A védőgáz paramétereinek hatása a lézeres hegesztési folyamatra

A védőgáz paramétereinek hatása a lézeres hegesztési folyamatra

01 Bevezetés

A lézeres hegesztési technológia nagy energiasűrűségének, alacsony hőbevitelének és érintésmentes tulajdonságainak köszönhetően a modern precíziós gyártás egyik alapvető folyamatává vált. A hegesztés során az olvadt medence és a légkör érintkezése által okozott oxidáció, porozitás és elemveszteség azonban súlyosan korlátozza a hegesztési varratok mechanikai tulajdonságait és élettartamát. A védőgázt, mint a hegesztési környezet szabályozásának alapközegét, típusa, áramlási sebessége és fúvási módszere, valamint az anyagjellemzők (például kémiai reakcióképesség és hővezetőképesség) és a lemezvastagság alapján kell kiválasztani.

Lézeres és elektronsugaras feldolgozás

02 Védőgáz típusok

A védőgáz elsődleges szerepe az oxigén elkülönítése, az olvadt medence viselkedésének szabályozása és az energiacsatolás hatékonyságának javítása. A kémiai tulajdonságok alapján a védőgázokat inert gázokra (argon, hélium) és aktív gázokra (nitrogén, szén-dioxid) osztják. Az inert gázok nagy kémiai stabilitással rendelkeznek, és hatékonyan megakadályozzák az olvadt medence oxidációját, de termofizikai különbségeik jelentősen befolyásolják a hegesztési eredményeket.

Például az argon (Ar) nagy sűrűségű (1,784 kg/m³), stabil fedőréteget képez, de alacsony hővezető képessége (0,0177 W/m·K) lassítja a lehűlést és sekélyebb behatolást eredményez. Ezzel szemben a hélium (He) hővezető képessége 8-szor nagyobb (0,1513 W/m·K), ami felgyorsítja a hűtést és növeli a behatolási mélységet, de alacsony sűrűsége (0,1785 kg/m³) könnyen kiszabadul, nagyobb áramlást igényel a védelem fenntartásához.

Az aktív gázok, például a nitrogén (N₂), bizonyos esetekben javíthatják a hegesztési szilárdságot a szilárd oldat megerősítésével, de a túlzott használat porozitást vagy törékeny fáziskiválást okozhat. Például a duplex rozsdamentes acél hegesztés során az olvadt medencébe történő nitrogén beszivárgása megzavarhatja a ferrit/ausztenit fázisegyensúlyt, csökkentve a korrózióállóságot.

[Kép: 1. ábra Lézeres hegesztés 304L rozsdamentes acél, (felül) Ar védelem; (alul) N₂ védelem]

A folyamatmechanizmus szempontjából a hélium magas ionizációs energiája (24,6 eV) elnyomja a plazmaárnyékolást, javítva a lézerenergia abszorpcióját és behatolását. Az alacsonyabb ionizációs energiájú (15,8 eV) argon könnyen plazmafelhőket hoz létre, amelyek defókuszálást vagy impulzusmodulációt igényelnek az interferencia csökkentése érdekében. Ezenkívül az aktív gázok kémiai reakcióba léphetnek az olvadt medencével (pl. N2-képző nitrideket Cr-ral az acélban), megváltoztatva a hegesztési varrat összetételét, és óvatos kiválasztást tesznek szükségessé.

Anyagfelhasználási példák:
- Acél: Vékony lapokhoz (<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), hélium hozzáadása javítja a behatolást.
- Rozsdamentes acél: Az argonvédelem megakadályozza a Cr veszteségét. A 3 mm vastag 304-es rozsdamentes acélban a varrat Cr-tartalma eléri a 18,2%-ot (az alapfémben közel 18,5%). A duplex rozsdamentes acélhoz Ar-N₂ keverékre van szükség (N₂ legfeljebb 5%) a fázisegyensúlyhoz. A kutatások azt mutatják, hogy a 8 mm vastag 2205 duplex rozsdamentes acélnál az Ar-2%N2 48:52 ferrit/ausztenit arányt és 780 MPa szakítószilárdságot tart fenn, ami jobb, mint a tiszta Ar (720 MPa).
- Alumíniumötvözetek: Vékony lapokhoz (<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), a He-Ar keverékek (3:1) egyensúlyban tartják a behatolást és a költségeket. Például a 8 mm vastag 5083-as lemez kevert gázzal történő hegesztése 6,2 mm-es behatolást ért el, ami 35%-kal mélyebb, mint a tiszta Ar, miközben 20%-kal csökkentette a költségeket.

