Indflydelsen af ​​beskyttelsesgasparametre på lasersvejseprocessen

Indflydelsen af ​​beskyttelsesgasparametre på lasersvejseprocessen

01 Indledning

Lasersvejseteknologi er på grund af dens høje energitæthed, lave varmetilførsel og ikke-kontaktkarakteristika blevet en af ​​kerneprocesserne i moderne præcisionsfremstilling. Oxidation, porøsitet og elementtab forårsaget af kontakten mellem den smeltede pool og atmosfæren under svejsning begrænser imidlertid alvorligt de mekaniske egenskaber og levetiden af ​​svejsninger. Beskyttelsesgas, som kernemediet til styring af svejsemiljøet, skal vælges ud fra dens type, flowhastighed og blæsemetode i kombination med materialeegenskaber (såsom kemisk reaktivitet og termisk ledningsevne) og pladetykkelse.

Laser- og elektronstrålebehandling

02 Typer af beskyttelsesgas

Den primære rolle for beskyttelsesgas er at isolere ilt, regulere smeltet pools adfærd og forbedre energikoblingseffektiviteten. Baseret på kemiske egenskaber klassificeres beskyttelsesgasser i inerte gasser (argon, helium) og aktive gasser (nitrogen, kuldioxid). Inerte gasser har høj kemisk stabilitet og forhindrer effektivt oxidation af det smeltede bassin, men deres termofysiske forskelle påvirker svejseresultaterne væsentligt.

For eksempel har argon (Ar) en høj densitet (1,784 kg/m³), der danner et stabilt dæklag, men dens lave termiske ledningsevne (0,0177 W/m·K) bremser afkølingen og resulterer i mindre gennemtrængning. I modsætning hertil har helium (He) en termisk ledningsevne 8 gange højere (0,1513 W/m·K), accelererer afkøling og øger indtrængningsdybden, men dens lave tæthed (0,1785 kg/m³) gør det let at undslippe, hvilket kræver højere flow for at opretholde beskyttelsen.

Aktive gasser, såsom nitrogen (N₂), kan i nogle tilfælde forbedre svejsestyrken gennem fast-opløsningsforstærkning, men overdreven brug kan forårsage porøsitet eller sprødfaseudfældning. For eksempel kan nitrogeninfiltration i den smeltede pool under duplex svejsning af rustfrit stål forstyrre ferrit/austenit fasebalancen, hvilket reducerer korrosionsbestandigheden.

[Billede: Figur 1. Lasersvejsning 304L rustfrit stål, (øverst) Ar-beskyttelse; (nederst) N₂-beskyttelse]

Fra procesmekanismens perspektiv undertrykker heliums høje ioniseringsenergi (24,6 eV) plasmaafskærmning, hvilket forbedrer laserenergiabsorption og penetration. Argon, med en lavere ioniseringsenergi (15,8 eV), genererer let plasmaskyer, hvilket kræver defokusering eller pulsmodulation for at reducere interferens. Desuden kan aktive gasser reagere kemisk med den smeltede pool (f.eks. N2, der danner nitrider med Cr i stål), hvilket ændrer svejsesammensætningen og nødvendiggør forsigtig udvælgelse.

Eksempler på materialeanvendelse:
- Stål: Til tynde plader (<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), heliumtilsætning forbedrer indtrængning.
- Rustfrit stål: Argonbeskyttelse forhindrer Cr-tab. I 3 mm tykt 304 rustfrit stål når Cr-indholdet i svejsningen 18,2% (tæt på 18,5% i basismetallet). Duplex rustfrit stål kræver Ar-N₂-blandinger (N₂ Mindre end eller lig med 5%) til fasebalance. Forskning viser, at med 8 mm tykt 2205 duplex rustfrit stål opretholder Ar-2%N2 et ferrit/austenit-forhold på 48:52 og trækstyrke på 780 MPa, bedre end ren Ar (720 MPa).
- Aluminiumslegeringer: Til tynde plader (<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) balancerer penetration og omkostninger. For eksempel opnåede svejsning af 8 mm tyk 5083 plade med blandet gas 6,2 mm penetration, 35 % dybere end ren Ar, samtidig med at omkostningerne blev reduceret med 20 %.

