Lasersveiseteknologi, på grunn av sin høye energitetthet, lave varmetilførsel og berøringsfrie egenskaper, har blitt en av kjerneprosessene i moderne presisjonsproduksjon. Imidlertid begrenser problemer som oksidasjon, porøsitet og elementavbrenning forårsaket av smeltebadets kontakt med atmosfæren under sveising i alvorlig grad de mekaniske egenskapene og levetiden til sveisesømmen. Som kjernemedium for å kontrollere sveisemiljøet, må valg av type, strømningshastighet og blåsemodus for beskyttelsesgassen kobles til materialegenskapene (som kjemisk aktivitet, varmeledningsevne) og tykkelsen på platen.
Typer beskyttelsesgasser
Kjernefunksjonen til beskyttelsesgasser ligger i å isolere oksygen, regulere smeltebadets oppførsel og forbedre effektiviteten til energikoblingen. Basert på deres kjemiske egenskaper kan beskyttelsesgasser klassifiseres i inerte gasser (argon, helium) og aktive gasser (nitrogen, karbondioksid). Inerte gasser har høy kjemisk stabilitet og kan effektivt forhindre oksidasjon av smeltebadet, men deres betydelige forskjeller i termiske fysiske egenskaper påvirker sveiseeffekten betydelig. For eksempel har argon (Ar) en høy tetthet (1,784 kg/m³) og kan danne et stabilt belegg, men den lave varmeledningsevnen (0,0177 W/m·K) fører til langsom avkjøling av smeltebadet og en grunn sveiseinntrengning. I motsetning til dette har helium (He) en åtte ganger høyere varmeledningsevne (0,1513 W/m·K) enn argon og kan akselerere avkjølingen av smeltebadet og øke sveiseinntrengningen, men den lave tettheten (0,1785 kg/m³) gjør den utsatt for utslipp, noe som krever en høyere strømningshastighet for å opprettholde den beskyttende effekten. Aktive gasser som nitrogen (N₂) kan forbedre sveisestyrken gjennom forsterkning i fast løsning i visse tilfeller, men overdreven bruk kan forårsake porøsitet eller utfelling av sprø faser. For eksempel, ved sveising av dupleks rustfritt stål, kan nitrogendiffusjon i smeltebadet forstyrre ferritt/austenitt-fasebalansen, noe som resulterer i en reduksjon i korrosjonsmotstanden.
Figur 1. Lasersveising av 304L rustfritt stål (øverst): Ar-gassskjerming; (nederst): N2-gassskjerming
Fra et prosessmekanismeperspektiv kan den høye ioniseringsenergien til helium (24,6 eV) undertrykke plasmaskjermingseffekten og forbedre laserenergiabsorpsjonen, og dermed øke penetrasjonsdybden. Samtidig er den lave ioniseringsenergien til argon (15,8 eV) tilbøyelig til å generere plasmaskyer, noe som krever defokusering eller pulsmodulering for å redusere interferens. I tillegg kan den kjemiske reaksjonen mellom aktive gasser og smeltebadet (som nitrogen som reagerer med Cr i stål) endre sveisesammensetningen, og nøye valg basert på materialegenskaper er nødvendig.
Eksempler på materialbruk:
• Stål: Ved sveising av tynne plater (<3 mm) kan argon sikre overflatefinish, med en oksidlagtykkelse på bare 0,5 μm for en 1,5 mm sveisesøm av lavkarbonstål; for tykke plater (>10 mm) må en liten mengde helium (He) tilsettes for å øke inntrengningsdybden.
• Rustfritt stål: Argonbeskyttelse kan forhindre tap av Cr-elementet, med et Cr-innhold på 18,2 % i en 3 mm tykk sveisesøm av 304 rustfritt stål som nærmer seg 18,5 % av basismetallet. For dupleks rustfritt stål er en Ar-N₂-blanding (N₂ ≤ 5 %) nødvendig for å balansere forholdet. Studier har vist at når man bruker en Ar-2 % N₂-blanding for 8 mm tykt 2205 dupleks rustfritt stål, er ferritt/austenitt-forholdet stabilt på 48:52, med en strekkfasthet på 780 MPa, som er bedre enn ren argonbeskyttelse (720 MPa).
• Aluminiumslegering: Tynn plate (<3 mm): Den høye reflektiviteten til aluminiumslegeringer fører til lav energiabsorpsjonshastighet, og helium, med sin høye ioniseringsenergi (24,6 eV), kan stabilisere plasmaet. Forskning viser at når 2 mm tykk 6061 aluminiumslegering er beskyttet av helium, når penetrasjonsdybden 1,8 mm, noe som øker med 25 % sammenlignet med argon, og porøsitetsraten er lavere enn 1 %. For tykke plater (>5 mm): Tykke plater av aluminiumslegering krever høy energitilførsel, og en helium-argon-blanding (He:Ar = 3:1) kan balansere både penetrasjonsdybde og kostnad. For eksempel, når man sveiser 8 mm tykke 5083-plater, når penetrasjonsdybden 6,2 mm under beskyttelse med blandet gass, noe som øker med 35 % sammenlignet med ren argongass, og sveisekostnadene reduseres med 20 %.
