Технологія лазерного зварюванняЗавдяки високій щільності енергії, низькому теплопідведенню та безконтактним характеристикам, захисний газ став одним з основних процесів у сучасному прецизійному виробництві. Однак такі проблеми, як окислення, пористість та вигоряння елементів, спричинені контактом розплавленої ванни з атмосферою під час зварювання, серйозно обмежують механічні властивості та термін служби зварного шва. Як основне середовище для контролю середовища зварювання, вибір типу, швидкості потоку та режиму подачі захисного газу має бути пов'язаний з характеристиками матеріалу (такими як хімічна активність, теплопровідність) та товщиною пластини.
Типи захисних газів
Основна функція захисних газів полягає в ізоляції кисню, регулюванні поведінки розплавленої ванни та підвищенні ефективності енергетичного зв'язку. Залежно від їхніх хімічних властивостей, захисні гази можна класифікувати на інертні гази (аргон, гелій) та активні гази (азот, вуглекислий газ). Інертні гази мають високу хімічну стабільність і можуть ефективно запобігати окисленню розплавленої ванни, але їхні значні відмінності в теплофізичних властивостях суттєво впливають на ефект зварювання. Наприклад, аргон (Ar) має високу щільність (1,784 кг/м³) і може утворювати стабільне покриття, але його низька теплопровідність (0,0177 Вт/м·К) призводить до повільного охолодження розплавленої ванни та неглибокого проплавлення шва. Навпаки, гелій (He) має у вісім разів вищу теплопровідність (0,1513 Вт/м·К), ніж аргон, і може прискорити охолодження розплавленої ванни та збільшити проплавлення шва, але його низька щільність (0,1785 кг/м³) робить його схильним до витоку, що вимагає вищої швидкості потоку для підтримки захисного ефекту. Активні гази, такі як азот (N₂), можуть підвищити міцність зварного шва шляхом зміцнення твердим розчином у певних випадках, але надмірне використання може призвести до пористості або виділення крихких фаз. Наприклад, під час зварювання дуплексної нержавіючої сталі дифузія азоту в розплавлену ванну може порушити баланс фаз фериту/аустеніту, що призведе до зниження корозійної стійкості.
Рисунок 1. Лазерне зварювання нержавіючої сталі 304L (зверху): захисний газ Ar; (знизу): захисний газ N2
З точки зору механізму процесу, висока енергія іонізації гелію (24,6 еВ) може пригнічувати ефект плазмового екранування та посилювати поглинання лазерної енергії, тим самим збільшуючи глибину проникнення. Тим часом низька енергія іонізації аргону (15,8 еВ) схильна до утворення плазмових хмар, що вимагає дефокусування або імпульсної модуляції для зменшення перешкод. Крім того, хімічна реакція між активними газами та розплавленою ванною (наприклад, реакція азоту з Cr у сталі) може змінити склад зварного шва, тому необхідний ретельний вибір на основі властивостей матеріалу.
Приклади застосування матеріалів:
• Сталь: При зварюванні тонких листів (<3 мм) аргон може забезпечити обробку поверхні, з товщиною оксидного шару лише 0,5 мкм для зварного шва низьковуглецевої сталі товщиною 1,5 мм; для товстих листів (>10 мм) необхідно додавати невелику кількість гелію (He) для збільшення глибини проникнення.
• Нержавіюча сталь: Захист аргоном може запобігти втраті елемента Cr, при цьому вміст Cr у зварному шві нержавіючої сталі 304 товщиною 3 мм становить 18,2%, що наближається до 18,5% основного металу; для дуплексної нержавіючої сталі для балансування співвідношення потрібна суміш Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%). Дослідження показали, що при використанні суміші Ar-2% N₂ для дуплексної нержавіючої сталі 2205 товщиною 8 мм співвідношення фериту/аустеніту стабільне на рівні 48:52, з міцністю на розрив 780 МПа, що перевершує захист чистим аргоном (720 МПа).
• Алюмінієвий сплав: Тонка пластина (<3 мм): Висока відбивна здатність алюмінієвих сплавів призводить до низького коефіцієнта поглинання енергії, а гелій з його високою енергією іонізації (24,6 еВ) може стабілізувати плазму. Дослідження показують, що коли алюмінієвий сплав 6061 товщиною 2 мм захищений гелієм, глибина проникнення досягає 1,8 мм, що на 25% більше порівняно з аргоном, а коефіцієнт пористості нижчий за 1%. Для товстих пластин (>5 мм): Товсті пластини алюмінієвого сплаву потребують високого енергоспоживання, а суміш гелію та аргону (He:Ar = 3:1) може збалансувати як глибину проникнення, так і вартість. Наприклад, під час зварювання пластин 5083 товщиною 8 мм глибина проникнення досягає 6,2 мм під захистом змішаного газу, що на 35% більше порівняно з чистим аргоном, а вартість зварювання знижується на 20%.
