Утицај параметара заштитног гаса на процес ласерског заваривања

Утицај параметара заштитног гаса на процес ласерског заваривања

01 Увод

Технологија ласерског заваривања, због своје велике густине енергије, малог уноса топлоте и бе-бесконтактних карактеристика, постала је један од кључних процеса у савременој прецизној производњи. Међутим, оксидација, порозност и губитак елемената узроковани контактом између растопљеног базена и атмосфере током заваривања озбиљно ограничавају механичка својства и век трајања заварених спојева. Заштитни гас, као основни медијум за контролу окружења заваривања, мора бити изабран на основу његовог типа, брзине протока и методе дувања, у комбинацији са карактеристикама материјала (као што су хемијска реактивност и топлотна проводљивост) и дебљином плоче.

Обрада ласера ​​и електронских зрака

02 Врсте заштитног гаса

Примарна улога заштитног гаса је да изолује кисеоник, регулише понашање растопљеног базена и побољша ефикасност спајања енергије. На основу хемијских својстава, заштитни гасови се деле на инертне (аргон, хелијум) и активне гасове (азот, угљен-диоксид). Инертни гасови имају високу хемијску стабилност и ефикасно спречавају оксидацију растопљеног базена, али њихове термофизичке разлике значајно утичу на исход заваривања.

На пример, аргон (Ар) има велику густину (1,784 кг/м³), формирајући стабилан покривни слој, али његова ниска топлотна проводљивост (0,0177 В/м·К) успорава хлађење и доводи до плиће пенетрације. Насупрот томе, хелијум (Хе) има топлотну проводљивост 8 пута већу (0,1513 В/м·К), убрзавајући хлађење и повећавајући дубину продирања, али његова мала густина (0,1785 кг/м³) олакшава излазак, што захтева већи проток да би се одржала заштита.

Активни гасови, као што је азот (Н₂), могу да побољшају чврстоћу завара кроз ојачавање чврстим-раствором у неким случајевима, али прекомерна употреба може да изазове порозност или таложење крхке фазе. На пример, инфилтрација азота у растопљени базен током дуплексног заваривања нерђајућег челика може пореметити равнотежу ферит/аустенит фазе, смањујући отпорност на корозију.

[Слика: Слика 1. Ласерско заваривање нерђајућег челика 304Л, (горе) Ар заштита; (доле) Н₂ заштита]

Из перспективе механизма процеса, висока енергија јонизације хелијума (24,6 еВ) потискује заштиту плазме, побољшавајући апсорпцију и пенетрацију ласерске енергије. Аргон, са нижом енергијом јонизације (15,8 еВ), лако ствара облаке плазме, који захтевају дефокусирање или модулацију импулса да би се смањиле сметње. Штавише, активни гасови могу хемијски да реагују са растопљеним базеном (нпр. Н₂ формирајући нитриде са Цр у челику), мењајући састав шава и захтевајући пажљив избор.

Примери примене материјала:
- Челик: за танке лимове (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 мм), додатак хелијума побољшава пенетрацију.
- Нерђајући челик: Заштита од аргона спречава губитак Цр. Код нерђајућег челика 304 дебљине 3 мм, садржај Цр у шаву достиже 18,2% (близу 18,5% у основном металу). Дуплекс нерђајући челик захтева мешавине Ар-Н₂ (Н₂ мање од или једнако 5%) за фазни баланс. Истраживања показују да са дуплекс нерђајућим челиком 2205 дебљине 8 мм, Ар-2%Н₂ одржава однос ферит/аустенит од 48:52 и затезну чврстоћу од 780 МПа, боље од чистог Ар (720 МПа).
- Легуре алуминијума: за танке лимове (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 мм), Хе-Ар смеше (3:1) балансирају пенетрацију и цену. На пример, заваривање плоче 5083 дебљине 8 мм са мешаним гасом постигло је пенетрацију од 6,2 мм, 35% дубље од чистог Ар, уз смањење трошкова за 20%.

