Utjecaj parametara zaštitnog plina na proces laserskog zavarivanja

Utjecaj parametara zaštitnog plina na proces laserskog zavarivanja

01 Uvod

Tehnologija laserskog zavarivanja, zbog svoje velike gustine energije, malog unosa toplote i beskontaktnih karakteristika, postala je jedan od ključnih procesa u modernoj preciznoj proizvodnji. Međutim, oksidacija, poroznost i gubitak elemenata uzrokovani kontaktom između rastopljenog bazena i atmosfere tokom zavarivanja ozbiljno ograničavaju mehanička svojstva i vijek trajanja zavarenih spojeva. Zaštitni gas, kao osnovni medij za kontrolu okruženja zavarivanja, mora biti odabran na osnovu njegovog tipa, brzine protoka i metode puhanja, u kombinaciji sa karakteristikama materijala (kao što su hemijska reaktivnost i toplotna provodljivost) i debljinom ploče.

Obrada lasera i elektronskih zraka

02 Vrste zaštitnog plina

Primarna uloga zaštitnog gasa je da izoluje kiseonik, reguliše ponašanje rastopljenog bazena i poboljša efikasnost spajanja energije. Na osnovu hemijskih svojstava, zaštitni gasovi se dele na inertne gasove (argon, helijum) i aktivne gasove (azot, ugljen-dioksid). Inertni gasovi imaju visoku hemijsku stabilnost i efikasno sprečavaju oksidaciju rastopljenog bazena, ali njihove termofizičke razlike značajno utiču na rezultate zavarivanja.

Na primjer, argon (Ar) ima visoku gustinu (1,784 kg/m³), formirajući stabilan pokrivni sloj, ali njegova niska toplotna provodljivost (0,0177 W/m·K) usporava hlađenje i rezultira plićem prodiranjem. Nasuprot tome, helijum (He) ima toplotnu provodljivost 8 puta veću (0,1513 W/m·K), ubrzava hlađenje i povećava dubinu prodiranja, ali njegova niska gustina (0,1785 kg/m³) olakšava izlazak, zahtevajući veći protok za održavanje zaštite.

Aktivni gasovi, kao što je azot (N₂), mogu poboljšati čvrstoću zavara kroz ojačavanje čvrstim-otopinom u nekim slučajevima, ali prekomjerna upotreba može uzrokovati poroznost ili taloženje krhke faze. Na primjer, infiltracija dušika u rastopljeni bazen tokom dupleksnog zavarivanja nehrđajućeg čelika može poremetiti ravnotežu ferit/austenit faze, smanjujući otpornost na koroziju.

[Slika: Slika 1. Lasersko zavarivanje nerđajućeg čelika 304L, (gore) Ar zaštita; (dole) N₂ zaštita]

Iz perspektive mehanizma procesa, visoka energija ionizacije helijuma (24,6 eV) potiskuje zaštitu plazme, poboljšavajući apsorpciju i penetraciju laserske energije. Argon, sa nižom energijom jonizacije (15,8 eV), lako stvara oblake plazme, koji zahtijevaju defokusiranje ili modulaciju impulsa kako bi se smanjile smetnje. Štaviše, aktivni gasovi mogu hemijski reagovati sa rastopljenim bazenom (npr. N₂ formirajući nitride sa Cr u čeliku), menjajući sastav šava i zahtevajući oprezan odabir.

Primjeri primjene materijala:
- Čelik: za tanke limove (<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 mm), dodatak helijuma poboljšava penetraciju.
- Nerđajući čelik: Zaštita od argona sprečava gubitak Cr. Kod nerđajućeg čelika 304 debljine 3 mm, sadržaj Cr u šavu dostiže 18,2% (blizu 18,5% u osnovnom metalu). Dupleksni nerđajući čelik zahteva mešavine Ar-N₂ (N₂ manje od ili jednako 5%) za fazni balans. Istraživanja pokazuju da sa 2205 dupleks nerđajućeg čelika debljine 8 mm, Ar-2%N₂ održava odnos ferit/austenit od 48:52 i vlačnu čvrstoću od 780 MPa, bolje od čistog Ar (720 MPa).
- Legure aluminijuma: za tanke limove (<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 mm), He-Ar mješavine (3:1) balansiraju penetraciju i cijenu. Na primjer, zavarivanje ploče 5083 debljine 8 mm s miješanim plinom postiglo je penetraciju od 6,2 mm, 35% dublje od čistog Ar, uz smanjenje troškova za 20%.