Lézeres és elektronsugaras feldolgozás

03 A védőgáz áramlási sebességének hatása

A védőgáz áramlási sebessége közvetlenül befolyásolja a lefedettséget és az olvadt medence folyadék dinamikáját. Az elégtelen áramlás nem képes teljesen elszigetelni a levegőt, ami oxidációhoz és porozitáshoz vezet. A túlzott áramlás turbulenciát idézhet elő, felmosva az olvadt medencét és bemélyedéseket vagy fröcskölést okozhat. A Reynolds-szám szerint (Re=ρvD/μ) a nagyobb áramlás növeli a sebességet, és amikor Re > 2300, a lamináris áramlás turbulenciába megy át, destabilizálja az olvadt medencét. Így a kritikus áramlási sebességet kísérletileg vagy CFD szimulációval kell meghatározni.

[Kép: 2. ábra Különböző védőgáz áramlási sebességek hatása hegesztésekre]

Az áramlás optimalizálásakor figyelembe kell venni a hővezető képességet és a lemezvastagságot:
- 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/perc szükséges az oxidáció visszaszorításához. Például 6 mm vastag, 316 literes rozsdamentes acél esetén 20 l/perc 30%-kal javította a HAZ keménységi egyenletességét.
- 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, a turbulencia elkerülése érdekében összetett fúvás szükséges.

Lézeres és elektronsugaras feldolgozás

04 A védőgáz fúvás módszereinek hatása

A fúvási módszer a légáramlás irányának és eloszlásának szabályozásával közvetlenül befolyásolja az olvadt medence áramlását és a hibaelnyomást. Megváltoztatja a felületi feszültség gradienst és a Marangoni áramlást, ezáltal szabályozza az olvadt medence dinamikáját. Az oldalsó-fúvás irányított áramlást indukál, csökkentve a porozitást és a zárványokat, míg az összetett fúvás kiegyensúlyozza az energiaeloszlást és javítja a hegesztési varrat egyenletességét.

[Kép: 3. ábra Különböző fúvási módszerek hatása hegesztésekre]

Főbb fúvási módszerek:
- Koaxiális fúvás: A légáramlás koaxiális a lézersugárral, szimmetrikusan fedi le az olvadt medencét, alkalmas nagy-sebességű hegesztésre. Magas folyamatstabilitást biztosít, de zavarhatja a lézeres fókuszálást. Például az 1,2 mm-es horganyzott autóacélnál a koaxiális fúvás 40 mm/s-ra növelte a hegesztési sebességet fröccsenéssel<0.1.
- Oldalsó-fújás: A légáramlás oldalról lép be, hatékonyan eltávolítva a plazmát és a szennyeződéseket, alkalmas mély behatoló hegesztésre. A 12 mm vastag Q345-ös acél esetében 30 fokos oldalfúvásnál a behatolás 18%-kal nőtt, és a porozitás 4%-ról 0,8%-ra csökkent.
- Összetett fúvás: A koaxiális és oldalsó-fúvás kombinálásával egyidejűleg elnyomja az oxidációt és a plazmainterferenciát. A 3 mm vastag, 6061-es, kettős fúvóka kialakítású alumíniumötvözet porozitása 2,5%-ról 0,4%-ra csökkent, a szakítószilárdság elérte az alapanyag 95%-át.

05 Következtetés

A védőgáz hegesztési minőségre gyakorolt ​​hatása alapvetően az energiaátvitel szabályozásából, az olvadt medence termodinamikájából és a kémiai reakciókból ered:
1. Energiaátadás: A hélium nagy hővezető képessége felgyorsítja a hűtést, csökkenti a HAZ szélességét; Az argon alacsony vezetőképessége meghosszabbítja az olvadt medence élettartamát, ami elősegíti a vékony lemezképződést.
2. Olvadt medence stabilitása: A légáramlás nyírása befolyásolja az olvadt medence áramlását. A megfelelő áramlás elnyomja a fröcskölést, míg a túlzott áramlás örvényléseket és hibákat okoz.
3. Kémiai védelem: Az inert gázok elszigetelik az oxigént, megakadályozva az ötvözetelemek (pl. Cr, Al) oxidációját. Az aktív gázok (pl. N₂) megváltoztatják a hegesztési tulajdonságokat a szilárd -oldat megerősítése vagy vegyületképzés révén, de pontos szabályozást igényelnek.

Lézeres és elektronsugaras feldolgozás

Forrás: A „High{0}}Energy Beam Processing Technology and Applications” WeChat nyilvános fiók szerkesztői csapata gyűjtötte össze.