Обрада ласера ​​и електронских зрака

03 Утицај брзине протока заштитног гаса

Брзина протока заштитног гаса директно утиче на способност покривања и динамику течности растопљеног базена. Недовољан проток не успева да у потпуности изолује ваздух, што доводи до оксидације и порозности. Прекомерни проток може изазвати турбуленцију, прочишћавање растопљеног базена и изазивање удубљења или прскања. Према Рејнолдсовом броју (Ре=ρвД/μ), већи проток повећава брзину, а када је Ре > 2300, ламинарни ток прелази у турбуленцију, дестабилизујући растопљени базен. Стога, критична брзина протока мора бити одређена експериментално или ЦФД симулацијом.

[Слика: Слика 2. Утицај различитих брзина протока заштитног гаса на заварене спојеве]

Оптимизација протока мора узети у обзир топлотну проводљивост и дебљину плоче:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 мм), потребно је 18–22 Л/мин за сузбијање оксидације. На пример, са нерђајућим челиком 316Л дебљине 6 мм, 20 Л/мин је побољшало униформност тврдоће ХАЗ за 30%.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 мм, потребно је дување смешом да би се избегле турбуленције.

Обрада ласера ​​и електронских зрака

04 Утицај метода издувавања заштитног гаса

Метода дувања, контролисањем правца и дистрибуције протока ваздуха, директно утиче на проток растопљеног базена и сузбијање дефекта. Мења градијенте површинског напона и Марангони проток, чиме се регулише динамика растопљеног базена. Бочно-дувавање индукује усмерено струјање, смањујући порозност и инклузије, док мешано дување балансира дистрибуцију енергије и побољшава униформност завара.

[Слика: Слика 3. Утицај различитих метода дувања на заварене спојеве]

Главне методе дувања:
- Коаксијално дување: Проток ваздуха је коаксијалан са ласерским снопом, симетрично покрива растопљени базен, погодан за-заваривање великом брзином. Осигурава високу стабилност процеса, али може ометати ласерско фокусирање. На пример, са 1,2 мм поцинкованим аутомобилским челиком, коаксијално дување је повећало брзину заваривања на 40 мм/с, уз прскање<0.1.
- Бочно-удувавање: Проток ваздуха улази са стране, ефикасно чисти плазму и нечистоће, погодан за заваривање са дубоким продором. За челик К345 дебљине 12 мм при дувању са стране од 30 степени{6}}, пенетрација се повећала за 18%, а порозност је опала са 4% на 0,8%.
- Сложено дување: Комбиновањем коаксијалног и бочног-удувавања, истовремено потискује оксидацију и сметње плазме. За легуру алуминијума 6061 дебљине 3 мм са дизајном са двоструком-млазницом, порозност је смањена са 2,5% на 0,4%, при чему је затезна чврстоћа достигла 95% основног материјала.

05 Закључак

Утицај заштитног гаса на квалитет заваривања у суштини произилази из његове регулације преноса енергије, термодинамике растопљеног базена и хемијских реакција:
1. Пренос енергије: висока топлотна проводљивост хелијума убрзава хлађење, смањујући ширину ХАЗ; Ниска проводљивост аргона продужава животни век растопљеног базена, погодујући формирању танких плоча.
2. Стабилност растопљеног базена: Смицање протока ваздуха утиче на проток растопљеног базена. Правилан проток потискује прскање, док прекомерни проток узрокује вртлоге и дефекте.
3. Хемијска заштита: Инертни гасови изолују кисеоник, спречавајући оксидацију елемената легуре (нпр. Цр, Ал). Активни гасови (нпр. Н₂) мењају својства шава преко јачања- раствора или формирања једињења, али захтевају прецизну контролу.

Обрада ласера ​​и електронских зрака

Извор: Прикупио уреднички тим јавног налога ВеЦхат-а „Технологија и апликације за обраду{0}}високоенергетског снопа“.