het bereiken en behouden van de gewenste stikstofzuiverheid wordt echter beïnvloed door verschillende factoren, die we in dit artikel uitgebreid zullen bespreken.

1. Bron van stikstof

1.1 Atmosferische opwekking

Stikstof die gebruikt wordt voor laswerk met een laser wordt meestal uit de lucht gewonnen. Lucht bevat ongeveer 78% stikstof, samen met zuurstof, argon en sporen van andere gassen. Om stikstof uit lucht te verkrijgen, worden methoden zoals drukwisseladsorptie (PSA) of membraanscheiding gebruikt. Bij PSA wordt lucht gecomprimeerd en door een bed van adsorptiematerialen geleid (meestal zeolieten). Deze materialen hebben een grotere affiniteit voor zuurstof en andere onzuiverheden dan voor stikstof. Als gevolg hiervan wordt stikstofgas gescheiden en opgevangen. De efficiëntie van PSA-systemen bij de productie van hoogwaardige stikstof hangt echter af van factoren zoals de kwaliteit van het adsorptiemateriaal, de werkdruk en -temperatuur, en de stroomsnelheid van de binnenkomende lucht. Als het adsorptiemateriaal na verloop van tijd verzadigd of gedegradeerd raakt, kan dit leiden tot een afname van de stikstofkwaliteit. Als bijvoorbeeld de PSA-unit niet goed wordt onderhouden en het adsorptiemateriaal niet effectief wordt geregenereerd, kunnen zuurstof en andere verontreinigingen beginnen door te slaan, waardoor de stikstofkwaliteit daalt van de gewenste 99,99% (of hoger in sommige gevallen) naar een lagere waarde.

Membranenscheiding gebruikt daarentegen een halfdoorlatend membraan. Wanneer gecomprimeerde lucht door dit membraan stroomt, dringen gassen met kleinere moleculaire afmetingen (zoals zuurstof) gemakkelijker door het membraan dan stikstof. De stikstofrijke stroom wordt vervolgens verzameld. Maar factoren zoals de integriteit van het membraan en het drukverschil over het membraan kunnen de zuiverheid beïnvloeden. Een beschadigd membraan kan meer verontreinigingen doorgelaten, waardoor de stikstofzuiverheid afneemt.

1.2 Vloeibare stikstof

Stikstof in vloeibare vorm is nog een bron van stikstof voor laserlassen. Het wordt opgeslagen in cryogene tanks en geëvaporeerd vóór gebruik. Vloeibare stikstof heeft doorgaans een zeer hoge zuiverheid, vaak boven de 99,999%. Tijdens het verdampingsproces bestaat echter het risico op verontreiniging. Indien de verdampingsequipment niet schoon is of er een lek in het transportsysteem zit, kan vocht of andere gassen uit de omgeving zich met de stikstof mengen, waardoor de zuiverheid afneemt. Als bijvoorbeeld de isolatie van de cryogene tank beschadigd is, kan warme lucht binnendringen, waardoor vocht condenseert en de stikstof mogelijk verontreinigt tijdens het verdampen.

2. Zuiverheidseisen op basis van materialen

2.1 Lassen van roestvrij staal

Bij het lassen van roestvast staal met een laser is een hoge stikstofzuiverheid van groot belang. Roestvast staal bevat chroom, dat een beschermende oxide laag op het oppervlak vormt. Tijdens het lassen kan, indien de stikstofzuiverheid onvoldoende is, zuurstof reageren met het smeltmetaal, waardoor de vorming van deze beschermende oxide laag wordt verstoord. Dit kan leiden tot een afname van de corrosiebestendigheid van de gelaste verbinding. Voor hoogwaardig lassen van roestvast staal met een laser worden vaak stikstofzuiverheidsniveaus van 99,995% of hoger aanbevolen. Zelfs een geringe afwijking van deze zuiverheid kan zichtbare oxidatie op het lasoppervlak veroorzaken, wat niet alleen het uiterlijk beïnvloedt, maar ook de langdurige prestaties van het gelaste onderdeel.

2.2 Aluminium en zijn legeringen

Aluminium en zijn legeringen zijn zeer reactief op zuurstof. Bij het lassen met laser van deze materialen fungeert stikstof als een schild om oxidatie van het smeltbad te voorkomen. Echter, verschillende aluminiumlegeringen kunnen een verschillende gevoeligheid hebben voor de zuiverheid van stikstof. Bijvoorbeeld, sommige hoogwaardige aluminiumlegeringen die worden gebruikt in luchtvaarttoepassingen vereisen uiterst zuivere stikstof, vaak in het bereik van 99,999%. Minder zuivere stikstof kan onzuiverheden in de las introduceren, wat kan leiden tot porositeit of tot verminderde mechanische sterkte van de verbinding. Daarentegen kan voor sommige gangbare aluminiumlegeringen die worden gebruikt in minder kritische toepassingen, een iets lagere stikstofzuiverheid van ongeveer 99,99% aanvaardbaar zijn, maar ook hier kan elke significante afwijking lasfouten veroorzaken.

