Влиянието на параметрите на защитния газ върху процеса на лазерно заваряване

Влиянието на параметрите на защитния газ върху процеса на лазерно заваряване

01 Въведение

Технологията за лазерно заваряване се превърна в един от основните процеси в съвременното прецизно производство, благодарение на високата си енергийна плътност, ниското потребление на топлина и без{0}}контактните характеристики. Въпреки това, окисляването, порьозността и загубата на елементи, причинени от контакта между разтопения басейн и атмосферата по време на заваряване, сериозно ограничават механичните свойства и експлоатационния живот на заваръчните шевове. Защитният газ, като основна среда за контролиране на заваръчната среда, трябва да бъде избран въз основа на неговия тип, дебит и метод на продухване, в комбинация с характеристиките на материала (като химическа реактивност и топлопроводимост) и дебелината на плочата.

Обработка с лазер и електронен лъч

02 Видове защитен газ

Основната роля на защитния газ е да изолира кислорода, да регулира поведението на разтопения басейн и да подобри ефективността на свързване на енергията. Въз основа на химичните свойства, защитните газове се класифицират на инертни газове (аргон, хелий) и активни газове (азот, въглероден диоксид). Инертните газове имат висока химическа стабилност и ефективно предотвратяват окисляването на разтопения басейн, но техните термофизични разлики значително влияят върху резултатите от заваряването.

Например аргонът (Ar) има висока плътност (1,784 kg/m³), образувайки стабилен покривен слой, но неговата ниска топлопроводимост (0,0177 W/m·K) забавя охлаждането и води до по-плитко проникване. За разлика от това, хелият (He) има топлопроводимост 8 пъти по-висока (0,1513 W/m·K), ускорявайки охлаждането и увеличавайки дълбочината на проникване, но ниската му плътност (0,1785 kg/m³) го прави лесен за излизане, изисквайки по-висок поток за поддържане на защитата.

Активните газове, като азот (N₂), могат да подобрят здравината на заваръчния шев чрез укрепване с твърд-разтвор в някои случаи, но прекомерната употреба може да причини порьозност или утаяване на крехка фаза. Например, проникването на азот в разтопения басейн по време на дуплексно заваряване на неръждаема стомана може да наруши фазовия баланс ферит/аустенит, намалявайки устойчивостта на корозия.

[Изображение: Фигура 1. Лазерно заваряване на неръждаема стомана 304L, (отгоре) Ar защита; (отдолу) N₂ защита]

От гледна точка на механизма на процеса, високата йонизационна енергия на хелия (24,6 eV) потиска плазменото екраниране, подобрявайки абсорбцията и проникването на лазерна енергия. Аргонът, с по-ниска енергия на йонизация (15,8 eV), лесно генерира плазмени облаци, изискващи дефокусиране или импулсна модулация за намаляване на смущенията. Освен това активните газове могат да реагират химически с разтопената вана (напр. N₂, образувайки нитриди с Cr в стомана), променяйки състава на заваръчния шев и налагайки внимателен избор.

Примери за приложение на материали:
- Стомана: За тънки листове (<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), добавянето на хелий подобрява проникването.
- Неръждаема стомана: Аргоновата защита предотвратява загубата на Cr. В неръждаема стомана 304 с дебелина 3 mm съдържанието на Cr в заваръчния шев достига 18,2% (близо до 18,5% в основния метал). Дуплексната неръждаема стомана изисква смеси от Ar-N₂ (N₂ по-малко или равно на 5%) за фазов баланс. Изследванията показват, че с дуплексна неръждаема стомана 2205 с дебелина 8 mm, Ar-2%N₂ поддържа съотношение ферит/аустенит от 48:52 и якост на опън от 780 MPa, по-добре от чистия Ar (720 MPa).
- Алуминиеви сплави: За тънки листове (<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 смеси (3:1) балансират проникването и цената. Например, заваряването на плоча 5083 с дебелина 8 mm със смесен газ постигна 6,2 mm проникване, 35% по-дълбоко от чистия Ar, като същевременно намали разходите с 20%.

