Påvirkningen av skjermgassparametre på lasersveiseprosessen

Innflytelsen av skjermgassparametre på lasersveiseprosessen

01 Introduksjon

Lasersveiseteknologi har, på grunn av sin høye energitetthet, lave varmetilførsel og ikke-kontaktegenskaper, blitt en av kjerneprosessene i moderne presisjonsproduksjon. Imidlertid begrenser oksidasjon, porøsitet og elementtap forårsaket av kontakten mellom det smeltede bassenget og atmosfæren under sveising de mekaniske egenskapene og levetiden til sveiser. Beskyttelsesgass, som kjernemedium for å kontrollere sveisemiljøet, må velges basert på type, strømningshastighet og blåsemetode, i kombinasjon med materialegenskaper (som kjemisk reaktivitet og termisk ledningsevne) og platetykkelse.

Laser- og elektronstrålebehandling

02 Typer dekkgass

Den primære rollen til beskyttelsesgass er å isolere oksygen, regulere oppførselen til smeltet basseng og forbedre energikoblingseffektiviteten. Basert på kjemiske egenskaper klassifiseres beskyttelsesgasser i inerte gasser (argon, helium) og aktive gasser (nitrogen, karbondioksid). Inerte gasser har høy kjemisk stabilitet og forhindrer effektivt oksidasjon av det smeltede bassenget, men deres termofysiske forskjeller påvirker sveiseresultatene betydelig.

For eksempel har argon (Ar) en høy tetthet (1,784 kg/m³), og danner et stabilt dekningslag, men dens lave varmeledningsevne (0,0177 W/m·K) bremser avkjølingen og resulterer i grunnere penetrering. I motsetning til dette har helium (He) en termisk ledningsevne 8 ganger høyere (0,1513 W/m·K), akselererende kjøling og økende penetrasjonsdybde, men dens lave tetthet (0,1785 kg/m³) gjør det enkelt å unnslippe, og krever høyere strømning for å opprettholde beskyttelsen.

Aktive gasser, som nitrogen (N₂), kan forbedre sveisestyrken gjennom fast-oppløsningsforsterkning i noen tilfeller, men overdreven bruk kan forårsake porøsitet eller sprø faseutfelling. For eksempel kan nitrogeninfiltrasjon i det smeltede bassenget under duplekssveising av rustfritt stål forstyrre ferritt/austenittfasebalansen, og redusere korrosjonsmotstanden.

[Bilde: Figur 1. Lasersveising 304L rustfritt stål, (øverst) Ar-beskyttelse; (nederst) N₂-beskyttelse]

Fra prosessmekanismens perspektiv undertrykker heliums høye ioniseringsenergi (24,6 eV) plasmaskjerming, og forbedrer absorpsjon og penetrering av laserenergi. Argon, med lavere ioniseringsenergi (15,8 eV), genererer enkelt plasmaskyer, som krever defokusering eller pulsmodulering for å redusere interferens. Videre kan aktive gasser reagere kjemisk med det smeltede bassenget (f.eks. N₂ som danner nitrider med Cr i stål), endre sveisesammensetningen og nødvendiggjøre forsiktig valg.

Eksempler på materialbruk:
- Stål: For tynne plater (<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), heliumtilsetning forbedrer penetrasjonen.
- Rustfritt stål: Argonbeskyttelse forhindrer Cr-tap. I 3 mm tykt 304 rustfritt stål når Cr-innholdet i sveisen 18,2 % (nær 18,5 % i grunnmetallet). Dupleks rustfritt stål krever Ar-N₂-blandinger (N₂ Mindre enn eller lik 5%) for fasebalanse. Forskning viser at med 8 mm tykt 2205 dupleks rustfritt stål, opprettholder Ar-2%N₂ et ferritt/austenitt-forhold på 48:52 og strekkstyrke på 780 MPa, bedre enn ren Ar (720 MPa).
- Aluminiumslegeringer: For tynne plater (<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-blandinger (3:1) balanserer penetrasjon og kostnad. For eksempel oppnådde sveising av 8 mm tykk 5083-plate med blandet gass 6,2 mm penetrering, 35 % dypere enn ren Ar, samtidig som kostnadene ble redusert med 20 %.

