Lasersvejsningsteknologier på grund af sin høje energitæthed, lave varmetilførsel og berøringsfri egenskaber blevet en af kerneprocesserne i moderne præcisionsfremstilling. Problemer som oxidation, porøsitet og afbrænding af elementer forårsaget af smeltebadets kontakt med atmosfæren under svejsning begrænser dog alvorligt svejsesømmens mekaniske egenskaber og levetid. Som kernemedium til styring af svejsemiljøet skal valget af type, strømningshastighed og blæsemetode for beskyttelsesgas kobles til materialeegenskaberne (såsom kemisk aktivitet, varmeledningsevne) og pladens tykkelse.
Typer af beskyttelsesgasser
Beskyttelsesgassers kernefunktion ligger i at isolere ilt, regulere smeltebadets opførsel og forbedre effektiviteten af energikobling. Baseret på deres kemiske egenskaber kan beskyttelsesgasser klassificeres i inerte gasser (argon, helium) og aktive gasser (nitrogen, kuldioxid). Inerte gasser har høj kemisk stabilitet og kan effektivt forhindre oxidation af smeltebadet, men deres betydelige forskelle i termiske fysiske egenskaber påvirker svejseeffekten betydeligt. For eksempel har argon (Ar) en høj densitet (1,784 kg/m³) og kan danne en stabil belægning, men dens lave varmeledningsevne (0,0177 W/m·K) fører til langsom afkøling af smeltebadet og en lav svejseindtrængning. I modsætning hertil har helium (He) en otte gange højere varmeledningsevne (0,1513 W/m·K) end argon og kan accelerere afkølingen af smeltebadet og øge svejseindtrængningen, men dens lave densitet (0,1785 kg/m³) gør den tilbøjelig til at slippe ud, hvilket kræver en højere strømningshastighed for at opretholde den beskyttende effekt. Aktive gasser som nitrogen (N₂) kan forbedre svejsestyrken gennem forstærkning i fast opløsning i visse tilfælde, men overdreven brug kan forårsage porøsitet eller udfældning af sprøde faser. For eksempel kan diffusion af nitrogen i smeltebadet forstyrre ferrit/austenit-fasebalancen ved svejsning af duplex rustfrit stål, hvilket resulterer i et fald i korrosionsbestandigheden.
Figur 1. Lasersvejsning af 304L rustfrit stål (øverst): Ar-gasafskærmning; (nederst): N2-gasafskærmning
Fra et procesmekanismeperspektiv kan heliums høje ioniseringsenergi (24,6 eV) undertrykke plasmaafskærmningseffekten og forbedre laserenergiabsorptionen og derved øge indtrængningsdybden. Samtidig er argons lave ioniseringsenergi (15,8 eV) tilbøjelig til at generere plasmaskyer, hvilket kræver defokusering eller pulsmodulation for at reducere interferens. Derudover kan den kemiske reaktion mellem aktive gasser og smeltebadet (såsom nitrogen, der reagerer med Cr i stål) ændre svejsesammensætningen, og et omhyggeligt valg baseret på materialeegenskaber er nødvendigt.
Eksempler på materialeanvendelser:
• Stål: Ved svejsning af tyndplader (<3 mm) kan argon sikre overfladefinish med en oxidlagtykkelse på kun 0,5 μm for en svejsesøm af lavkulstofstål på 1,5 mm; for tykke plader (>10 mm) skal der tilsættes en lille mængde helium (He) for at øge indtrængningsdybden.
• Rustfrit stål: Argonbeskyttelse kan forhindre tab af Cr-elementet, med et Cr-indhold på 18,2% i en 3 mm tyk svejsesøm af 304 rustfrit stål, der nærmer sig 18,5% af basismetallet; for duplex rustfrit stål er en Ar-N₂-blanding (N₂ ≤ 5%) nødvendig for at afbalancere forholdet. Undersøgelser har vist, at når man bruger en Ar-2% N₂-blanding til 8 mm tykt 2205 duplex rustfrit stål, er ferrit/austenit-forholdet stabilt på 48:52, med en trækstyrke på 780 MPa, hvilket er bedre end ren argonbeskyttelse (720 MPa).
• Aluminiumlegering: Tynd plade (<3 mm): Aluminiumlegeringers høje reflektionsevne fører til en lav energiabsorptionshastighed, og helium kan med sin høje ioniseringsenergi (24,6 eV) stabilisere plasmaet. Forskning viser, at når en 2 mm tyk 6061 aluminiumlegering beskyttes af helium, når indtrængningsdybden 1,8 mm, hvilket stiger med 25 % sammenlignet med argon, og porøsitetsraten er lavere end 1 %. For tykke plader (>5 mm): Tykke plader af aluminiumlegering kræver høj energitilførsel, og en helium-argon-blanding (He:Ar = 3:1) kan afbalancere både indtrængningsdybde og omkostninger. For eksempel, når man svejser 8 mm tykke 5083-plader, når indtrængningsdybden 6,2 mm under beskyttelse af blandet gas, hvilket stiger med 35 % sammenlignet med ren argongas, og svejseomkostningerne reduceres med 20 %.
