Zašto laserski zavareni šav postaje porozan?

Deo se nalazi na delu ili u njemu: ulje, premazi, cink, vlaga, oksidni sloj aluminijuma. Drugi deo nastaje u samom procesu, na primer usled nedovoljne zaštite gasom ili nestabilne parne kapilare. Ko porozni zavareni šav pokušava da otkloni samo preko parametara, lako previdi prvu grupu.

Ovaj članak razvrstava uzroke, ispitivanje i protivmere i pokazuje kakvu ulogu može imati priprema mesta spajanja. On ne zamenjuje ni kvalifikaciju postupka zavarivanja ni procenu rizika.

Šta je pora u zavarenom šavu

Pora je šupljina ispunjena gasom u očvrslom metalu šava, kod laserski zavarenog šava isto kao i kod drugih šavova zavarenih topljenjem. Stručni članak zasnovan na istraživačkim radovima instituta Fraunhofer IPK kao glavni uzrok navodi zarobljavanje gasova u rastopu koji pri očvršćavanju više ne mogu da izađu.

Presudno je koliko gasa nastaje i koliko dugo rastop ostaje tečan, kako bi gas mogao da izađe.

Pore se mogu javiti pojedinačno, u grupama ili fino raspoređene, otvorene na površini ili potpuno u unutrašnjosti šava.

Pore uslovljene materijalom i procesne pore

Korisno je razlikovanje koje pravi disertacija Univerziteta u Štutgartu o zavarivanju laserskim snopom aluminijuma livenog pod pritiskom:

• pore uslovljene materijalom: gasovi koji su zarobljeni u materijalu i oslobađaju se pri topljenju
• procesne pore: pore koje mogu nastati usled oscilacija parne kapilare pri zavarivanju dubokim provarom

Preneto po smislu na površinu, ovo razlikovanje vodi do različitih protivmera. Protiv ulja na mestu spajanja čišćenje je logičnije od promene parametara. Nestabilna parna kapilara se, nasuprot tome, ne može umiriti samo čišćenjem.

Ulje, mast i ostaci na mestu spajanja

Limovi iz prethodnih procesa oblikovanja prekriveni su uljima. Tome se dodaju emulzije, suva maziva i konzervacioni slojevi, koji su delimično jedva vidljivi.

Pod laserskim snopom ove materije isparavaju. Para dospeva u rastop, a deo nje može pri očvršćavanju ostati zarobljen. Schweißaufsicht im Betrieb izričito navodi ostatke ulja i drugu prljavštinu na površini radnog komada ili na ivici spoja kao uzrok pora, a čišćenje radnih komada kao protivmeru.

Pritom je važna i ivica spoja: prljavština u žlebu nalazi se upravo tamo gde nastaje rastop, a čišćenje gornje strane je ne obuhvata uvek.

Boja, prajmer i organski premazi

Boje, prajmeri i drugi organski premazi mogu u procesu zavarivanja oslobađati gasove i dim i u zoni šava deluju slično kao prljavština.

Proizvođači sistema za lasersko čišćenje opisuju uklanjanje shop-prajmera na čeličnim limovima, konzervacionih slojeva i maziva za oblikovanje kao tipičnu pripremu pre zavarivanja.

Premaz koji je kasnije potreban kao zaštita od korozije trebalo bi ukloniti samo tamo gde je to potrebno za šav. Koliko ta zona mora biti široka, zavisi od oblika šava, unosa toplote i zahteva za deo i ne može se paušalno navesti.

Pocinkovani limovi i pare cinka

Kod pocinkovanog čelika uzrok leži u fizici materijala. Prema podacima kompanije Fronius, cink se topi na oko 420 °C i isparava na 900 °C, dok je tačka topljenja čelika iznad 1500 °C. Kada se čelik topi, cink u neposrednoj okolini je dakle već u gasovitom stanju.

Posebno je kritičan preklopni spoj, jer se sloj cinka tamo nalazi u ravni spajanja između limova. Schweißaufsicht im Betrieb opisuje da kod preklopnih spojeva para cinka mora da izađe kroz rastop. Institut za tehniku spajanja i zavarivanja TU Braunschweig kao posledicu navodi poremećaj parne kapilare sa izbacivanjem rastopa, probojima i prskotinama pri zavarivanju.

