Технологија на ласерско заварување, поради неговата висока густина на енергија, нискиот влез на топлина и бесконтактните карактеристики, стана еден од основните процеси во современото прецизно производство. Сепак, проблеми како што се оксидација, порозност и согорување на елементи предизвикани од контактот на стопениот базен со атмосферата за време на заварувањето сериозно ги ограничуваат механичките својства и работниот век на заварскиот спој. Како основен медиум за контрола на заварувачката средина, изборот на видот, брзината на проток и режимот на дување на заштитниот гас треба да се поврзе со карактеристиките на материјалот (како што се хемиска активност, топлинска спроводливост) и дебелината на плочата.
Видови на заштитени гасови
Основната функција на заштитните гасови лежи во изолирање на кислородот, регулирање на однесувањето на стопениот базен и подобрување на ефикасноста на енергетското спојување. Врз основа на нивните хемиски својства, заштитните гасови можат да се класифицираат во инертни гасови (аргон, хелиум) и активни гасови (азот, јаглерод диоксид). Инертните гасови имаат висока хемиска стабилност и можат ефикасно да ја спречат оксидацијата на стопениот базен, но нивните значајни разлики во термичките физички својства значително влијаат на ефектот на заварување. На пример, аргонот (Ar) има висока густина (1,784 kg/m³) и може да формира стабилен слој, но неговата ниска топлинска спроводливост (0,0177 W/m·K) доведува до бавно ладење на стопениот базен и плитко пенетрација на заварот. Спротивно на тоа, хелиумот (He) има осум пати поголема топлинска спроводливост (0,1513 W/m·K) од аргонот и може да го забрза ладењето на стопениот базен и да ја зголеми пенетрацијата на заварот, но неговата ниска густина (0,1785 kg/m³) го прави склон кон излегување, што бара поголема брзина на проток за одржување на заштитниот ефект. Активните гасови како што е азотот (N₂) можат да ја зголемат цврстината на заварувањето преку зајакнување во цврст раствор во одредени сценарија, но прекумерната употреба може да предизвика порозност или таложење на кршливи фази. На пример, при заварување на дуплекс не'рѓосувачки челик, дифузијата на азот во стопениот базен може да го наруши балансот на фазите на ферит/аустенит, што резултира со намалување на отпорноста на корозија.
Слика 1. Ласерско заварување на не'рѓосувачки челик 304L (горе): Заштита од Ar гас; (долу): Заштита од N2 гас
Од перспектива на механизмот на процесот, високата јонизирачка енергија на хелиумот (24,6 eV) може да го потисне ефектот на заштита од плазма и да ја зголеми апсорпцијата на енергијата на ласерот, со што се зголемува длабочината на пенетрација. Во меѓувреме, ниската јонизирачка енергија на аргонот (15,8 eV) е склона кон генерирање на плазма облаци, што бара дефокусирање или импулсна модулација за да се намалат пречките. Дополнително, хемиската реакција помеѓу активните гасови и стопениот базен (како што е реакцијата на азот со Cr во челикот) може да го промени составот на заварот, па затоа е потребен внимателен избор врз основа на својствата на материјалот.
Примери за примена на материјал:
• Челик: При заварување со тенки плочи (<3 mm), аргонот може да обезбеди завршна обработка на површината, со дебелина на оксидниот слој од само 0,5 μm за заварен шев од челик со ниска содржина на јаглерод од 1,5 mm; за дебели плочи (>10 mm), потребно е да се додаде мала количина на хелиум (He) за да се зголеми длабочината на пенетрација.
• Нерѓосувачки челик: Заштитата од аргон може да спречи губење на Cr елементи, со содржина на Cr од 18,2% во заварен спој од не'рѓосувачки челик 304 со дебелина од 3 mm што се приближува до 18,5% од основниот метал; за дуплекс не'рѓосувачки челик, потребна е мешавина Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) за да се избалансира односот. Студиите покажаа дека кога се користи мешавина Ar-2% N₂ за дуплекс не'рѓосувачки челик 2205 со дебелина од 8 mm, односот ферит/аустенит е стабилен на 48:52, со затезна цврстина од 780 MPa, што е супериорно во однос на заштитата од чист аргон (720 MPa).
• Алуминиумска легура: Тенка плоча (<3 mm): Високата рефлективност на алуминиумските легури доведува до ниска стапка на апсорпција на енергија, а хелиумот, со својата висока енергија на јонизација (24,6 eV), може да ја стабилизира плазмата. Истражувањата покажуваат дека кога алуминиумска легура 6061 со дебелина од 2 mm е заштитена со хелиум, длабочината на пенетрација достигнува 1,8 mm, што е зголемување за 25% во споредба со аргонот, а стапката на порозност е помала од 1%. За дебели плочи (>5 mm): Дебелите плочи од алуминиумска легура бараат висок внес на енергија, а мешавината од хелиум-аргон (He:Ar = 3:1) може да ги балансира и длабочината на пенетрација и цената. На пример, при заварување плочи 5083 со дебелина од 8 mm, длабочината на пенетрација достигнува 6,2 mm под заштита од мешан гас, што е зголемување за 35% во споредба со чистиот аргонски гас, а цената на заварување е намалена за 20%.