Laser- og elektronstrålebehandling

03 Indflydelse af beskyttelsesgasstrømningshastighed

Beskyttelsesgasstrømningshastigheden påvirker direkte dækningsevnen og smeltet poolvæskedynamik. Utilstrækkelig flow klarer ikke fuldstændigt at isolere luft, hvilket fører til oxidation og porøsitet. Overdreven strømning kan forårsage turbulens, skure den smeltede pool og forårsage fordybninger eller sprøjt. Ifølge Reynolds tal (Re=ρvD/μ) øger højere flow hastigheden, og når Re > 2300, går laminar flow over i turbulens, hvilket destabiliserer den smeltede pool. Den kritiske strømningshastighed skal således bestemmes eksperimentelt eller ved CFD-simulering.

[Billede: Figur 2. Indflydelse af forskellige strømningshastigheder for beskyttelsesgas på svejsninger]

Optimering af flow skal tage hensyn til termisk ledningsevne og pladetykkelse:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), kræves 18–22 L/min for at undertrykke oxidation. For eksempel, med 6 mm tykt 316L rustfrit stål, forbedrede 20 L/min HAZ-hårdhedens ensartethed 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, sammenblæsning er nødvendig for at undgå turbulens.

Laser- og elektronstrålebehandling

04 Indflydelse af metoder til udblæsning af beskyttelsesgas

Blæsemetoden, ved at kontrollere luftstrømmens retning og fordeling, påvirker direkte flow af smeltet pool og undertrykkelse af defekter. Det ændrer overfladespændingsgradienter og Marangoni-flow og regulerer derved smeltet pools dynamik. Sideblæsning-inducerer retningsbestemt flow, reducerer porøsitet og indeslutninger, mens sammenblæsning afbalancerer energifordelingen og forbedrer svejseens ensartethed.

[Billede: Figur 3. Indflydelse af forskellige blæsemetoder på svejsninger]

Vigtigste blæsemetoder:
- Koaksialblæsning: Luftstrømmen er koaksial med laserstrålen og dækker symmetrisk den smeltede pool, velegnet til høj-svejsning. Det sikrer høj processtabilitet, men kan forstyrre laserfokusering. For eksempel med 1,2 mm galvaniseret bilstål øgede koaksialblæsning svejsehastigheden til 40 mm/s med sprøjt<0.1.
- Side-blæsning: Luftstrømmen kommer ind fra siden og fjerner effektivt plasma og urenheder, velegnet til dyb penetrationssvejsning. For 12 mm tykt Q345 stål ved 30 graders sideblæsning- steg indtrængningen med 18 %, og porøsiteten faldt fra 4 % til 0,8 %.
- Sammenblæsning: Ved at kombinere koaksial- og sideblæsning-undertrykker det samtidig oxidation og plasmainterferens. For 3 mm tyk 6061 aluminiumslegering med dobbelt-dysedesign faldt porøsiteten fra 2,5 % til 0,4 %, og trækstyrken nåede 95 % af basismaterialet.

05 Konklusion

Beskyttelsesgassens indflydelse på svejsekvaliteten stammer i det væsentlige fra dens regulering af energioverførsel, smeltet pools termodynamik og kemiske reaktioner:
1. Energioverførsel: Heliums høje termiske ledningsevne accelererer afkøling, hvilket reducerer HAZ-bredden; Argons lave ledningsevne forlænger smeltet pools levetid, hvilket gavner dannelsen af ​​tynde plader.
2. Stabilitet af smeltet bassin: Luftstrømsforskydning påvirker flowet af smeltet bassin. Korrekt flow undertrykker sprøjt, mens overdreven flow forårsager hvirvler og defekter.
3. Kemisk beskyttelse: Inerte gasser isolerer oxygen og forhindrer oxidation af legeringselementer (f.eks. Cr, Al). Aktive gasser (f.eks. N₂) ændrer svejseegenskaber via fast-opløsningsforstærkning eller sammensætning, men kræver præcis kontrol.

Laser- og elektronstrålebehandling

Kilde: Indsamlet af redaktionen på den offentlige WeChat-konto "High-Energy Beam Processing Technology and Applications."