Prema istom izvoru, stanje tehnike je podešavanje zazora za otplinjavanje, koji omogućavaju usmereno isparavanje cinka u međusloju. Istraživački radovi pokazuju da bifokalni ili prstenasti rasporedi spota pod određenim uslovima mogu omogućiti procesno pouzdano zavarivanje i bez unapred podešenog zazora.

Ako se sloj cinka ukloni u zoni šava, tamo nedostaje zaštita od korozije. Da li je to dozvoljeno, zavisi od zahteva za deo.

Aluminijum, oksidni sloj i vodonik

Kod aluminijuma je vodonik jedan od glavnih izvora pora. Prema podacima kompanije za tehniku zavarivanja ERL, rastvorljivost vodonika u aluminijumu pri hlađenju na oko 600 °C naglo opada, otprilike u odnosu 1:20. Ono što je bilo rastvoreno u rastopu mora pri očvršćavanju da izađe. Ako to ne uspe, ostaje kao pora.

Vodonik može poticati, na primer, iz vlage ili iz ulja i masti na površini. Aluminijum na vazduhu odmah formira oksidni sloj. Oksidi mogu dodatno dovesti do oksidnih uključaka — posebne nepravilnosti pored pore.

Kao pripremu ERL navodi obradu četkama od nerđajućeg čelika, kao i hemijsko čišćenje neposredno pre zavarivanja. Pri tome ERL daje prednost dekapiranju u alkalnim rastvorima; rastvarače ERL u mnogim slučajevima smatra spornim iz razloga zaštite na radu, jer se ostaci pod dejstvom električnog luka mogu pretvoriti u gasove i pare štetne po zdravlje. Dodatak „neposredno pre“ je bitan, jer površina posle čišćenja ponovo reaguje.

Kod aluminijuma livenog pod pritiskom dodaje se izvor do kojeg ne dopire nikakva obrada površine: štutgartska disertacija opisuje gasove zarobljene u materijalu iz procesa livenja, među njima vodonik i azot. Fraunhofer IWS dodatno navodi sredstva za odvajanje od kalupa kao nepovoljna za formiranje šava.

Vlaga i kondenzat

Voda na površini je direktan izvor vodonika. ERL za aluminijum navodi da kondenzaciju svakako treba izbeći i daje primer: pri vlažnosti vazduha od 70 procenata voda može da se kondenzuje već kada je metal oko 5 °C hladniji od okolnog vazduha.

To se može odnositi, na primer, na delove koji iz hladnog skladišta dolaze u toplu halu. Tada može imati smisla da se pre zavarivanja ostave da dostignu temperaturu hale.

Zaštitni gas: vrsta, količina i vođenje

Zaštitni gas treba da odvoji rastop od okolnog vazduha. Stručni članak o radovima instituta Fraunhofer IPK konstatuje da izbor vrste zaštitnog gasa, ispravno podešavanje protoka i optimizovano vođenje gasa bitno doprinose stabilnom vođenju procesa.

Ispitivano je ručno zavarivanje laserskim snopom na T-spojevima od niskolegiranog čelika HX340LAD debljine lima 1,5 mm, pri protoku gasa od 14 l/min. Rezultati su se jasno razlikovali:

• Argon: maksimalna poroznost 4,43 procenta, nivo kvaliteta D
• Azot: maksimalna poroznost 1,35 procenata, nivo kvaliteta B
• CO₂: maksimalna poroznost 0,14 procenata, nivo kvaliteta B

Klasifikacija je izvršena prema DIN EN ISO 13919-1. Kao nedostatak članak navodi više prskotina sa CO₂, moguću neznatnu oksidaciju površine i po potrebi umereno veću snagu lasera. Vrednosti važe za ovu postavku i ne mogu se bez daljeg preneti na druge materijale.

Više gasa pritom nije automatski bolje; protok i dovod moraju odgovarati primeni.

Nestabilna parna kapilara pri zavarivanju dubokim provarom

Pri zavarivanju dubokim provarom laserski snop prodire duboko u materijal i stvara tanak kanal ispunjen metalnom parom — parnu kapilaru, na engleskom keyhole. Istraživači instituta Empa opisuju da ova kapilara može postati nestabilna, urušiti se i ostaviti poru u zavarenom šavu.

Istraživanja hibridnog laserskog zavarivanja aluminijuma preciznije opisuju tok: kapilara se sužava i odvaja, na dnu rastopa nastaje gasni mehurić, a front očvršćavanja koji napreduje može da ga zarobi. Veća zapremina tečnog metala daje mehuriću tamo više vremena da izađe.