Merk: Originalteksten inneholder noen feil og uoverensstemmelser. Oversettelsen som er gitt er basert på den korrigerte og sammenhengende versjonen av teksten.
Påvirkningen av argongassstrømningshastighet
Argongassstrømmen påvirker direkte gassdekningsevnen og væskedynamikken til smeltebadet. Når strømningshastigheten er utilstrekkelig, kan ikke gasslaget isolere luften fullstendig, og kanten av smeltebadet er utsatt for oksidasjon og dannelse av gassporer. Når strømningshastigheten er for høy, kan det forårsake turbulens, som kan vaske smeltebadets overflate og føre til sveisetrykk eller sprut. I følge Reynolds-tallet i væskemekanikk (Re = ρvD/μ) vil en økning i strømningshastigheten øke gassstrømningshastigheten. Når Re > 2300, blir den laminære strømningen til turbulent strømning, noe som vil ødelegge stabiliteten til smeltebadet. Derfor må bestemmelsen av den kritiske strømningshastigheten analyseres gjennom eksperimenter eller numeriske simuleringer (som CFD).
Figur 2. Effekter av forskjellige gassstrømningshastigheter på sveisesømmen
Strømningsoptimalisering bør justeres i kombinasjon med materialets varmeledningsevne og platetykkelse:
• For stål og rustfritt stål: For tynne stålplater (1–2 mm) er strømningshastigheten fortrinnsvis 10–15 l/min. For tykke plater (>6 mm) bør den økes til 18–22 l/min for å undertrykke endeoksidasjon. For eksempel, når strømningshastigheten for 6 mm tykt 316L rustfritt stål er 20 l/min, forbedres ensartetheten til HAZ-hardheten med 30 %.
• For aluminiumslegering: Høy varmeledningsevne krever høy strømningshastighet for å forlenge beskyttelsestiden. For 3 mm tykk 7075 aluminiumslegering er porøsitetsraten lavest (0,3 %) når strømningshastigheten er 25–30 L/min. For ultratykke plater (>10 mm) er det imidlertid nødvendig å kombinere med komposittblåsing for å unngå turbulens.
Innflytelsen av blåsegassmodusen
Blåsegassmodusen påvirker direkte strømningsmønsteret til smeltebadet og defektundertrykkelseseffekten ved å kontrollere retningen og fordelingen av gasstrømmen. Blåsegassmodusen regulerer strømningen av smeltebadet ved å endre overflatespenningsgradienten og Marangoni-strømmen (Marangoni-strømning). Sideveis blåsing kan få smeltebadet til å strømme i en bestemt retning, noe som reduserer porer og slagginklusjon; komposittblåsing kan forbedre ensartetheten i sveisedannelsen ved å balansere energifordelingen gjennom flerveis gasstrøm.
De viktigste metodene for blåsing inkluderer:
• Koaksialblåsing: Gassstrømmen sendes ut koaksialt med laserstrålen, og dekker symmetrisk smeltebadet, egnet for høyhastighetssveising. Fordelen er høy prosesstabilitet, men gassstrømmen kan forstyrre laserfokuseringen. For eksempel, når man bruker koaksialblåsing på galvanisert stålplate til biler (1,2 mm), kan sveisehastigheten økes til 40 mm/s, og spruthastigheten er mindre enn 0,1.
• Sideveis blåsing: Gasstrømmen føres inn fra siden av smeltebadet, som kan brukes til å fjerne plasma eller urenheter i bunnen retningsbestemt, egnet for dyp penetrasjonssveising. For eksempel, når man blåser på 12 mm tykt Q345-stål i en vinkel på 30°, øker sveiseinntrengningen med 18 %, og bunnporøsiteten reduseres fra 4 % til 0,8 %.
• Komposittblåsing: Ved å kombinere koaksial og sideveis blåsing kan den samtidig undertrykke oksidasjon og plasmainterferens. For eksempel, for 3 mm tykk 6061 aluminiumslegering med dobbel dysedesign, reduseres porøsitetsraten fra 2,5 % til 0,4 %, og strekkfastheten når 95 % av basismaterialet.
Beskyttelsesgassens innflytelse på sveisekvaliteten stammer i bunn og grunn fra reguleringen av energioverføring, termodynamikken i smeltebadet og kjemiske reaksjoner:
1. Energioverføring: Den høye varmeledningsevnen til helium akselererer avkjølingen av smeltebadet, noe som reduserer bredden på den varmepåvirkede sonen (HAZ); den lave varmeledningsevnen til argon forlenger smeltebadets eksistenstid, noe som er gunstig for overflatedannelsen av tynne plater.
2. Stabilitet i smeltebadet: Gasstrømmen påvirker strømmen i smeltebadet gjennom skjærkraft, og en passende strømningshastighet kan undertrykke sprut; for høy strømningshastighet vil forårsake virveldannelse, som fører til sveisefeil.
3. Kjemisk beskyttelse: Inerte gasser isolerer oksygen og forhindrer oksidasjon av legeringselementer (som Cr, Al); aktive gasser (som N₂) endrer sveiseegenskapene gjennom forsterkning i fast løsning eller dannelse av forbindelser, men konsentrasjonen må kontrolleres nøyaktig.
Publisert: 09.04.2025
