Vpliv varovalne atmosfere na kvaliteto laserskih zvarov Influence of a Protective Atmosphere on Laser Weld Quality Spruk S1., L. Koller, B. Praček. M. Mozetič, IEVT, Ljubljana M. Jenko, IMT, Ljubljana Raziskali smo vpliv različnih varovalnih atmosfer (dušik, argon in helij) na kvaliteto laserskih zvarov naslednjih parov kovin in zlitin: relejno železo z galvansko naneseno plastjo Ni-zlitina CuNi30Fe. Mikrostrukturo laserskih zvarov smo določili z optično in SEM mikroskopijo. Pojav, ki smo ga zasledili kot rezultat uporabe nečistega plina smo raziskali s spektroskopijo Augerjevih elektronov. Ključne besede: varovalna atmosfera, laserski zvari We investigated the influence of different protective atmosphere (nitrogen, argon, helium) on the laser weld quality of the following metal-alloy pairs: relay soft magnetic iron nickel galvanic plated, and CuNi30Fe alloy. The microstructure of laser welds was determined by the optical and SEM microscopy. The phenomenon detected as a result of the gas impurity was investigated by AES (Auger electron spectroscopy). Key vvords: protective atmosphere, laser vvelds 1. Uvod Prednost uporabe laserskih naprav pred varilniki z elektronskim curkom je, da laserske naprave ne potrebujejo vakuumske komore, ker zrak ne ovira širjenja svetlobnega žarka. Vendar je priporočljivo, da lasersko varjenje poteka v atmosferi inertnega plina. Osnovni namen plinske zaščite v varilnih procesih je preprečevanje oksidacije varjencev in usedanja kovinskih par na fokusirno lečje laserskega varilnika1 . Teoretično je zelo enostavno preprečiti oksidacijo. Kisikov potencial atmosfere moramo znižati pod potencial, potreben /a oksidacijo železa. To je mogoče doseči z uporabo čistega dušika3. V tabeli 1 so podane osnovne lastnosti najpogosteje uporabljenih zaščitnih plinov1. Uporabnost zaščitnih plinov za različne materiale je prikazana v tabeli 2'. Tabela t: Osnovne lastnosti zaščitnih plinov Zaščitni Ionizacijski potencial Gostota plin (eV) (kg/m') Araon 15.75 1.784 Helij 24.58 0.17S Vodik 13.59 0.083 Dušik 14.54 1.161 Kisik 13.61 1.326 Ogljikov dioksid 14.0(1 13)77 >ij_* Sonja SPRt K. dipl. in/, mcl. In-tilut /a elektroniko in \akuumsko iehniko Teslova 311, h I I I I Ljubljana Tabela 2: Uporabnost zaščitnih plinov Zaščitni plin Uporaben za Sporna področja Argon in helij vse materiale / Plinske mešanice vsebujoče kisik nerjavna jekla krhkosl reaktivnih kovin (npr.Ti 1. oksidacija slabih varilnih profilov Dušik baker poroznost v jeklu in niklju,krhkost reaktivnih kovin, zmanjšana trdnost v jeklenih zlitinah Vodik austenitna nerjavna jekla in zlitine z nikl jem poroznost v Al Plini oz. mešanice plinov, ki jih uporabljamo za zaščito pri laserskem varjenju so: - argon, helij, mešanico argona in helija uporabljamo pri varjenju večine materialov, vključno jekel in reaktivnih kovin - dušik lahko uporabimo za manj zahtevne aplikacije na ne-i javnih avstenitnih jeklih. Najpogosteje uporabljan zaščitni plin je helij, kije inerten in ima visok ionizacijski potencial, tako da ne pride do nastanka plazme. Argon je inerten, v primerjavi z drugimi plini ima višjo gostoto in na ta način nudi boljšo možnost zaščite1. Ra/iskali smo vpliv različnih varovalnih atmosfer (dušik, helij, argon) na kvaliteto laserskih zvarov naslednjih parov kovin in zlitin: relejno mehkomagnetno železo z galvansko naneseno plastjo Ni-zlitina CuNi.30Fe. 2. Eksperimentalni del Za kontinuirne zvare