Koji parametri pomažu, u velikoj meri zavisi od materijala:

• Schweißaufsicht im Betrieb navodi smanjenu brzinu pomaka u kombinaciji sa većim spotom, kako bi rastop mogao duže da se otplinjava.
• Štutgartska disertacija je kod aluminijuma livenog pod pritiskom utvrdila kritičan opseg brzine sa maksimalnom površinom pora. Pri daljem povećanju brzine tamo se javila fino raspoređena poroznost šava.
• Fraunhofer IWS za aluminijum liven pod pritiskom izveštava o znatno poboljšanom kvalitetu šava zahvaljujući visokom kvalitetu snopa i visokofrekventnoj oscilaciji snopa.

Pravilo poput „sporije je uvek bolje“ ne može se iz toga izvesti; parametre treba isprobati na konkretnom materijalu i spoju.

Prepoznavanje i ocenjivanje pora

Vizuelna kontrola obuhvata samo ono što leži na površini. Porozna mesta koja dopiru do površine su vidljiva, zarobljena nisu. Za unutrašnjost šava primenjuju se drugi postupci:

• Radiografsko ispitivanje: prema podacima SLV Nord, razlike u gustini u unutrašnjosti radnog komada postaju vidljive, tako da se pore i uključci mogu prepoznati i razlikovati. Schweißaufsicht im Betrieb za to navodi DIN EN ISO 17636-1 i -2 i ukazuje na to da se kod šavova zavarenih snopom moraju obraditi gornja i donja strana.
• Ultrazvučno ispitivanje prema DIN EN ISO 17640.
• Ispitivanja sa razaranjem, kao što su ispitivanja lomom ili metalografski izbrusci, koja daju uvid u šav na osnovu uzoraka.

Za ocenjivanje DIN EN ISO 13919-1 daje zahteve i preporuke za nivoe kvaliteta za nepravilnosti na zavarenim spojevima izvedenim elektronskim i laserskim snopom od čelika, nikla, titanijuma i njihovih legura. Koji se nivo zahteva za neki deo, proizlazi iz zahteva za taj deo, a ne samo iz standarda.

Sistematsko sužavanje protivmera

Zašto šav postaje porozan, retko se može razjasniti jednim potezom. Uređen postupak pomaže više nego istovremeno menjanje mnogo veličina:

1. Dokumentovati izgled pora: položaj, veličinu, učestalost, pogođene šarže ili delove.
2. Razjasniti materijal i površinu: premaz, pocinkovanje, livenje pod pritiskom, ulje, oksid.
3. Očistiti mesto spajanja i vreme do zavarivanja držati kratkim.
4. Isključiti vlagu i kondenzat.
5. Proveriti zaštitni gas: vrstu gasa, protok, dovod.
6. Ciljano menjati parametre: brzinu pomaka, spot, po potrebi vođenje snopa.
7. Svaku promenu isprobati pojedinačno i proveriti rezultat.

Izgled pora može dati naznake: ako se pore javljaju samo kod određenih šarži, logično je pogledati materijal i površinu. To ne zamenjuje ispitivanje uzroka.

Priprema mesta spajanja i lasersko čišćenje

Mnogi od opisanih uzroka nalaze se pre prve tačke zavarivanja. Čisto, suvo i blagovremeno zavareno mesto spajanja oduzima procesu deo njegovih izvora gasa.

Uobičajeni postupci su, između ostalog, rastvarači, četkanje i dekapiranje. Lasersko čišćenje može biti dodatni korak pripreme. Clean-Lasersysteme kao proizvođač opisuje uklanjanje maziva za oblikovanje, prirodnih oksida, ulja, masti, hidrata i shop-prajmera pre zavarivanja; kod pocinkovanih limova treba ukloniti cinkove hidrate blizu površine, a da se sloj cinka ne ošteti. To su podaci proizvođača koje za sopstveni deo treba potvrditi probnim zavarivanjima.

Granice su jednako važne:

• Do gasova u unutrašnjosti materijala, na primer kod livenja pod pritiskom, ne dopire nikakvo čišćenje površine.
• Na nestabilnu parnu kapilaru ili nedovoljnu zaštitu gasom to ne utiče.
• Unutrašnje površine preklopnog spoja posle spajanja više nisu dostupne i moraju se pripremiti unapred.
• Aluminijum posle čišćenja ponovo reaguje sa okolinom.

