Технология за лазерно заваряванеПоради високата си енергийна плътност, ниското влагане на топлина и безконтактните си характеристики, защитният газ се е превърнал в един от основните процеси в съвременното прецизно производство. Проблеми като окисляване, порьозност и изгаряне на елементи, причинени от контакта на разтопената вана с атмосферата по време на заваряване, обаче сериозно ограничават механичните свойства и експлоатационния живот на заваръчния шев. Като основна среда за контрол на заваръчната среда, изборът на вида, дебита и режима на вдухване на защитен газ трябва да бъде съчетан с характеристиките на материала (като химическа активност, топлопроводимост) и дебелината на плочата.
Видове защитни газове
Основната функция на защитните газове се състои в изолиране на кислорода, регулиране на поведението на разтопената вана и подобряване на ефективността на свързване на енергията. Въз основа на техните химични свойства, защитните газове могат да бъдат класифицирани като инертни газове (аргон, хелий) и активни газове (азот, въглероден диоксид). Инертните газове имат висока химическа стабилност и могат ефективно да предотвратят окисляването на разтопената вана, но значителните им разлики в топлофизичните свойства влияят значително върху заваръчния ефект. Например, аргонът (Ar) има висока плътност (1,784 kg/m³) и може да образува стабилно покритие, но ниската му топлопроводимост (0,0177 W/m·K) води до бавно охлаждане на разтопената вана и плитко проникване на заваръчния шев. За разлика от това, хелият (He) има осем пъти по-висока топлопроводимост (0,1513 W/m·K) от аргона и може да ускори охлаждането на разтопената вана и да увеличи проникването на заваръчния шев, но ниската му плътност (0,1785 kg/m³) го прави склонен към изтичане, което изисква по-висок дебит за поддържане на защитния ефект. Активни газове като азот (N₂) могат да подобрят якостта на заварката чрез укрепване в твърд разтвор в определени сценарии, но прекомерната употреба може да причини порьозност или утаяване на крехки фази. Например, при заваряване на дуплексна неръждаема стомана, дифузията на азот в разтопената вана може да наруши фазовия баланс ферит/аустенит, което води до намаляване на корозионната устойчивост.
Фигура 1. Лазерно заваряване на неръждаема стомана 304L (горе): Защита с аргонов газ; (долу): Защита с N2 газ
От гледна точка на механизма на процеса, високата йонизационна енергия на хелия (24,6 eV) може да потисне ефекта на плазменото екраниране и да подобри абсорбцията на лазерна енергия, като по този начин увеличи дълбочината на проникване. В същото време, ниската йонизационна енергия на аргона (15,8 eV) е склонна да генерира плазмени облаци, което изисква дефокусиране или импулсна модулация за намаляване на смущенията. Освен това, химическата реакция между активните газове и разтопената вана (като например реакцията на азота с Cr в стоманата) може да промени състава на заваръчния шев и е необходим внимателен подбор въз основа на свойствата на материала.
Примери за приложение на материали:
• Стомана: При заваряване на тънки плочи (<3 мм), аргонът може да осигури повърхностна обработка, с дебелина на оксидния слой от само 0,5 μm за заваръчен шев от нисковъглеродна стомана с дебелина 1,5 мм; за дебели плочи (>10 мм) е необходимо да се добави малко количество хелий (He), за да се увеличи дълбочината на проникване.
• Неръждаема стомана: Аргоновата защита може да предотврати загубата на хром, като съдържанието на хром от 18,2% в заваръчен шев от неръждаема стомана 304 с дебелина 3 мм се доближава до 18,5% от основния метал; за дуплексна неръждаема стомана е необходима смес Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%), за да се балансира съотношението. Проучванията показват, че при използване на смес Ar-2% N₂ за дуплексна неръждаема стомана 2205 с дебелина 8 мм, съотношението ферит/аустенит е стабилно при 48:52, с якост на опън от 780 MPa, което е по-добро от чиста аргонова защита (720 MPa).
• Алуминиева сплав: Тънка плоча (<3 мм): Високата отражателна способност на алуминиевите сплави води до ниска степен на поглъщане на енергия, а хелият, с високата си йонизационна енергия (24,6 eV), може да стабилизира плазмата. Изследванията показват, че когато алуминиева сплав 6061 с дебелина 2 мм е защитена с хелий, дълбочината на проникване достига 1,8 мм, което се увеличава с 25% в сравнение с аргон, а степента на порьозност е по-ниска от 1%. За дебели плочи (>5 мм): Дебелите плочи от алуминиева сплав изискват висок енергиен вход, а смес от хелий и аргон (He:Ar = 3:1) може да балансира както дълбочината на проникване, така и разходите. Например, при заваряване на плочи 5083 с дебелина 8 мм, дълбочината на проникване достига 6,2 мм под смесена газова защита, което се увеличава с 35% в сравнение с чист аргонов газ, а разходите за заваряване се намаляват с 20%.