Laser- og elektronstrålebehandling

03 Påvirkning av strømningshastighet for beskyttelsesgass

Strømningshastigheten for beskyttelsesgassen påvirker direkte dekningsevnen og smeltet bassengvæskedynamikk. Utilstrekkelig strømning klarer ikke å isolere luften fullstendig, noe som fører til oksidasjon og porøsitet. Overdreven flyt kan indusere turbulens, skure det smeltede bassenget og forårsake fordypninger eller sprut. I henhold til Reynolds tall (Re=ρvD/μ), øker høyere strømning hastigheten, og når Re > 2300 går laminær strømning over til turbulens, og destabiliserer det smeltede bassenget. Derfor må den kritiske strømningshastigheten bestemmes eksperimentelt eller ved CFD-simulering.

[Bilde: Figur 2. Påvirkning av forskjellige strømningshastigheter for beskyttelsesgass på sveiser]

Optimalisering av flyt må ta hensyn til termisk ledningsevne og platetykkelse:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), kreves 18–22 L/min for å undertrykke oksidasjon. For eksempel, med 6 mm tykt 316L rustfritt stål, forbedret 20 L/min HAZ-hardhetens jevnhet med 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 er det nødvendig å blåse sammen for å unngå turbulens.

Laser- og elektronstrålebehandling

04 Påvirkning av blåsemetoder for beskyttelsesgass

Blåsemetoden, ved å kontrollere luftstrømmens retning og distribusjon, påvirker direkte strømmen av smeltet basseng og undertrykkelse av defekter. Den endrer overflatespenningsgradienter og Marangoni-flyt, og regulerer derved dynamikken i smeltet basseng. Side-blåsing induserer retningsbestemt flyt, reduserer porøsitet og inneslutninger, mens sammensatt blåsing balanserer energifordelingen og forbedrer sveiseensartetheten.

[Bilde: Figur 3. Påvirkning av ulike blåsemetoder på sveiser]

De viktigste blåsemetodene:
- Koaksial blåsing: Luftstrømmen er koaksial med laserstrålen, og dekker symmetrisk det smeltede bassenget, egnet for høyhastighetssveising. Det sikrer høy prosessstabilitet, men kan forstyrre laserfokusering. For eksempel, med 1,2 mm galvanisert bilstål, økte koaksialblåsing sveisehastigheten til 40 mm/s, med sprut<0.1.
- Side-blåsing: Luftstrømmen kommer inn fra siden og fjerner effektivt plasma og urenheter, egnet for dyptrengningssveising. For 12 mm tykt Q345 stål ved 30 graders sideblåsing-, økte penetrasjonen med 18 %, og porøsiteten falt fra 4 % til 0,8 %.
- Sammensatt blåsing: Ved å kombinere koaksial- og sideblåsing- undertrykker den samtidig oksidasjon og plasmainterferens. For 3 mm tykk 6061 aluminiumslegering med dobbel-dysedesign, ble porøsiteten redusert fra 2,5 % til 0,4 %, og strekkstyrken nådde 95 % av basismaterialet.

05 Konklusjon

Påvirkningen av beskyttelsesgass på sveisekvaliteten stammer i hovedsak fra dens regulering av energioverføring, termodynamikk i smeltet basseng og kjemiske reaksjoner:
1. Energioverføring: Heliums høye termiske ledningsevne akselererer avkjøling, og reduserer HAZ-bredden; Argons lave ledningsevne forlenger levetiden til smeltet basseng, noe som gagner dannelsen av tynne ark.
2. Stabilitet av smeltet basseng: Luftstrømsskjær påvirker flyten av smeltet basseng. Riktig flyt undertrykker sprut, mens overdreven flyt forårsaker virvler og defekter.
3. Kjemisk beskyttelse: Inerte gasser isolerer oksygen, og forhindrer oksidasjon av legeringselementer (f.eks. Cr, Al). Aktive gasser (f.eks. N₂) endrer sveiseegenskapene via fast-oppløsningsforsterkning eller sammensetningsdannelse, men krever presis kontroll.

Laser- og elektronstrålebehandling

Kilde: Samlet inn av redaksjonen til den offentlige WeChat-kontoen "High-Energy Beam Processing Technology and Applications."