01
Forord
På grund af dens høje energitæthed, lave varmetilførsel og berøringsfrie natur er lasersvejseteknologi vist sig som en af kerneprocesserne i moderne præcisionsfremstilling. Problemer som oxidation, porøsitet og elementær afbrænding-af-som følge af kontakten mellem svejsebadet og atmosfæren under svejseprocessen- begrænser imidlertid i alvorlig grad svejsesømmenes mekaniske egenskaber og levetid. Som det kritiske medium til styring af svejsemiljøet skal valget af beskyttelsesgastype, flowhastighed og leveringsmetode omhyggeligt kobles med de specifikke materialeegenskaber (såsom kemisk reaktivitet og termisk ledningsevne) og tykkelsen af emnet.
Laser- og elektronstrålebehandling
02
Typer af beskyttelsesgasser
Den primære funktion af en beskyttelsesgas er at isolere ilt, regulere svejsebassinets adfærd og forbedre energikoblingens effektivitet. Baseret på deres kemiske egenskaber kan beskyttelsesgasser bredt klassificeres i inerte gasser (såsom argon og helium) og aktive gasser (såsom nitrogen og kuldioxid). Inerte gasser har høj kemisk stabilitet, hvilket effektivt forhindrer oxidation af svejsebassinet; dog kan betydelige forskelle i deres termofysiske egenskaber have en dybt indflydelse på svejseresultatet. For eksempel har argon (Ar) en høj densitet (1.784 kg/m³), hvilket gør det muligt at danne et stabilt beskyttende tæppe over svejsebassinet; omvendt resulterer dens lave varmeledningsevne (0,0177 W/m·K) i langsommere afkøling af svejsebassinet og mindre indtrængningsdybde. I modsætning hertil udviser helium (He) en varmeledningsevne, der er cirka otte gange højere end argon (0,1513 W/m·K), og accelererer derved afkøling af svejsebassinet og øger indtrængningsdybden; dens lave densitet (0,1785 kg/m³) gør den imidlertid tilbøjelig til hurtig spredning, hvilket nødvendiggør højere strømningshastigheder for at opretholde en effektiv afskærmning. Aktive gasser-såsom nitrogen (N₂)-kan i visse applikationer forbedre svejsesømmestyrken gennem fast-opløsningsforstærkning; deres overdrevne brug kan dog føre til porøsitet eller udfældning af sprøde faser. Når du f.eks. svejser duplex rustfrit stål, kan opløsningen af nitrogen i svejsebassinet forstyrre ferrit--austenitfasebalancen, hvilket resulterer i en reduktion af korrosionsbestandigheden.
Set fra procesmekanismernes perspektiv undertrykker heliums høje ioniseringsenergi (24,6 eV) plasmaafskærmningseffekten og forbedrer laserenergiabsorptionen og øger derved penetrationsdybden. Omvendt har argons lave ioniseringsenergi (15,8 eV) en tendens til at generere en plasmafane, hvilket nødvendiggør brugen af teknikker såsom defokusering eller pulsmodulation for at afbøde interferens. Ydermere kan kemiske reaktioner mellem aktive beskyttelsesgasser og den smeltede pool -såsom dannelsen af nitrider gennem reaktionen af nitrogen med krom i stål- ændre svejsesammensætningen; derfor skal valget af beskyttelsesgas ske med forsigtighed under hensyntagen til de specifikke materialeegenskaber.
**Eksempler på materialeanvendelse:**
• **Stål:** Ved svejsning af tynde plader (<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), dog kræves en lille tilsætning af helium (He) for at øge indtrængningsdybden.
• **Rustfrit stål:** Argonafskærmning forhindrer udtømning af krom (Cr) indhold; i en svejsning på 3 mm tykt 304 rustfrit stål når Cr-indholdet 18,2% (nærmer sig uædle metallets 18,5%). Duplex rustfrit stål kræver på den anden side en Ar-N₂-blanding (med N₂ mindre end eller lig med 5%) for at opretholde et afbalanceret faseforhold. Undersøgelser viser, at når man svejser 8 mm tykt 2205 duplex rustfrit stål ved hjælp af en Ar-2%N2-blanding, stabiliseres ferrit-til-austenit-faseforholdet på 48:52, hvilket giver en trækstyrke på 780 MPa-superior til den, der opnås med pure skærmning (720 MPa).
• **Aluminiumslegeringer:** *Tynde plader (<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):* Svejsning af tykke aluminiumsplader kræver høj energitilførsel; en helium-argonblanding (He:Ar=3:1) tilbyder en balance mellem opnåelse af tilstrækkelig penetrationsdybde og styring af omkostninger. Når man f.eks. svejser 8 mm tykke 5083 plader, resulterer afskærmning med denne blanding i en indtrængningsdybde på 6,2 mm-en 35 % forbedring i forhold til ren argon-og samtidig reducerer svejseomkostningerne med 20 %.
