Які фактори впливають на чистоту азоту при лазерному зварюванні?

Вступ

Лазерне зварювання стало революційною технологією в сучасному виробництві, відомою своєю точністю, високою швидкістю роботи та мінімальною зоною термічного впливу. У цьому процесі азот відіграє ключову роль як захисний газ. Високочистий азот є незамінним для запобігання окисненню зварювальної ванни, зменшення пористості та підвищення загальної якості зварного шва. Однак досягнення та підтримання потрібної чистоти азоту залежить від кількох факторів, які ми детально розглянемо в цій статті.

1. Джерело азоту

1.1 Виробництво з атмосферного повітря

Найпоширеніше, азот, який використовується при лазерному зварюванні, отримують із повітря. У повітрі міститься приблизно 78 % азоту, а також кисень, аргон і мікроскопічні домішки інших газів. Щоб отримати азот із повітря, застосовують такі методи, як адсорбція при змінному тиску (PSA) або мембранна сепарація. Під час адсорбції при змінному тиску повітря стискають і пропускають через шар адсорбентів (найчастіше це цеоліти). Ці матеріали мають більшу здатність поглинати кисень та інші домішки порівняно з азотом. У результаті азот відокремлюється і збирається. Проте ефективність систем PSA у виробництві азоту високої чистоти залежить від кількох факторів, зокрема якості адсорбенту, робочого тиску й температури та швидкості потоку повітря. Якщо з плином часу адсорбент насичується або деградує, це може призвести до зниження чистоти азоту. Наприклад, якщо обладнання PSA погано обслуговується і адсорбент недостатньо регенерується, кисень та інші забруднювачі можуть потрапити в потік азоту, унаслідок чого його чистота знизиться з бажаних 99,99 % (або ще вищої в деяких випадках) до меншого значення.

Мембранне розділення, з іншого боку, використовує напівпроникну мембрану. Коли стиснене повітря проходить через цю мембрану, гази з меншими розмірами молекул (наприклад, кисень) проникають крізь мембрану легше, ніж азот. Потім збирають потік, збагачений азотом. Проте такі фактори, як цілісність мембрани та перепад тиску на мембрані, можуть впливати на чистоту. Пошкоджена мембрана може дозволити проникнення більшої кількості забруднювачів, таким чином зменшуючи чистоту азоту.

1.2 Рідкий азот

Рідкий азот є ще одним джерелом азоту для лазерного зварювання. Він зберігається в кріогенних баках і випаровується перед використанням. Рідкий азот зазвичай має дуже високу чистоту, часто понад 99,999%. Однак під час процесу випаровування існує ризик забруднення. Якщо обладнання для випаровування нечисте або якщо у системі подачі є витік, волога чи інші гази з навколишнього середовища можуть змішатися з азотом, зменшуючи його чистоту. Наприклад, якщо ізоляція кріогенного бака пошкоджена, тепле повітря може потрапити всередину, викликаючи конденсацію вологи, що потенційно може забруднити азот під час його випаровування.

2. Вимоги до чистоти залежно від матеріалів

2.1 Зварювання нержавіючої сталі

Під час зварювання нержавіючої сталі лазером висока чистота азоту має вирішальне значення. Нержавіюча сталь містить хром, який утворює захисний оксидний шар на поверхні. Під час зварювання, якщо чистота азоту недостатня, кисень може вступити в реакцію з розплавленим металом, заважаючи утворенню цього захисного оксидного шару. Це може призвести до зниження стійкості зварного з'єднання до корозії. Для високоякісного лазерного зварювання нержавіючої сталі зазвичай рекомендують рівень чистоти азоту 99,995% або вище. Навіть невелике відхилення від цієї чистоти може викликати видиме окиснення на поверхні зварного шву, що не лише впливає на естетику, але й на тривалість експлуатації зварної деталі.

2.2 Алюміній та його сплави

Алюміній та його сплави мають високу реакційну здатність до кисню. Під час лазерного зварювання цих матеріалів азот виступає в ролі захисного середовища, щоб запобігти окисненню розплавленої зони. Однак різні алюмінієві сплави можуть по-різному реагувати на чистоту азоту. Наприклад, деякі високоміцні алюмінієві сплави, що використовуються в авіаційній галузі, потребують надзвичайно чистого азоту, зазвичай у межах 99,999%. Азот меншої чистоти може вносити домішки в зварний шов, що призводить до утворення порожнин або зменшення міцності з'єднання. Навпаки, для деяких поширених алюмінієвих сплавів, які використовуються в менш відповідальних застосуваннях, може бути допустимим дещо нижчий рівень чистоти азоту, приблизно 99,99%, але навіть у цьому випадку будь-які суттєві відхилення можуть викликати дефекти зварювання.