Обработка с лазер и електронен лъч

03 Влияние на скоростта на потока на защитния газ

Скоростта на потока на защитния газ пряко влияе върху способността за покритие и динамиката на флуида на разтопения басейн. Недостатъчният поток не успява да изолира напълно въздуха, което води до окисление и порьозност. Прекомерният поток може да предизвика турбуленция, изтърквайки разтопения басейн и причинявайки вдлъбнатини или пръски. Според числото на Рейнолдс (Re=ρvD/μ), по-високият поток увеличава скоростта и когато Re > 2300, ламинарният поток преминава към турбулентност, дестабилизирайки разтопения басейн. Следователно критичният дебит трябва да се определи експериментално или чрез CFD симулация.

[Изображение: Фигура 2. Влияние на различните скорости на потока на защитния газ върху заварките]

Оптимизирането на потока трябва да вземе предвид топлопроводимостта и дебелината на плочата:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), 18–22 L/min са необходими за потискане на окислението. Например, с неръждаема стомана 316L с дебелина 6 mm, 20 L/min подобряват равномерността на твърдостта на HAZ с 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, необходимо е смесено издухване, за да се избегне турбуленция.

Обработка с лазер и електронен лъч

04 Влияние на методите за продухване със защитен газ

Методът на продухване, чрез контролиране на посоката и разпределението на въздушния поток, влияе пряко върху потока на разтопения басейн и потискането на дефектите. Той променя градиентите на повърхностното напрежение и потока на Марангони, като по този начин регулира динамиката на разтопения басейн. Страничното-духване предизвиква насочен поток, намалявайки порьозността и включванията, докато комбинираното издухване балансира разпределението на енергията и подобрява еднородността на заваръчния шев.

[Изображение: Фигура 3. Влияние на различните методи на продухване върху заварките]

Основни методи за издухване:
- Коаксиално издухване: Въздушният поток е коаксиален с лазерния лъч, симетрично покриващ разтопения басейн, подходящ за високо-скоростно заваряване. Осигурява висока стабилност на процеса, но може да попречи на лазерното фокусиране. Например, с 1,2 mm галванизирана автомобилна стомана, коаксиалното издухване увеличи скоростта на заваряване до 40 mm/s, с пръски<0.1.
- Странично-обдухване: Въздушният поток влиза отстрани, като ефективно изчиства плазмата и замърсяванията, подходящ за заваряване с дълбоко проникване. За стомана Q345 с дебелина 12 mm при странично издухване от 30 градуса, проникването се увеличи с 18%, а порьозността спадна от 4% на 0,8%.
- Комбинирано издухване: Комбинирайки коаксиално и странично-издухване, то едновременно потиска окисляването и плазмените смущения. За 3 mm дебела алуминиева сплав 6061 с дизайн с двойна -дюза, порьозността намалява от 2,5% на 0,4%, като якостта на опън достига 95% от основния материал.

05 Заключение

Влиянието на защитния газ върху качеството на заваряване по същество произтича от неговото регулиране на трансфера на енергия, термодинамиката на разтопения басейн и химичните реакции:
1. Пренос на енергия: Високата топлопроводимост на хелия ускорява охлаждането, намалявайки ширината на ЗТВ; ниската проводимост на аргона удължава живота на разтопения басейн, благоприятствайки формирането на тънък лист.
2. Стабилност на басейна с разтопена маса: Срязването на въздушния поток влияе върху потока на басейна с разтопена течност. Правилният поток потиска пръскането, докато прекомерният поток причинява завихряния и дефекти.
3. Химическа защита: Инертните газове изолират кислорода, предотвратявайки окисляването на елементите на сплавта (напр. Cr, Al). Активните газове (напр. N₂) променят свойствата на заваръчния шев чрез укрепване на твърд-разтвор или образуване на съединение, но изискват прецизен контрол.

Обработка с лазер и електронен лъч

Източник: Събрано от редакционния екип на публичния акаунт в WeChat „Технология и приложения за обработка на високо-енергиен лъч“.