Obrada lasera i elektronskih zraka

03 Utjecaj brzine protoka zaštitnog plina

Brzina protoka zaštitnog gasa direktno utiče na sposobnost pokrivanja i dinamiku fluida u rastopljenom bazenu. Nedovoljan protok ne uspijeva u potpunosti izolirati zrak, što dovodi do oksidacije i poroznosti. Prekomjeran protok može izazvati turbulenciju, pročišćavajući otopljeni bazen i uzrokovati udubljenja ili prskanje. Prema Reynoldsovom broju (Re=ρvD/μ), veći protok povećava brzinu, a kada je Re > 2300, laminarni tok prelazi u turbulenciju, destabilizirajući rastopljeni bazen. Stoga, kritična brzina protoka mora biti određena eksperimentalno ili CFD simulacijom.

[Slika: Slika 2. Utjecaj različitih brzina protoka zaštitnog plina na zavarene spojeve]

Optimiziranje protoka mora uzeti u obzir toplinsku provodljivost i debljinu ploče:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), potrebno je 18–22 L/min za suzbijanje oksidacije. Na primjer, sa nerđajućim čelikom 316L debljine 6 mm, 20 L/min poboljšalo je ujednačenost tvrdoće HAZ za 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 mm, potrebno je puhanje smjese kako bi se izbjegle turbulencije.

Obrada lasera i elektronskih zraka

04 Utjecaj metoda puhanja zaštitnog plina

Metoda puhanja, kontroliranjem smjera i distribucije protoka zraka, direktno utiče na protok rastopljenog bazena i suzbijanje defekta. On mijenja gradijente površinske napetosti i Marangoni protok, čime se reguliše dinamika rastopljenog bazena. Bočno-puhanje indukuje usmjereno strujanje, smanjujući poroznost i inkluzije, dok složeno duvanje balansira distribuciju energije i poboljšava uniformnost zavara.

[Slika: Slika 3. Utjecaj različitih metoda puhanja na zavarene spojeve]

Glavne metode duvanja:
- Koaksijalno puhanje: Protok zraka je koaksijalan sa laserskim snopom, simetrično pokriva rastopljeni bazen, pogodan za-zavarivanje velikom brzinom. Osigurava visoku stabilnost procesa, ali može ometati lasersko fokusiranje. Na primjer, sa 1,2 mm pocinčanim automobilskim čelikom, koaksijalno puhanje povećalo je brzinu zavarivanja na 40 mm/s, uz prskanje<0.1.
- Bočno-puhanje: Protok zraka ulazi sa strane, efikasno čisti plazmu i nečistoće, pogodno za zavarivanje dubokog prodora. Za čelik Q345 debljine 12 mm pri duvanju sa strane od 30 stepeni{6}}, penetracija se povećala za 18%, a poroznost je pala sa 4% na 0,8%.
- Složeno puhanje: Kombinirajući koaksijalno i bočno-puhanje, istovremeno potiskuje oksidaciju i smetnje plazme. Za leguru aluminijuma 6061 debljine 3 mm sa dizajnom sa dvostrukom-mlaznicom, poroznost je smanjena sa 2,5% na 0,4%, sa vlačnom čvrstoćom koja je dostigla 95% osnovnog materijala.

05 Zaključak

Utjecaj zaštitnog plina na kvalitetu zavarivanja u suštini proizlazi iz njegove regulacije prijenosa energije, termodinamike rastopljenog bazena i kemijskih reakcija:
1. Prenos energije: visoka toplotna provodljivost helijuma ubrzava hlađenje, smanjujući širinu HAZ; Niska provodljivost argona produžava životni vijek rastopljenog bazena, pogodujući formiranju tankih ploča.
2. Stabilnost otopljenog bazena: Smicanje protoka zraka utječe na protok rastopljenog bazena. Pravilan protok potiskuje prskanje, dok prekomjeran protok uzrokuje vrtloge i defekte.
3. Hemijska zaštita: Inertni gasovi izoluju kiseonik, sprečavajući oksidaciju legiranih elemenata (npr. Cr, Al). Aktivni plinovi (npr. N₂) mijenjaju svojstva zavara putem jačanja-otvora ili formiranja jedinjenja, ali zahtijevaju preciznu kontrolu.

Obrada lasera i elektronskih zraka

Izvor: Prikupio urednički tim WeChat javnog naloga "Tehnologija i aplikacije za obradu visokoenergetskih zraka."