01
Предисловие
Благодаря высокой плотности энергии, низкому подводу тепла и бесконтактному характеру технология лазерной сварки стала одним из основных процессов современного точного производства. Однако такие проблемы, как окисление, пористость и элементарные выгорания,-выгорание-возникающие в результате контакта между сварочной ванной и атмосферой во время процесса сварки-серьезно ограничивают механические свойства и срок службы сварных швов. Выбор типа защитного газа, его скорости потока и метода подачи, поскольку это критическая среда для контроля сварочной среды, должен быть тщательно увязан с конкретными характеристиками материала (такими как химическая активность и теплопроводность) и толщиной заготовки.
Лазерная и электронно-лучевая обработка
02
Типы защитных газов
Основная функция защитного газа — изолировать кислород, регулировать поведение сварочной ванны и повышать эффективность энергетической связи. По своим химическим свойствам защитные газы можно разделить на инертные газы (например, аргон и гелий) и активные газы (например, азот и углекислый газ). Инертные газы обладают высокой химической стабильностью, эффективно предотвращая окисление сварочной ванны; однако значительные различия в их теплофизических свойствах могут существенно повлиять на результат сварки. Например, аргон (Ar) имеет высокую плотность (1,784 кг/м³), что позволяет ему образовывать устойчивую защитную пленку над сварочной ванной; и наоборот, его низкая теплопроводность (0,0177 Вт/м·К) приводит к более медленному охлаждению сварочной ванны и меньшей глубине проплавления. Напротив, гелий (He) обладает теплопроводностью примерно в восемь раз большей, чем аргон (0,1513 Вт/м·К), тем самым ускоряя охлаждение сварочной ванны и увеличивая глубину провара; однако его низкая плотность (0,1785 кг/м³) делает его склонным к быстрому диспергированию, что требует более высоких скоростей потока для поддержания эффективной защиты. Активные газы,-такие как азот (N₂)-в некоторых случаях могут повысить прочность сварного шва за счет упрочнения твердого-раствора; однако их чрезмерное использование может привести к пористости или выделению хрупких фаз. Например, при сварке дуплексных нержавеющих сталей растворение азота в сварочной ванне может нарушить фазовый баланс феррита-аустенита, что приведет к снижению коррозионной стойкости.
С точки зрения механизмов процесса, высокая энергия ионизации гелия (24,6 эВ) подавляет эффект плазменной защиты и усиливает поглощение лазерной энергии, тем самым увеличивая глубину проникновения. И наоборот, низкая энергия ионизации аргона (15,8 эВ) имеет тенденцию генерировать плазменный шлейф, что требует использования таких методов, как дефокусировка или импульсная модуляция, для уменьшения помех. Кроме того, химические реакции между активными защитными газами и расплавленной ванной-, такие как образование нитридов в результате реакции азота с хромом в стали-, могут изменить состав сварного шва; поэтому выбор защитного газа должен производиться с осторожностью, учитывая специфические свойства материала.
**Примеры применения материалов:**
• **Сталь:** при сварке тонких листов (<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 мм), однако для увеличения глубины проникновения требуется небольшая добавка гелия (He).
• **Нержавеющая сталь:** аргоновая защита предотвращает снижение содержания хрома (Cr); в сварном шве нержавеющей стали 304 толщиной 3 мм содержание Cr достигает 18,2 % (близко к 18,5 % основного металла). С другой стороны, дуплексные нержавеющие стали требуют смеси Ar-N₂ (с N₂ менее или равным 5%) для поддержания сбалансированного соотношения фаз. Исследования показывают, что при сварке дуплексной нержавеющей стали 2205 толщиной 8 мм с использованием смеси Ar-2%N₂ соотношение фаз феррита-к-аустенита стабилизируется на уровне 48:52, обеспечивая предел прочности на разрыв 780 МПа, что превосходит показатель, достигаемый при защите чистым аргоном (720 МПа).
• **Алюминиевые сплавы:** *Тонкие пластины (<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 мм):* Сварка толстых алюминиевых пластин требует больших энергозатрат; смесь гелия-аргона (He:Ar=3:1) обеспечивает баланс между достижением достаточной глубины проникновения и управлением затратами. Например, при сварке пластин 5083 толщиной 8 мм защита этой смесью обеспечивает глубину провара 6,2 мм-что на 35 % лучше, чем при использовании чистого аргона-при одновременном снижении затрат на сварку на 20 %.