Bemærk: Originalteksten indeholder nogle fejl og uoverensstemmelser. Den leverede oversættelse er baseret på den korrigerede og sammenhængende version af teksten.
Indflydelsen af argongasstrømningshastighed
Argongasstrømningshastigheden påvirker direkte gasdækningsevnen og væskedynamikken i smeltebadet. Når strømningshastigheden er utilstrækkelig, kan gaslaget ikke fuldstændigt isolere luften, og smeltebadets kant er tilbøjelig til oxidation og dannelse af gasporer. Når strømningshastigheden er for høj, kan det forårsage turbulens, som kan skylle smeltebadets overflade og føre til svejsefordybninger eller sprøjt. Ifølge Reynolds-tallet inden for væskemekanik (Re = ρvD/μ) vil en stigning i strømningshastigheden øge gasstrømningshastigheden. Når Re > 2300, bliver den laminære strømning til turbulent strømning, hvilket vil ødelægge smeltebadets stabilitet. Derfor skal bestemmelsen af den kritiske strømningshastighed analyseres gennem eksperimenter eller numeriske simuleringer (såsom CFD).
Figur 2. Virkninger af forskellige gasstrømningshastigheder på svejsesømmen
Flowoptimering bør justeres i kombination med materialets varmeledningsevne og pladetykkelse:
• For stål og rustfrit stål: For tynde stålplader (1-2 mm) er flowhastigheden fortrinsvis 10-15 L/min. For tykke plader (>6 mm) bør den øges til 18-22 L/min for at undertrykke haleoxidation. For eksempel, når flowhastigheden for 6 mm tykt 316L rustfrit stål er 20 L/min, forbedres ensartetheden af HAZ-hårdheden med 30%.
• For aluminiumlegering: Høj varmeledningsevne kræver en høj strømningshastighed for at forlænge beskyttelsestiden. For 3 mm tyk 7075 aluminiumlegering er porøsitetshastigheden den laveste (0,3%), når strømningshastigheden er 25-30 L/min. For ultratykke plader (>10 mm) er det dog nødvendigt at kombinere med kompositblæsning for at undgå turbulens.
Indflydelsen af blæsegastilstanden
Gasblæsningstilstanden påvirker direkte smeltebadets strømningsmønster og defektundertrykkelseseffekten ved at kontrollere retningen og fordelingen af gasstrømmen. Gasblæsningstilstanden regulerer smeltebadets strømning ved at ændre overfladespændingsgradienten og Marangoni-strømmen (Marangoni-strømning). Sideværts blæsning kan få smeltebadet til at strømme i en bestemt retning, hvilket reducerer porer og slaggeindtrængning; kompositblæsning kan forbedre ensartetheden af svejsedannelsen ved at afbalancere energifordelingen gennem multidirektionel gasstrømning.
De vigtigste blæsemetoder omfatter:
• Koaksial blæsning: Gasstrømmen udsendes koaksialt med laserstrålen og dækker symmetrisk smeltebadet, hvilket er egnet til højhastighedssvejsning. Dens fordel er høj processtabilitet, men gasstrømmen kan forstyrre laserfokuseringen. For eksempel, når man bruger koaksial blæsning på galvaniseret stålplade til biler (1,2 mm), kan svejsehastigheden øges til 40 mm/s, og sprøjtehastigheden er mindre end 0,1.
• Sideværts blæsning: Gasstrømmen indføres fra siden af smeltebadet, som kan bruges til retningsbestemt at fjerne plasma eller urenheder i bunden, hvilket er egnet til dyb penetrationssvejsning. For eksempel, når man blæser på 12 mm tykt Q345-stål i en vinkel på 30°, øges svejseindtrængningen med 18 %, og bundporøsiteten falder fra 4 % til 0,8 %.
• Kompositblæsning: Ved at kombinere koaksial og sideværts blæsning kan den samtidig undertrykke oxidation og plasmainterferens. For eksempel reduceres porøsitetsraten fra 2,5 % til 0,4 % for en 3 mm tyk 6061 aluminiumlegering med et dobbelt dysedesign, og trækstyrken når 95 % af basismaterialets.
Beskyttelsesgassens indflydelse på svejsekvaliteten stammer grundlæggende fra dens regulering af energioverførsel, smeltebadets termodynamik og kemiske reaktioner:
1. Energioverførsel: Heliums høje varmeledningsevne accelererer afkølingen af smeltebadet, hvilket reducerer bredden af den varmepåvirkede zone (HAZ); argons lave varmeledningsevne forlænger smeltebadets eksistenstid, hvilket er gavnligt for overfladedannelsen af tynde plader.
2. Stabilitet i smeltebadet: Gasstrømmen påvirker strømmen af smeltebadet gennem forskydningskraft, og en passende strømningshastighed kan undertrykke sprøjt; for høj strømningshastighed vil forårsage hvirveldannelse, hvilket fører til svejsefejl.
3. Kemisk beskyttelse: Inerte gasser isolerer ilt og forhindrer oxidation af legeringselementer (såsom Cr, Al); aktive gasser (såsom N₂) ændrer svejseegenskaberne gennem forstærkning i fast opløsning eller dannelse af forbindelser, men koncentrationen skal kontrolleres præcist.
Udsendelsestidspunkt: 9. april 2025