smo uporabili pulzirajoči laserski varil-nik J. K. Lasers. sistem 2000 VVelding z lasersko palico Nd-stek-lo4. Izhodna energija laserskega žarka je bila 4.5 J. frekvenca pulzov 19 I lz in trajanje laserskega pulza I lms. Ena komponenta varjenca je relejno mehkomagnetno železo Vacofer S2. ki smo ga galvansko zaščitili s 4 pm debelo plastjo niklja. Druga komponenta je zlitina s sestavo 30% Ni. I % Mn. 0.7% Fe in 68.3% Cu (CuNi30Fe). Da bi med procesom laserskega varjenja zaščitili zvare, smo uporabili zaščitne pline, navedene v tabeli 3. Tabela 3: Zaščitni plini in njihova čistost Vrsta plina Čistost (vol. ) dušik 99,96 ^^ ^zm v Na zavaljenih relejih smo kontrolirali vakuumsko tesnosi s helijevim leak detektorjem tvrdke Varian tip 936-65 po standardih MIL-R-5757 G in MIL-STD-202-E metoda 112 A5". Zvare smo nato prečno prerezali in izdelali metalografske obru-se. Kvaliteto laserskih zvarov smo preiskali s pomočjo elektronskega mikroanalizatorja JEOE JSM-35. Pojav , ki smo ga zasledili kot rezultat uporabe nečistega plina smo raziskali s spektroskopijo Augerjevih elektronov. spektrometrom PHI SAM 545A. 3. Rezultati Učinkovitost plina, da omogoči zaščito pred atmosferskim onesnaženjem je odvisna od njegove kemične reaktivnosti in njegovih fizikalnih lastnosti. Zvar moramo zaščititi pred škodljivimi reakcijami med plinom in kovino, ki povzročajo poroznost, površinsko oksidacijo ali krhkost. Uporabni aktiv ni plini, ki lahko povzročajo omenjene pojave, so kisik, dušik in vodik. Mnogi materiali pri segrevanju v oksidni atmosferi tvorijo okside, medtem ko dušik tvori netopne nitride z reaktivnimi kovinami (Ti. Ta, V. Nb) in topne z ostalimi kovinami (Fe, Mn. Cr, W). Ravnotežje topnosti obeh, dušika in vodika, je visoko v tekoči fazi večine uporabnih kovin, loda mnogo nižje v trdnem. Če tekoča kovina absorbira več teh plinov, topnost v trdnem naraste do mere. ki lahko povzroči poroznost. Na slikah la, Ib in lc so prikazani prečni preseki laserskih zvarov med zlitino CuNi.3()Fe in čistim mehkomagnetnim železom Vacofer S2. Za vsak zvar smo uporabili drugo zaščitno atmosfero: zvar na sliki la je varjen v zaščitni atmosferi dušika, zvar na sliki lb v zaščitni atmosferi helija in zvar na sliki lc v zaščitni atmosferi argona. Slika I: SEM posnetek prečnega preseka laserskega zvara, ai val jčnega v zaščitni atmosferi dušika b) varjenega v zaščitni atmosferi helija c l varjenega v zaščitni atmosferi argona Figure 1: SEM cross seetion of the laser vveld. al vvelded in nitrogen protectivc atmosphere bi vvelded in helium proteetive atmosphere c) vvelded in argon proteetive atmosphere ■»iiil^ 1 V zvarih, varjenih v zaščitni atmosferi dušika in helija smo opazili mikroskopsko nehomogenost v obliki drobnih kapljic (od 5 do 45 um) - slika 2. medtem ko v zvarih, varjenih v zaščitni atmosferi argona tega pojava nismo opazili. L. A Slika 2: SEM posnetek kapljice zlitine Figure 2: SEM pieture ol allov drop Površina teh drobnih kapljic je obdana z oksidom. Oksid na površini kapljic smo ugotovili s spektroskopijo Augerjevih elektronov, kar kažejo rezultati meritev, ki so prikazane na slikah 3 in 4. Kapljice so najverjetneje nastale zaradi brizganja taline pri varjenju in se zaradi nečistoč v zaščitnem plinu (vodna para in kisik i na površini oksidirale. Kemijska sestava oksidiranih kapljic (0.5 '< C. 25 ':< Fe. 22 ' / Ni. 52.5 '( Cu) kaže. daje vsebnost železa v kapljici nižja kot v zvaru (0.5