3. Чинники, пов'язані з обладнанням

3.1 Система подачі газу

Газова система подачі в установці для лазерного зварювання включає трубопроводи, клапани та витратоміри. Якщо ці компоненти не є чистими або виготовлені з матеріалів, які можуть реагувати з азотом або забруднювачами в повітрі, вони можуть впливати на чистоту азоту. Наприклад, якщо труби іржаві, частинки оксиду заліза можуть потрапити в потік азоту. Клапани, які не є герметичними, можуть дозволити повітрю проникати в систему, розбавляючи азот і зменшуючи його чистоту. Витратоміри мають бути точно відкаліброваними. Неправильна швидкість потоку може призвести до порушення балансу між азотом і навколишнім повітрям у зварювальній зоні. Якщо швидкість потоку азоту занадто низька, він може неефективно захищати зварювальну ванну, дозволяючи кисню проникати всередину і зменшуючи ефективну чистоту азоту в робочій зоні.

3.2 Конструкція лазерного зварювального апарату

Конструкція лазерного зварювального апарату може впливати на чистоту азоту. Деякі лазерні зварювальні машини мають краще герметичні камери навколо зони зварювання, що допомагає підтримувати середовище з вищою чистотою азоту. У машинах із поганою якістю ущільнень повітря може проникати в зону зварювання, розбавляючи азот. Крім того, важливе значення має положення та орієнтація газових сопл, що подають азот. Якщо сопла погано спроектовані або неправильно встановлені, азот може нерівномірно розподілятися навколо зварювальної ванни. Це може призводити до ділянок із нижчою концентрацією азоту, що ефективно зменшує чистоту в цих критичних місцях.

4. Чинники навколишнього середовища

4.1 Вологість

Вологість у навколишньому середовищі може суттєво впливати на чистоту азоту. Волога з повітря може потрапляти в потік азоту, особливо якщо є витоки в системі подачі газу або під час процесу генерації азоту. Водяна пара може вступати в реакцію з гарячим металом під час зварювання, викликаючи утворення водню, що може призводити до пористості зварного шву. У середовищах із високою вологістю необхідно вживати спеціальних заходів, таких як використання адсорбентів у лінії подачі азоту для видалення вологи. Навіть невелика кількість водяної пари в азоті може негативно впливати на якість зварного шву, тому підтримання низької вологості в азоті є важливим для досягнення високоякісних лазерних зварних швів.

4.2 Температура

Коливання температури також можуть впливати на чистоту азоту. У деяких методах генерації азоту, таких як адсорбція (PSA), здатність адсорбентів може залежати від температури. Підвищені температури можуть зменшити ефективність адсорбентів у видаленні домішок з повітря, що призводить до зниження чистоти отриманого азоту. Крім того, в системах подачі газу зміни температури можуть викликати розширення або стискання трубопроводів та клапанів. Якщо ці компоненти не спроектовані відповідним чином для витримування таких температурних змін, це може призвести до витоків, що дозволить повітрю потрапити всередину і знизити чистоту азоту.

5. Поширені запитання та відповіді

Запитання 1: Чи можу я використовувати звичайне стиснене повітря замість високочистого азоту для лазерного зварювання?

Відповідь: Звичайне стиснене повітря містить значну кількість кисню (приблизно 21%). Під час лазерного зварювання кисень реагуватиме з розплавленим металом, викликаючи окиснення, пористість і зниження механічних властивостей зварного шву. Високочистий азот використовується для створення інертного середовища навколо зварювальної ванни, що запобігає цим проблемам. Отже, не рекомендується використовувати звичайне стиснене повітря для лазерного зварювання.

Запитання 2: Як часто потрібно перевіряти чистоту азоту у моїй установці для лазерного зварювання?

Відповідь: Рекомендується перевіряти чистоту азоту принаймні один раз на день, особливо якщо процес лазерного зварювання є безперервним. Однак, якщо є ознаки поганої якості зварного шву, такі як надмірна пористість або окиснення, чистоту азоту слід перевіряти негайно. Крім того, якщо в системі генерації азоту, системі подачі газу або в навколишньому середовищі трапилися будь-які зміни, перевірка чистоти є важливою для забезпечення стабільної якості зварювання.

Питання 3: Що я можу зробити, якщо виявлю, що чистота азоту в моїй установці лазерного зварювання нижча за необхідну?

Відповідь: Спочатку перевірте систему генерації азоту. Якщо це система адсорбційного відновлення (PSA), переконайтеся, що адсорбент правильно регенерується і не насичений. Для систем мембранного розділення перевірте мембрану на наявність пошкоджень. У системі подачі газу перевірте трубопроводи, клапани та з'єднання на витік. Очистіть забруднені компоненти. Якщо використовується рідкий азот, переконайтеся, що обладнання для випаровування чисте, а лінії подачі вільні від забруднення. Якщо проблема не зникне, варто звернутися до кваліфікованого техніка або виробника обладнання, пов'язаного з азотом.