01
Eessõna
Tänu suurele energiatihedusele, madalale soojussisendile ja kontaktivabale olemusele on laserkeevitustehnoloogia kujunenud tänapäevase täppistootmise üheks põhiprotsessiks. Kuid sellised probleemid nagu oksüdatsioon, poorsus ja elementide põlemine-ära-, mis tulenevad keevisvanni ja atmosfääri kokkupuutest keevitusprotsessi ajal,- piiravad tõsiselt keevisõmbluste mehaanilisi omadusi ja kasutusiga. Keevituskeskkonna juhtimise kriitilise vahendina tuleb kaitsegaasi tüübi, voolukiiruse ja tarnemeetodi valik hoolikalt siduda materjali spetsiifiliste omadustega (nt keemiline reaktsioonivõime ja soojusjuhtivus) ja tooriku paksusega.
Laser- ja elektronkiirte töötlemine
02
Kaitsegaaside tüübid
Kaitsegaasi peamine ülesanne on isoleerida hapnikku, reguleerida keevisvanni käitumist ja suurendada energia sidumise tõhusust. Keemiliste omaduste alusel võib kaitsegaasid laias laastus liigitada inertgaasideks (nagu argoon ja heelium) ja aktiivgaasideks (nt lämmastik ja süsinikdioksiid). Inertgaasidel on kõrge keemiline stabiilsus, mis takistab tõhusalt keevisvanni oksüdeerumist; aga olulised erinevused nende termofüüsikalistes omadustes võivad oluliselt mõjutada keevitustulemust. Näiteks argoonil (Ar) on kõrge tihedus (1,784 kg/m³), mis võimaldab moodustada keevisvanni kohale stabiilse kaitsekatte; vastupidi, selle madal soojusjuhtivus (0,0177 W/m·K) põhjustab keevisvanni aeglasemat jahtumist ja väiksemat läbitungimissügavust. Seevastu heeliumi (He) soojusjuhtivus on ligikaudu kaheksa korda suurem kui argoonil (0,1513 W/m·K), mis kiirendab keevisvanni jahtumist ja suurendab läbitungimissügavust; kuid selle madal tihedus (0,1785 kg/m³) muudab selle kiireks hajumiseks, mistõttu on tõhusa varjestuse säilitamiseks vaja suuremaid voolukiirusi. Aktiivsed gaasid -nagu lämmastik (N₂)-võivad teatud rakendustes suurendada keevisõmbluse tugevust tahke -lahuse tugevdamise kaudu; nende liigne kasutamine võib aga põhjustada poorsust või rabedate faaside sadestumist. Näiteks dupleksroostevaba terase keevitamisel võib lämmastiku lahustumine keevisvanni häirida ferriit-austeniidi faaside tasakaalu, mille tulemuseks on korrosioonikindluse vähenemine.
Protsessimehhanismide vaatenurgast pärsib heeliumi kõrge ionisatsioonienergia (24,6 eV) plasma varjestusefekti ja suurendab laserenergia neeldumist, suurendades seeläbi läbitungimissügavust. Seevastu argooni madal ionisatsioonienergia (15,8 eV) kipub tekitama plasmavoogu, mistõttu on häirete leevendamiseks vaja kasutada selliseid tehnikaid nagu defokuseerimine või impulsi modulatsioon. Lisaks võivad keevisõmbluse koostist muuta aktiivsete kaitsegaaside ja sulakogumi vahelised keemilised reaktsioonid-, näiteks nitriidide moodustumine lämmastiku ja kroomi reaktsioonil terases; seetõttu tuleb kaitsegaasi valikul olla ettevaatlik, arvestades materjali spetsiifilisi omadusi.
**Materjali kasutamise näited:**
• **Teras:** õhukeste plaatide keevitamisel (<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, kuid läbitungimissügavuse suurendamiseks on vaja lisada väikest heeliumi (He).
• **Roostevaba teras:** Argooni varjestus takistab kroomi (Cr) sisalduse vähenemist; 3 mm paksuse roostevaba terase 304 keevisõmbluses ulatub Cr sisaldus 18,2%ni (läheneb peaaegu mitteväärismetalli 18,5%). Dupleksroostevaba teras seevastu vajavad tasakaalustatud faasisuhte säilitamiseks Ar-N₂ segu (N₂-ga vähem kui 5%). Uuringud näitavad, et 8 mm paksuse 2205 dupleksse roostevaba terase keevitamisel Ar-2%N₂ seguga stabiliseerub ferriidi- ja-austeniidi faasisuhe 48:52 juures, andes tõmbetugevuseks 780 MPa (saavutatud argonist kõrgem MP20).
• **Alumiiniumisulamid:** *Õhukesed plaadid (<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):* Paksude alumiiniumplaatide keevitamine nõuab suurt energiasisendit; heelium-argooni segu (He:Ar=3:1) pakub tasakaalu piisava läbitungimissügavuse saavutamise ja kulude haldamise vahel. Näiteks 8 mm paksuste 5083 plaatide keevitamisel annab selle seguga varjestamise tulemuseks läbitungimissügavus 6,2 mm-, mis on puhta argooniga võrreldes 35% parem-, vähendades samal ajal keevituskulusid 20%.