Примітка: Оригінальний текст містить деякі помилки та невідповідності. Наданий переклад базується на виправленій та зв’язній версії тексту.
Вплив швидкості потоку аргону
Швидкість потоку аргону безпосередньо впливає на здатність покриття газом та динаміку рідини розплавленої ванни. Коли швидкість потоку недостатня, шар газу не може повністю ізолювати повітря, і край розплавленої ванни схильний до окислення та утворення газових пор; коли швидкість потоку занадто висока, це може спричинити турбулентність, яка може змивати поверхню розплавленої ванни та призвести до заглиблення зварного шва або розбризкування. Згідно з числом Рейнольдса гідромеханіки (Re = ρvD/μ), збільшення швидкості потоку призведе до збільшення швидкості потоку газу. Коли Re > 2300, ламінарний потік перетворюється на турбулентний, що порушує стабільність розплавленої ванни. Тому визначення критичної швидкості потоку необхідно проводити за допомогою експериментів або числового моделювання (наприклад, CFD).
Рисунок 2. Вплив різних швидкостей потоку газу на зварний шов
Оптимізацію потоку слід регулювати в поєднанні з теплопровідністю матеріалу та товщиною пластини:
• Для сталі та нержавіючої сталі: для тонких сталевих пластин (1-2 мм) швидкість потоку бажано становить 10-15 л/хв. Для товстих пластин (>6 мм) її слід збільшити до 18-22 л/хв, щоб придушити окислення хвостів. Наприклад, коли швидкість потоку нержавіючої сталі 316L товщиною 6 мм становить 20 л/хв, рівномірність твердості зони термічного впливу (HAZ) покращується на 30%.
• Для алюмінієвого сплаву: висока теплопровідність вимагає високої швидкості потоку для подовження часу захисту. Для алюмінієвого сплаву 7075 товщиною 3 мм коефіцієнт пористості є найнижчим (0,3%), коли швидкість потоку становить 25-30 л/хв. Однак для надтовстих пластин (>10 мм) необхідно поєднувати з композитним видуванням, щоб уникнути турбулентності.
Вплив режиму продувки газом
Режим продувки газом безпосередньо впливає на характер потоку розплавленої ванни та ефект придушення дефектів, контролюючи напрямок та розподіл потоку газу. Режим продувки газом регулює потік розплавленої ванни, змінюючи градієнт поверхневого натягу та потік Марангоні (потік Марангоні). Бічне продування може спонукати розплавлену ванну текти в певному напрямку, зменшуючи пори та включення шлаку; продування композиту може покращити рівномірність формування зварного шва, збалансувавши розподіл енергії завдяки різноспрямованому потоку газу.
До основних методів видування належать:
• Коаксіальне обдування: Потік газу виходить коаксіально з лазерним променем, симетрично покриваючи розплавлену ванну, що підходить для високошвидкісного зварювання. Його перевагою є висока стабільність процесу, але потік газу може перешкоджати фокусуванню лазера. Наприклад, під час використання коаксіального обдування на автомобільному оцинкованому сталевому листі (1,2 мм) швидкість зварювання може бути збільшена до 40 мм/с, а швидкість розбризкування становить менше 0,1.
• Бічне продування: потік газу вводиться збоку розплавленої ванни, що може бути використано для спрямованого видалення плазми або домішок з дна, що підходить для зварювання глибоким проплавленням. Наприклад, під час продування сталі Q345 товщиною 12 мм під кутом 30° проплавлення шва збільшується на 18%, а коефіцієнт пористості дна зменшується з 4% до 0,8%.
• Комбіноване видування: Поєднання коаксіального та бокового видування дозволяє одночасно пригнічувати окислення та плазмові перешкоди. Наприклад, для алюмінієвого сплаву 6061 товщиною 3 мм з подвійною сопловою коефіцієнт пористості зменшується з 2,5% до 0,4%, а міцність на розрив досягає 95% від базового матеріалу.
Вплив захисного газу на якість зварювання головним чином пов'язаний з його регулюванням передачі енергії, термодинамікою розплавленої ванни та хімічними реакціями:
1. Передача енергії: Висока теплопровідність гелію прискорює охолодження розплавленої ванни, зменшуючи ширину зони термічного впливу (ЗТВ); низька теплопровідність аргону подовжує час існування розплавленої ванни, що сприяє формуванню поверхні тонких пластин.
2. Стабільність розплавленої ванни: Потік газу впливає на потік розплавленої ванни через силу зсуву, і відповідна швидкість потоку може придушити розбризкування; надмірна швидкість потоку спричинить завихрення, що призведе до дефектів зварного шва.
3. Хімічний захист: Інертні гази ізолюють кисень і запобігають окисленню легуючих елементів (таких як Cr, Al); активні гази (такі як N₂) змінюють властивості зварного шва шляхом зміцнення твердого розчину або утворення сполук, але концентрацію необхідно точно контролювати.
Час публікації: 09 квітня 2025 р.
