Vpliv parametrov zaščitnega plina na postopek laserskega varjenja

Vpliv parametrov zaščitnega plina na proces laserskega varjenja

01 Uvod

Tehnologija laserskega varjenja je zaradi visoke energijske gostote, nizkega vnosa toplote in brez{0}}kontaktnih lastnosti postala eden osrednjih procesov v sodobni natančni proizvodnji. Vendar pa oksidacija, poroznost in izguba elementov, ki jih povzroči stik med stalino in atmosfero med varjenjem, resno omejujejo mehanske lastnosti in življenjsko dobo zvarov. Zaščitni plin, kot osnovni medij za nadzor varilnega okolja, je treba izbrati glede na njegovo vrsto, pretok in metodo vpihovanja v kombinaciji z značilnostmi materiala (kot sta kemična reaktivnost in toplotna prevodnost) in debelino plošče.

Obdelava z laserskim in elektronskim žarkom

02 Vrste zaščitnega plina

Primarna vloga zaščitnega plina je izolacija kisika, uravnavanje obnašanja staljenega bazena in izboljšanje učinkovitosti spajanja energije. Glede na kemijske lastnosti delimo zaščitne pline na inertne pline (argon, helij) in aktivne pline (dušik, ogljikov dioksid). Inertni plini imajo visoko kemijsko stabilnost in učinkovito preprečujejo oksidacijo bazena staline, vendar njihove termofizikalne razlike pomembno vplivajo na rezultate varjenja.

Na primer, argon (Ar) ima visoko gostoto (1,784 kg/m³), ki tvori stabilno pokrivno plast, vendar njegova nizka toplotna prevodnost (0,0177 W/m·K) upočasni ohlajanje in povzroči plitvejše prodiranje. V nasprotju s tem ima helij (He) 8-krat višjo toplotno prevodnost (0,1513 W/m·K), kar pospešuje hlajenje in povečuje globino prodiranja, vendar njegova nizka gostota (0,1785 kg/m³) omogoča enostavno uhajanje, kar zahteva večji pretok za ohranitev zaščite.

Aktivni plini, kot je dušik (N₂), lahko v nekaterih primerih izboljšajo trdnost zvara s trdno-raztopino, vendar lahko pretirana uporaba povzroči poroznost ali izločanje krhke faze. Na primer, infiltracija dušika v bazo staline med dupleksnim varjenjem nerjavečega jekla lahko poruši fazno ravnotežje ferit/avstenit, kar zmanjša odpornost proti koroziji.

[Slika: Slika 1. Lasersko varjenje nerjavečega jekla 304L, (zgoraj) Ar zaščita; (spodaj) N₂ zaščita]

Z vidika procesnega mehanizma visoka ionizacijska energija helija (24,6 eV) zavira plazemsko zaščito, s čimer poveča absorpcijo in prodor laserske energije. Argon z nižjo ionizacijsko energijo (15,8 eV) zlahka ustvari plazemske oblake, ki zahtevajo defokusiranje ali pulzno modulacijo za zmanjšanje motenj. Poleg tega lahko aktivni plini kemično reagirajo s stalino (npr. N₂, ki tvori nitride s Cr v jeklu), kar spremeni sestavo zvara in zahteva previdno izbiro.

Primeri uporabe materiala:
- Jeklo: Za tanke pločevine (<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), dodatek helija izboljša prodor.
- Nerjaveče jeklo: argonska zaščita preprečuje izgubo Cr. V 3 mm debelem nerjavnem jeklu 304 doseže vsebnost Cr v zvaru 18,2 % (blizu 18,5 % v osnovni kovini). Dvostransko nerjavno jeklo zahteva mešanice Ar-N₂ (N₂ manj kot ali enako 5 %) za fazno ravnotežje. Raziskave kažejo, da pri 8 mm debelem dupleks nerjavnem jeklu 2205 Ar-2%N₂ ohranja razmerje ferit/avstenit 48:52 in natezno trdnost 780 MPa, kar je boljše od čistega Ar (720 MPa).
- Aluminijeve zlitine: za tanke pločevine (<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), mešanice He-Ar (3:1) uravnotežijo penetracijo in ceno. Na primer, pri varjenju 8 mm debele plošče 5083 z mešanico plinov je dosežena penetracija 6,2 mm, kar je 35 % globlje od čistega Ar, hkrati pa se stroški znižajo za 20 %.

