Kaitsegaasi parameetrite mõju laserkeevitusprotsessile

Kaitsegaasi parameetrite mõju laserkeevitusprotsessile

01 Sissejuhatus

Laserkeevitustehnoloogiast on tänu oma suurele energiatihedusele, madalale soojussisendile ja mittekontaktilistele omadustele- saanud üks kaasaegse täppistootmise põhiprotsesse. Kuid oksüdatsioon, poorsus ja elementide kadu, mis on põhjustatud sulabasseini ja atmosfääri kokkupuutest keevitamise ajal, piiravad tõsiselt keevisõmbluste mehaanilisi omadusi ja kasutusiga. Kaitsegaas kui keevituskeskkonna reguleerimise põhimeedium tuleb valida selle tüübi, voolukiiruse ja puhumismeetodi põhjal koos materjali omadustega (nt keemiline reaktsioonivõime ja soojusjuhtivus) ja plaadi paksusega.

Laser- ja elektronkiirte töötlemine

02 Kaitsegaasi tüübid

Kaitsegaasi peamine ülesanne on isoleerida hapnik, reguleerida sulabasseini käitumist ja parandada energia sidumise tõhusust. Keemiliste omaduste alusel liigitatakse kaitsegaasid inertgaasideks (argoon, heelium) ja aktiivgaasideks (lämmastik, süsinikdioksiid). Inertgaasidel on kõrge keemiline stabiilsus ja need takistavad tõhusalt sulabasseini oksüdeerumist, kuid nende termofüüsikalised erinevused mõjutavad oluliselt keevitustulemusi.

Näiteks argoonil (Ar) on kõrge tihedus (1,784 kg/m³), mis moodustab stabiilse kattekihi, kuid selle madal soojusjuhtivus (0,0177 W/m·K) aeglustab jahtumist ja põhjustab madalamat läbitungimist. Seevastu heeliumi (He) soojusjuhtivus on 8 korda kõrgem (0,1513 W/m·K), mis kiirendab jahtumist ja suurendab läbitungimissügavust, kuid selle madal tihedus (0,1785 kg/m³) muudab selle kergesti põgenemiseks, nõudes kaitse säilitamiseks suuremat vooluhulka.

Aktiivsed gaasid, nagu lämmastik (N₂), võivad mõnel juhul parandada keevisõmbluse tugevust tahke -lahuse tugevdamise kaudu, kuid liigne kasutamine võib põhjustada poorsust või rabedat faasisadet. Näiteks võib lämmastiku imbumine sulabasseini roostevabast terasest duplekskeevitamise ajal häirida ferriidi/austeniidi faasi tasakaalu, vähendades korrosioonikindlust.

[Pilt: Joonis 1. Laserkeevitus 304L roostevaba teras, (ülemine) Ar kaitse; (alumine) N₂ kaitse]

Protsessi mehhanismi vaatenurgast pärsib heeliumi kõrge ionisatsioonienergia (24,6 eV) plasma varjestust, suurendades laserenergia neeldumist ja läbitungimist. Madalama ionisatsioonienergiaga (15,8 eV) argoon tekitab kergesti plasmapilvi, mis nõuab häirete vähendamiseks defokuseerimist või impulssmodulatsiooni. Lisaks võivad aktiivsed gaasid reageerida keemiliselt sulakogumiga (nt N2 moodustab terases koos Cr-ga nitriide), muutes keevisõmbluse koostist ja nõudes ettevaatlikku valikut.

Materjali kasutamise näited:
- Teras: õhukeste lehtede jaoks (<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), heeliumi lisamine parandab läbitungimist.
- Roostevaba teras: argoonikaitse hoiab ära Cr kadu. 3 mm paksuse 304 roostevaba terase Cr sisaldus keevisõmbluses ulatub 18,2%-ni (väärismetallis ligi 18,5%). Dupleksroostevaba teras vajab faasitasakaalu jaoks Ar-N₂ segusid (N₂ vähem kui 5%). Uuringud näitavad, et 8 mm paksuse 2205 dupleksse roostevaba terase puhul säilitab Ar-2%N2 ferriidi/austeniidi suhte 48:52 ja tõmbetugevust 780 MPa, mis on parem kui puhas Ar (720 MPa).
- Alumiiniumsulamid: õhukeste lehtede jaoks (<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 segud (3:1) tasakaalustavad läbitungimist ja maksumust. Näiteks 8 mm paksuse 5083 plaadi keevitamisel segagaasiga saavutati 6,2 mm läbitung, mis on 35% sügavam kui puhas arg, vähendades samal ajal kulusid 20%.