Забелешка: Оригиналниот текст содржи некои грешки и недоследности. Обезбедениот превод е базиран на корегираната и кохерентна верзија на текстот.
Влијанието на брзината на проток на аргонски гас
Брзината на проток на аргонски гас директно влијае на капацитетот за покривање со гас и динамиката на флуидите во стопениот базен. Кога брзината на проток е недоволна, слојот на гас не може целосно да го изолира воздухот, а работ на стопениот базен е склонен кон оксидација и формирање на пори на гас; кога брзината на проток е превисока, може да предизвика турбуленција, која може да ја измие површината на стопениот базен и да доведе до вдлабнатина на заварот или прскање. Според Рејнолдсовиот број на механиката на флуидите (Re = ρvD/μ), зголемувањето на брзината на проток ќе ја зголеми брзината на проток на гас. Кога Re > 2300, ламинарниот проток се претвора во турбулентен проток, што ќе ја уништи стабилноста на стопениот базен. Затоа, одредувањето на критичната брзина на проток треба да се анализира преку експерименти или нумерички симулации (како што е CFD).
Слика 2. Ефекти на различни брзини на проток на гас врз заварскиот спој
Оптимизацијата на протокот треба да се прилагоди во комбинација со топлинската спроводливост на материјалот и дебелината на плочата:
• За челик и не'рѓосувачки челик: За тенки челични плочи (1-2 mm), брзината на проток е по можност 10-15 L/min. За дебели плочи (>6 mm), треба да се зголеми на 18-22 L/min за да се потисне оксидацијата на опашката. На пример, кога брзината на проток на не'рѓосувачки челик 316L со дебелина од 6 mm е 20 L/min, униформноста на тврдоста на HAZ се подобрува за 30%.
• За алуминиумска легура: Високата топлинска спроводливост бара висок проток за да се продолжи времето на заштита. За алуминиумска легура 7075 со дебелина од 3 mm, стапката на порозност е најниска (0,3%) кога протокот е 25-30 L/min. Сепак, за ултрадебели плочи (>10 mm), потребно е да се комбинира со композитно дување за да се избегне турбуленција.
Влијанието на режимот на дување на гас
Режимот на дување на гас директно влијае на шемата на проток на стопениот базен и ефектот на сузбивање на дефектите со контролирање на насоката и распределбата на протокот на гас. Режимот на дување на гас го регулира протокот на стопениот базен со промена на градиентот на површинскиот напон и протокот Марангони (тек на Марангони). Страничното дување може да предизвика стопениот базен да тече во одредена насока, намалувајќи ги порите и вклучувањето на згура; дувањето со композити може да ја подобри униформноста на формирањето на заварот со балансирање на распределбата на енергијата преку повеќенасочен проток на гас.
Главните методи на дување вклучуваат:
• Коаксијално дување: Протокот на гас се испушта коаксијално со ласерскиот зрак, симетрично покривајќи го стопениот базен, погодно за брзо заварување. Неговата предност е високата стабилност на процесот, но протокот на гас може да се меша со фокусирањето на ласерот. На пример, кога се користи коаксијално дување на автомобилски поцинкуван челичен лим (1,2 mm), брзината на заварување може да се зголеми на 40 mm/s, а стапката на прскање е помала од 0,1.
• Странично дување: Протокот на гас се внесува од страната на стопениот базен, што може да се користи за насочено отстранување на плазма или нечистотии од дното, погодно за заварување со длабока пенетрација. На пример, при дување на челик Q345 со дебелина од 12 mm под агол од 30°, пенетрацијата на заварот се зголемува за 18%, а стапката на порозност на дното се намалува од 4% на 0,8%.
• Композитно дување: Со комбинирање на коаксијално и странично дување, може истовремено да се потисне оксидацијата и плазмената интерференција. На пример, за алуминиумска легура 6061 со дебелина од 3 mm со дизајн со двојна млазница, стапката на порозност е намалена од 2,5% на 0,4%, а цврстината на истегнување достигнува 95% од основниот материјал.
Влијанието на заштитениот гас врз квалитетот на заварувањето фундаментално произлегува од неговата регулација на преносот на енергија, термодинамиката на стопениот базен и хемиските реакции:
1. Пренос на енергија: Високата топлинска спроводливост на хелиумот го забрзува ладењето на стопениот базен, намалувајќи ја ширината на зоната погодена од топлина (HAZ); ниската топлинска спроводливост на аргонот го продолжува времето на постоење на стопениот базен, што е корисно за површинско формирање на тенки плочи.
2. Стабилност на стопениот базен: Протокот на гас влијае на протокот на стопениот базен преку силата на смолкнување, а соодветната брзина на проток може да го потисне прскањето; прекумерната брзина на проток ќе предизвика вртлог, што ќе доведе до дефекти на заварувањето.
3. Хемиска заштита: Инертните гасови го изолираат кислородот и спречуваат оксидација на легираните елементи (како што се Cr, Al); активните гасови (како што е N₂) ги менуваат својствата на заварувањето преку зајакнување на цврст раствор или формирање на соединенија, но концентрацијата треба прецизно да се контролира.
Време на објавување: 09 април 2025 година
