01
Предговор
Благодарение на високата си енергийна плътност, ниската входяща топлина и без{0}}контактното си естество, технологията за лазерно заваряване се очертава като един от основните процеси в съвременното прецизно производство. Въпреки това проблеми като окисление, порьозност и елементарно изгаряне-изгаряне-в резултат на контакта между заваръчната вана и атмосферата по време на процеса на заваряване-ограничават сериозно механичните свойства и експлоатационния живот на заваръчните шевове. Като критична среда за контролиране на заваръчната среда, изборът на тип защитен газ, скорост на потока и метод на доставяне трябва да бъдат внимателно съчетани със специфичните характеристики на материала (като химическа реактивност и топлопроводимост) и дебелината на детайла.
Обработка с лазер и електронен лъч
02
Видове защитни газове
Основната функция на защитния газ е да изолира кислорода, да регулира поведението на заваръчната вана и да подобри ефективността на свързване на енергията. Въз основа на техните химични свойства, защитните газове могат да бъдат широко класифицирани като инертни газове (като аргон и хелий) и активни газове (като азот и въглероден диоксид). Инертните газове притежават висока химическа стабилност, ефективно предотвратявайки окисляването на заваръчната вана; въпреки това значителните разлики в техните термофизични свойства могат да повлияят дълбоко на резултата от заваряването. Например аргонът (Ar) има висока плътност (1,784 kg/m³), което му позволява да образува стабилно защитно покритие върху заваръчната вана; обратно, неговата ниска топлопроводимост (0,0177 W/m·K) води до по-бавно охлаждане на заваръчната вана и по-малка дълбочина на проникване. Обратно, хелият (He) проявява топлопроводимост приблизително осем пъти по-голяма от тази на аргона (0,1513 W/m·K), като по този начин ускорява охлаждането на заваръчната вана и увеличава дълбочината на проникване; въпреки това, неговата ниска плътност (0,1785 kg/m³) го прави податлив на бързо разпръскване, което налага по-високи скорости на потока за поддържане на ефективно екраниране. Активните газове-като азот (N₂)-могат в определени приложения да подобрят здравината на заваръчния шев чрез укрепване-на твърд разтвор; обаче прекомерната им употреба може да доведе до порьозност или утаяване на крехки фази. Например, когато се заваряват дуплексни неръждаеми стомани, разтварянето на азот в заваръчната вана може да наруши фазовия баланс на ферит-аустенит, което води до намаляване на устойчивостта на корозия.
От гледна точка на механизмите на процеса, високата йонизационна енергия на хелия (24,6 eV) потиска ефекта на екраниране на плазмата и подобрява абсорбцията на лазерна енергия, като по този начин увеличава дълбочината на проникване. Обратно, ниската енергия на йонизация на аргона (15,8 eV) има тенденция да генерира плазмена струя, което налага използването на техники като дефокусиране или импулсна модулация за смекчаване на смущенията. Освен това химичните реакции между активните защитни газове и разтопената вана-като образуването на нитриди чрез реакцията на азот с хром в стоманата-могат да променят състава на заваръчния шев; следователно изборът на защитен газ трябва да се прави внимателно, като се вземат предвид специфичните свойства на материала.
**Примери за приложение на материали:**
• **Стомана:** При заваряване на тънки плочи (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 mm), обаче е необходимо малко добавяне на хелий (He), за да се увеличи дълбочината на проникване.
• **Неръждаема стомана:** Аргоновата защита предотвратява изчерпването на съдържанието на хром (Cr); в заваръчен шев на неръждаема стомана 304 с дебелина 3 mm съдържанието на Cr достига 18,2% (близко до 18,5%) на основния метал. Дуплексните неръждаеми стомани, от друга страна, изискват смес от Ar-N₂ (с N₂ по-малко или равно на 5%), за да се поддържа балансирано фазово съотношение. Проучванията показват, че при заваряване на дуплексна неръждаема стомана 2205 с дебелина 8 mm с помощта на смес от Ar-2%N₂, съотношението на фазите на ферит-към-аустенит се стабилизира при 48:52, осигурявайки якост на опън от 780 MPa, по-добра от тази, постигната с екраниране от чист аргон (720 MPa).
• **Алуминиеви сплави:** *Тънки плочи (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 mm):* Заваряването на дебели алуминиеви плочи изисква голямо потребление на енергия; смес от хелий-аргон (He:Ar=3:1) предлага баланс между постигане на достатъчна дълбочина на проникване и управление на разходите. Например, при заваряване на плочи 5083 с дебелина 8 mm, екранирането с тази смес води до дълбочина на проникване от 6,2 mm-35% подобрение спрямо чистия аргон-като същевременно намалява разходите за заваряване с 20%.