Забележка: Оригиналният текст съдържа някои грешки и несъответствия. Предоставеният превод се основава на коригираната и последователна версия на текста.
Влияние на дебита на аргон
Дебитът на аргоновия газ влияе пряко върху способността за покритие на газа и флуидната динамика на разтопения басейн. Когато дебитът е недостатъчен, газовият слой не може напълно да изолира въздуха и ръбът на разтопения басейн е склонен към окисление и образуване на газови пори; когато дебитът е твърде висок, това може да причини турбуленция, която може да замие повърхността на разтопения басейн и да доведе до депресия на заваръчния шев или пръски. Според числото на Рейнолдс от механиката на флуидите (Re = ρvD/μ), увеличаването на дебита ще увеличи скоростта на газовия поток. Когато Re > 2300, ламинарният поток се превръща в турбулентен, което ще разруши стабилността на разтопения басейн. Следователно, определянето на критичния дебит трябва да се анализира чрез експерименти или числени симулации (като CFD).
Фигура 2. Влияние на различните скорости на газовия поток върху заваръчния шев
Оптимизацията на потока трябва да се регулира в комбинация с топлопроводимостта на материала и дебелината на плочата:
• За стомана и неръждаема стомана: За тънки стоманени плочи (1-2 мм), дебитът е за предпочитане 10-15 л/мин. За дебели плочи (>6 мм), той трябва да се увеличи до 18-22 л/мин, за да се потисне окисляването на опашките. Например, когато дебитът на неръждаема стомана 316L с дебелина 6 мм е 20 л/мин, еднородността на твърдостта в зоната на вредното въздействие (HAZ) се подобрява с 30%.
• За алуминиева сплав: Високата топлопроводимост изисква висок дебит, за да се удължи времето на защита. За алуминиева сплав 7075 с дебелина 3 мм, степента на порьозност е най-ниска (0,3%), когато дебитът е 25-30 л/мин. Въпреки това, за ултрадебели плочи (>10 мм) е необходимо комбиниране с композитно продухване, за да се избегне турбуленция.
Влиянието на режима на вдухване на газ
Режимът на вдухване на газ влияе директно върху модела на потока на разтопената вана и ефекта на потискане на дефектите, като контролира посоката и разпределението на газовия поток. Режимът на вдухване на газ регулира потока на разтопената вана, като променя градиента на повърхностното напрежение и потока Марангони (поток Марангони). Страничното вдухване може да накара разтопената вана да тече в определена посока, намалявайки порите и включването на шлака; вдухването на композит може да подобри равномерността на образуването на заваръчния шев, като балансира разпределението на енергията чрез многопосочен газов поток.
Основните методи за издухване включват:
• Коаксиално обдухване: Газовият поток се извежда коаксиално с лазерния лъч, симетрично покривайки разтопената вана, подходящ за високоскоростно заваряване. Предимството му е високата стабилност на процеса, но газовият поток може да попречи на фокусирането на лазера. Например, когато се използва коаксиално обдухване върху поцинкована стоманена ламарина за автомобили (1,2 мм), скоростта на заваряване може да се увеличи до 40 мм/сек, а скоростта на пръски е по-малка от 0,1.
• Странично продухване: Газовият поток се въвежда отстрани на разтопената вана, което може да се използва за насочено отстраняване на плазма или дънни примеси, подходящо за заваряване с дълбоко проникване. Например, при продухване върху стомана Q345 с дебелина 12 мм под ъгъл от 30°, проникването на заваръчния шев се увеличава с 18%, а степента на порьозност на дъното намалява от 4% на 0,8%.
• Композитно издухване: Комбинацията от коаксиално и странично издухване може едновременно да потисне окисляването и плазмените смущения. Например, за алуминиева сплав 6061 с дебелина 3 мм с двойна дюза, степента на порьозност се намалява от 2,5% на 0,4%, а якостта на опън достига 95% от тази на основния материал.
Влиянието на защитния газ върху качеството на заваряване произтича основно от регулирането на енергийния трансфер, термодинамиката на разтопената вана и химичните реакции:
1. Пренос на енергия: Високата топлопроводимост на хелия ускорява охлаждането на разтопения басейн, намалявайки ширината на зоната, засегната от топлина (ЗТВ); ниската топлопроводимост на аргона удължава времето на съществуване на разтопения басейн, което е благоприятно за образуването на повърхността на тънки плочи.
2. Стабилност на разтопената вана: Газовият поток влияе върху потока на разтопената вана чрез сила на срязване и подходящ дебит може да потисне пръските; прекомерният дебит ще причини вихър, водещ до дефекти на заваряването.
3. Химична защита: Инертните газове изолират кислорода и предотвратяват окисляването на легиращи елементи (като Cr, Al); активните газове (като N₂) променят свойствата на заваръчния шев чрез укрепване на твърди разтвори или образуване на съединения, но концентрацията трябва да бъде прецизно контролирана.
Време на публикуване: 09 април 2025 г.