3. Factoren in verband met de apparatuur

3.1 Gastoedieningssysteem

Het gasleidingsysteem in een lasinstallatie voor laserlassen omvat leidingen, kleppen en flowmeters. Indien deze componenten niet schoon zijn of gemaakt zijn van materialen die kunnen reageren met stikstof of de verontreinigingen in de lucht, dan kan dit de stikstofzuiverheid beïnvloeden. Als de leidingen bijvoorbeeld roest bevatten, kunnen ijzerdeeltjes in de stikstofstroom terechtkomen. Kleppen die niet goed afgedicht zijn, kunnen lucht in het systeem laten ontsnappen, waardoor de stikstof verdund wordt en de zuiverheid ervan afneemt. Flowmeters moeten nauwkeurig gekalibreerd zijn. Een onjuiste stroomsnelheid kan leiden tot een onevenwichtige verhouding tussen stikstof en de omringende lucht in het lasgebied. Als de stikstofstroomsnelheid te laag is, kan dit ertoe leiden dat de lasbad niet effectief beschermd wordt, waardoor zuurstof kan binnendringen en de effectieve stikstofzuiverheid in het werkgebied afneemt.

3.2 Ontwerp van een laserlasmachine

Het ontwerp van de laserlasmachine zelf kan van invloed zijn op de stikstofzuiverheid. Sommige laserlasmachines beschikken over beter afgesloten kamers rond het lasgebied, wat helpt om een hogere zuiverheid van stikstof te behouden. Bij machines met slechte afdichtingen kan lucht het lasgebied binnendringen, waardoor de stikstof wordt verdund. Daarnaast zijn de positie en de oriëntatie van de gasmondstukken die de stikstof aanvoeren, belangrijk. Indien de mondstukken niet goed zijn ontworpen of gepositioneerd, kan de stikstof ongelijkmatig worden verdeeld rond de smeltbad. Dit kan leiden tot gebieden waar de stikstofconcentratie lager is, waardoor de zuiverheid in die kritieke zones daadwerkelijk wordt verlaagd.

4. Omgevingsfactoren

4.1 Vochtgehalte

Luchtvochtigheid in de omgeving kan een belangrijke factor zijn die de stikstofzuiverheid beïnvloedt. Vocht in de lucht kan de stikstofstroom binnendringen, met name wanneer er lekken zijn in het gassysteem of tijdens het stikstofopwekkingsproces. Waterdamp kan reageren met het hete metaal tijdens het lassen, wat leidt tot de vorming van waterstof en porositeit in de las kan veroorzaken. In omgevingen met hoge luchtvochtigheid moeten speciale voorzorgen worden genomen, zoals het gebruik van droogmiddeldrogers in de stikstofleiding om vocht te verwijderen. Zelfs een klein beetje waterdamp in de stikstof kan een nare invloed hebben op de laskwaliteit. Daarom is het essentieel om de luchtvochtigheid in de stikstof laag te houden om hoge kwaliteit te bereiken bij laserlassen.

4.2 Temperatuur

Temperatuurvariaties kunnen ook de stikstofzuiverheid beïnvloeden. Bij bepaalde stikstofproductiemethoden, zoals PSA, kan de adsorptiecapaciteit van de adsorptiematerialen worden beïnvloed door de temperatuur. Hogere temperaturen kunnen de efficiëntie van het adsorptiemateriaal verminderen bij het verwijderen van onzuiverheden uit de lucht, wat leidt tot een lagere zuiverheid van de geproduceerde stikstof. Bovendien kunnen temperatuurveranderingen in het gastoeadelingssysteem leiden tot uitzetting of samentrekking van leidingen en kleppen. Als deze componenten niet correct zijn ontworpen om dergelijke temperatuurgeïnduceerde veranderingen te weerstaan, kan dit lekken veroorzaken, waardoor lucht kan binnendringen en de stikstofzuiverheid daalt.

5. Veelgestelde vragen en antwoorden

Vraag 1: Kan ik gewone perslucht gebruiken in plaats van stikstof met hoge zuiverheid voor laserlassen?

Antwoord: Gewone perslucht bevat een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof (ongeveer 21%). Tijdens het laserlassen reageert zuurstof met het smeltmetaal, wat leidt tot oxidatie, porositeit en een afname van de mechanische eigenschappen van de las. Stikstof met hoge zuiverheid wordt gebruikt om een inerte omgeving rond de smeltbad te creëren, waardoor deze problemen worden voorkomen. Het is dus niet aan te raden om gewone perslucht te gebruiken voor laserlassen.

Vraag 2: Hoe vaak moet ik de stikstofzuiverheid in mijn laserlastoepassing testen?

Antwoord: Het is aan te raden om de stikstofzuiverheid minstens één keer per dag te testen, vooral als het lasproces met de laser continu is. Als er echter signalen zijn van slechte laskwaliteit, zoals excessive porositeit of oxidatie, dan dient de stikstofzuiverheid onmiddellijk getest te worden. Daarnaast is het cruciaal om de zuiverheid te testen als er enige veranderingen zijn geweest in het stikstofaanmaaksysteem, het gassysteem voor gasafgifte of de omgeving, om een consistente laskwaliteit te garanderen.

Vraag 3: Wat kan ik doen als ik merk dat de stikstofzuiverheid in mijn lasinstallatie met de laser lager is dan vereist?

Antwoord: Controleer eerst het stikstofproductiesysteem. Als het een PSA-systeem is, zorg er dan voor dat het adsorptiemiddel correct wordt geregenereerd en niet verzadigd is. Voor membraanscheidingssystemen, inspecteer het membraan op beschadigingen. Controleer in het gasleveringssysteem op lekken in leidingen, kleppen en aansluitingen. Maak vuile onderdelen schoon. Als er vloeibare stikstof wordt gebruikt, zorg er dan voor dat de verdampingsuitrusting schoon is en de leidingen vrij zijn van verontreiniging. Als het probleem blijft bestaan, overweeg dan contact op te nemen met een professionele technicus of de fabrikant van de stikstofgerelateerde uitrusting.