Za pripremu mesta spajanja u programu Beamlux u obzir dolaze kako mašine za čišćenje, tako i mašina za lasersko zavarivanje, koja je pored zavarivanja predviđena i za čišćenje zavarenog šava i uklanjanje rđe. Da li neka mašina ispunjava određeni zadatak pripreme, može se proceniti samo na stvarnom delu.

Zaštita na radu

Kod ručnog laserskog čišćenja i ručnog laserskog zavarivanja lasersko zračenje je tokom rada bar delimično slobodno dostupno. DGUV Information 203-093 pomaže u proceni rizika za takve laserske uređaje i navodi oštećenja očiju i kože kao moguće posledice. Pri zavarivanju pocinkovanih delova nastaje i dim cinkovog oksida, koji prema kompaniji Fronius može izazvati tegobe slične gripu; Fronius kao meru navodi efikasno odsisavanje. Ovaj članak ne zamenjuje procenu rizika.

Izvori

• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Zavarivanje laserskim snopom: greške i kako ih izbeći — uzroci pora usled prljavštine, para cinka i nestabilnog parnog kanala; čišćenje i duže otplinjavanje kao protivmere.
• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Ispitivanje šavova zavarenih elektronskim i laserskim snopom — postupci ispitivanja bez razaranja za šavove zavarene snopom sa pripadajućim standardima.
• DER PRAKTIKER / Home of Welding — Smanjenje poroznosti zaštitnim gasom — istraživanje instituta Fraunhofer IPK o uticaju zaštitnog gasa pri ručnom zavarivanju laserskim snopom.
• Home of Welding — Ažuriranje standarda DIN EN ISO 13919-1 — oblast primene standarda o nivoima kvaliteta za nepravilnosti na zavarenim spojevima izvedenim elektronskim i laserskim snopom.
• Reinhard Winkler — Porenbildung beim Laserstrahlschweissen von Aluminium-Druckguss — disertacija Univerziteta u Štutgartu, Herbert Utz Verlag; pore uslovljene materijalom, procesne pore i uticaj brzine zavarivanja.
• Fraunhofer IWS — Nove perspektive za zavarivanje laserskim snopom delova od aluminijuma livenog pod pritiskom — zarobljeni gasovi, sredstva za odvajanje od kalupa i visokofrekventna oscilacija snopa.
• all-electronics — Lasersko zavarivanje: merni sistem automatski prepoznaje neželjene pore u realnom vremenu — izveštaj o istraživanju instituta Empa; urušavanje parne kapilare kao uzrok pora.
• Xu et al., Materials — Influence of Arc Power on Keyhole-Induced Porosity in Laser + GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy — sužavanje i odvajanje kapilare, gasni mehurići na dnu rastopa i njihovo zarobljavanje frontom očvršćavanja.
• TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik — projekat MultiZink — poremećaj parne kapilare usled cinka i zazori za otplinjavanje kod preklopnog spoja.
• Schweißen und Schneiden — Zavarivanje snopom pocinkovanih čeličnih limova u preklopnom spoju bez unapred podešenog zazora za otplinjavanje — oblikovanje snopa bifokalnim i prstenastim rasporedima spota.
• Fronius — Zavarivati ili lemiti pocinkovani lim? — temperatura topljenja i isparavanja cinka, nastanak pora i dim cinkovog oksida.
• ERL GmbH Schweissen + Schneiden — Zavarivanje aluminijuma — rastvorljivost vodonika, oksidni sloj, kondenzacija, čišćenje pre zavarivanja i zaštita na radu pri upotrebi rastvarača.
• SLV Nord — Radiografsko ispitivanje — prepoznavanje pora i uključaka preko razlika u gustini.
• Clean-Lasersysteme GmbH — Predobrada za lemljenje i zavarivanje — dokumentacija proizvođača o laserskoj predobradi mesta spajanja.
• DGUV Information 203-093 — Handlungshilfe für die Gefährdungsbeurteilung beim Betrieb von offenen Laser-Einrichtungen zur Materialbearbeitung mit Handführung oder Handpositionierung — oblast primene i opasnosti od slobodno dostupnog laserskog zračenja.

Povezani sadržaji