Obdelava z laserskim in elektronskim žarkom

03 Vpliv pretoka zaščitnega plina

Stopnja pretoka zaščitnega plina neposredno vpliva na zmogljivost pokritosti in dinamiko tekočine staljenega bazena. Nezadosten pretok ne uspe popolnoma izolirati zraka, kar povzroči oksidacijo in poroznost. Prevelik pretok lahko povzroči turbulenco, razmaže bazen staline in povzroči vdolbine ali brizganje. Glede na Reynoldsovo število (Re=ρvD/μ) višji pretok poveča hitrost in ko je Re > 2300, laminarni tok preide v turbulenco, kar destabilizira bazen staline. Zato je treba kritični pretok določiti eksperimentalno ali s simulacijo CFD.

[Slika: Slika 2. Vpliv različnih pretokov zaščitnega plina na zvare]

Optimizacija pretoka mora upoštevati toplotno prevodnost in debelino plošče:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), je za zatiranje oksidacije potrebnih 18–22 L/min. Na primer, pri 6 mm debelem nerjavnem jeklu 316L je 20 L/min izboljšalo enotnost trdote 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 mešano pihanje, da se izognete turbulenci.

Obdelava z laserskim in elektronskim žarkom

04 Vpliv metod vpihovanja zaščitnega plina

Metoda pihanja z nadzorovanjem smeri in porazdelitve zračnega toka neposredno vpliva na pretok staljenega bazena in zatiranje napak. Spreminja gradiente površinske napetosti in Marangonijev tok, s čimer uravnava dinamiko bazena staline. Stransko-pihanje povzroči usmerjen tok, zmanjšuje poroznost in vključke, medtem ko sestavljeno pihanje uravnoteži porazdelitev energije in izboljša enakomernost zvara.

[Slika: Slika 3. Vpliv različnih metod vpihovanja na zvare]

Glavne metode pihanja:
- Koaksialno pihanje: Zračni tok je koaksialen z laserskim žarkom, simetrično prekriva bazen staline, primeren za-hitrostno varjenje. Zagotavlja visoko stabilnost procesa, vendar lahko moti lasersko ostrenje. Na primer, pri 1,2 mm pocinkanem avtomobilskem jeklu je koaksialno pihanje povečalo hitrost varjenja na 40 mm/s, z brizganjem<0.1.
- Stransko-pihanje: zračni tok vstopa s strani, učinkovito čisti plazmo in nečistoče, primerno za varjenje z globokim prebojem. Za 12 mm debelo jeklo Q345 pri 30-stopinjskem stranskem-pihanju se je penetracija povečala za 18 %, poroznost pa je padla s 4 % na 0,8 %.
- Sestavljeno pihanje: Kombinacija koaksialnega in stranskega-pihanja hkrati zavira oksidacijo in motnje plazme. Pri 3 mm debeli aluminijevi zlitini 6061 z zasnovo z dvojno-šobo se je poroznost zmanjšala z 2,5 % na 0,4 %, natezna trdnost pa je dosegla 95 % osnovnega materiala.

05 Zaključek

Vpliv zaščitnega plina na kakovost varjenja v bistvu izhaja iz njegove regulacije prenosa energije, termodinamike bazena staline in kemičnih reakcij:
1. Prenos energije: Helijeva visoka toplotna prevodnost pospeši hlajenje, kar zmanjša širino ZVZ; nizka prevodnost argona podaljša življenjsko dobo staljenega bazena, kar ugodno vpliva na oblikovanje tanke pločevine.
2. Stabilnost bazena staline: striženje zračnega toka vpliva na pretok bazena staline. Pravilen pretok zavira brizganje, medtem ko prevelik pretok povzroča vrtince in napake.
3. Kemična zaščita: Inertni plini izolirajo kisik in preprečujejo oksidacijo zlitin (npr. Cr, Al). Aktivni plini (npr. N₂) spremenijo lastnosti zvara z utrjevanjem trdne -raztopine ali tvorbo spojin, vendar zahtevajo natančen nadzor.

Obdelava z laserskim in elektronskim žarkom

Vir: zbrala uredniška ekipa javnega računa WeChat »High-Energy Beam Processing Technology and Applications«.