Laser- ja elektronkiirte töötlemine

03 Kaitsegaasi voolukiiruse mõju

Kaitsegaasi voolukiirus mõjutab otseselt katvusvõimet ja sulabasseini vedeliku dünaamikat. Ebapiisav vool ei suuda õhku täielikult isoleerida, mis põhjustab oksüdeerumist ja poorsust. Liigne vool võib põhjustada turbulentsi, hõõrudes sulabasseini ja põhjustades lohke või pritsmeid. Vastavalt Reynoldsi arvule (Re=ρvD/μ) suurendab suurem vool kiirust ja kui Re > 2300, läheb laminaarne vool turbulentsiks, destabiliseerides sulakogumi. Seega tuleb kriitiline voolukiirus määrata eksperimentaalselt või CFD simulatsiooniga.

[Pilt: Joonis 2. Erinevate kaitsegaasi voolukiiruste mõju keevisõmblustele]

Voolu optimeerimisel tuleb arvestada soojusjuhtivust ja plaadi paksust:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), oksüdatsiooni mahasurumiseks on vaja 18–22 l/min. Näiteks 6 mm paksuse 316L roostevaba terasega parandas 20 l/min HAZ kõvaduse ühtlust 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, on turbulentsi vältimiseks vajalik liitpuhumine.

Laser- ja elektronkiirte töötlemine

04 Kaitsegaasi puhumismeetodite mõju

Puhumismeetod, reguleerides õhuvoolu suunda ja jaotust, mõjutab otseselt sulabasseini voolu ja defektide summutamist. See muudab pindpinevuse gradiente ja Marangoni voolu, reguleerides seeläbi sulabasseini dünaamikat. Külg-puhumine kutsub esile suunavoolu, vähendades poorsust ja lisandeid, samas kui liitpuhumine tasakaalustab energiajaotust ja parandab keevisõmbluse ühtlust.

[Pilt: Joonis 3. Erinevate puhumismeetodite mõju keevisõmblustele]

Peamised puhumismeetodid:
- Koaksiaalne puhumine: õhuvool on laserkiirega koaksiaalne, kattes sümmeetriliselt sulabasseini ja sobib kiireks-keevitamiseks. See tagab protsessi kõrge stabiilsuse, kuid võib häirida laserfookustamist. Näiteks 1,2 mm tsingitud autoterase puhul suurendas koaksiaalpuhumine keevituskiirust 40 mm/s koos pritsmetega<0.1.
- Külgpuhumine-: õhuvool siseneb küljelt, puhastades tõhusalt plasma ja mustuse, sobib sügavale läbitungimiskeevitamiseks. 12 mm paksuse Q345 terase puhul 30-kraadise külgpuhumisega{6}} suurenes läbitungimine 18% ja poorsus vähenes 4%-lt 0,8%-le.
- Kombineeritud puhumine: kombineerides koaksiaalset ja külgpuhumist-, vähendab see samaaegselt oksüdatsiooni ja plasma häireid. Kahe{5}}düüsiga 3 mm paksuse alumiiniumisulami 6061 puhul vähenes poorsus 2,5%-lt 0,4%-le ja tõmbetugevus ulatus 95%-ni alusmaterjalist.

05 Järeldus

Kaitsegaasi mõju keevituskvaliteedile tuleneb peamiselt selle energiaülekande, sulabasseini termodünaamika ja keemiliste reaktsioonide reguleerimisest:
1. Energia ülekanne: Heeliumi kõrge soojusjuhtivus kiirendab jahutamist, vähendades HAZ laiust; argooni madal juhtivus pikendab sulabasseini eluiga, soodustades õhukese lehe moodustumist.
2. Sulabasseini stabiilsus: Õhuvoolu nihkejõud mõjutab sulabasseini voolu. Õige voolamine pärsib pritsmeid, samas kui liigne vool põhjustab keeriseid ja defekte.
3. Keemiline kaitse: inertgaasid isoleerivad hapniku, vältides sulami elementide (nt Cr, Al) oksüdeerumist. Aktiivsed gaasid (nt N₂) muudavad keevisõmbluse omadusi tahke -lahuse tugevdamise või ühendi moodustumise kaudu, kuid vajavad täpset kontrolli.

Laser- ja elektronkiirte töötlemine

Allikas: kogunud WeChati avaliku konto "Kõrg-energiakiirte töötlemise tehnoloogia ja rakendused" toimetus.