Влияние параметров защитного газа на процесс лазерной сварки

Влияние параметров защитного газа на процесс лазерной сварки

01 Введение

Технология лазерной сварки благодаря своей высокой плотности энергии, низкому подводу тепла и бесконтактным характеристикам стала одним из основных процессов современного точного производства. Однако окисление, пористость и потеря элементов, вызванные контактом ванны расплава с атмосферой во время сварки, серьезно ограничивают механические свойства и срок службы сварных швов. Защитный газ как основную среду для контроля сварочной среды следует выбирать в зависимости от его типа, скорости потока и метода продувки, а также характеристик материала (таких как химическая активность и теплопроводность) и толщины пластины.

Лазерная и электронно-лучевая обработка

02 Типы защитного газа

Основная роль защитного газа заключается в изоляции кислорода, регулировании поведения ванны расплава и повышении эффективности энергетической связи. По химическим свойствам защитные газы подразделяются на инертные (аргон, гелий) и активные газы (азот, углекислый газ). Инертные газы обладают высокой химической стабильностью и эффективно предотвращают окисление ванны расплава, однако их теплофизические различия существенно влияют на результаты сварки.

Например, аргон (Ar) имеет высокую плотность (1,784 кг/м³), образуя стабильный слой покрытия, но его низкая теплопроводность (0,0177 Вт/м·К) замедляет охлаждение и приводит к меньшему проникновению. Напротив, гелий (He) имеет теплопроводность в 8 раз выше (0,1513 Вт/м·К), ускоряя охлаждение и увеличивая глубину проникновения, но его низкая плотность (0,1785 кг/м³) позволяет легко улетучиться, требуя более высокого потока для поддержания защиты.

Активные газы, такие как азот (N₂), в некоторых случаях могут повысить прочность сварного шва за счет упрочнения на твердом растворе, но чрезмерное их использование может вызвать пористость или выделение хрупкой фазы. Например, проникновение азота в расплавленную ванну во время дуплексной сварки нержавеющей стали может нарушить фазовый баланс феррита/аустенита, снижая коррозионную стойкость.

[Изображение: Рисунок 1. Лазерная сварка нержавеющей стали 304L, (вверху) защита Ar; (внизу) защита N₂]

С точки зрения механизма процесса высокая энергия ионизации гелия (24,6 эВ) подавляет плазменную защиту, увеличивая поглощение и проникновение лазерной энергии. Аргон с более низкой энергией ионизации (15,8 эВ) легко генерирует плазменные облака, требующие дефокусировки или импульсной модуляции для уменьшения помех. Кроме того, активные газы могут химически вступать в химическую реакцию с расплавленной ванной (например, N₂, образуя нитриды с Cr в стали), изменяя состав сварного шва и вызывая необходимость осторожного выбора.

Примеры применения материала:
- Сталь: для тонких листов (<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 мм), добавка гелия улучшает проникновение.
- Нержавеющая сталь: аргоновая защита предотвращает потерю Cr. В нержавеющей стали 304 толщиной 3 мм содержание Cr в шве достигает 18,2 % (около 18,5 % в основном металле). Дуплексная нержавеющая сталь требует смесей Ar-N₂ (N₂ менее или равно 5%) для фазового баланса. Исследования показывают, что в дуплексной нержавеющей стали 2205 толщиной 8 мм Ar-2%N₂ сохраняет соотношение феррит/аустенит 48:52 и прочность на разрыв 780 МПа, что лучше, чем чистый Ar (720 МПа).
- Алюминиевые сплавы: для тонких листов (<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 мм), смеси He-Ar (3:1) уравновешивают проникающую способность и стоимость. Например, при сварке пластины 5083 толщиной 8 мм в газовой смеси достигнута глубина провара 6,2 мм, что на 35 % глубже, чем при сварке чистого аргона, при этом стоимость снижается на 20 %.

Лазерная и электронно-лучевая обработка

03 Влияние расхода защитного газа

Скорость потока защитного газа напрямую влияет на способность покрытия и динамику жидкости в ванне расплава. Недостаточный поток не позволяет полностью изолировать воздух, что приводит к окислению и пористости. Чрезмерный поток может вызвать турбулентность, размывая ванну расплава и вызывая впадины или брызги. Согласно числу Рейнольдса (Re=ρvD/μ), более высокий поток увеличивает скорость, а при Re > 2300 ламинарное течение переходит в турбулентное, дестабилизируя ванну расплава. Таким образом, критический расход должен определяться экспериментально или с помощью CFD-моделирования.

[Изображение: Рисунок 2. Влияние различных скоростей потока защитного газа на сварные швы]

При оптимизации потока необходимо учитывать теплопроводность и толщину пластины:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 мм), для подавления окисления необходима скорость 18–22 л/мин. Например, для нержавеющей стали 316L толщиной 6 мм скорость 20 л/мин улучшила однородность твердости ЗТВ на 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 мм, необходима сложная продувка во избежание завихрений.

Лазерная и электронно-лучевая обработка

04 Влияние методов продувки защитным газом

Метод продувки, контролируя направление и распределение воздушного потока, напрямую влияет на поток расплавленной ванны и подавление дефектов. Он изменяет градиенты поверхностного натяжения и поток Марангони, тем самым регулируя динамику ванны расплава. Боковой-обдув создает направленный поток, уменьшая пористость и включения, а составной обдув уравновешивает распределение энергии и улучшает однородность сварного шва.

[Изображение: Рисунок 3. Влияние различных методов продувки на сварные швы]

Основные методы выдувания:
- Коаксиальная продувка: поток воздуха соосен лазерному лучу и симметрично охватывает ванну расплава, что подходит для высокоскоростной-сварки. Это обеспечивает высокую стабильность процесса, но может мешать лазерной фокусировке. Например, для оцинкованной автомобильной стали толщиной 1,2 мм коаксиальная продувка увеличивала скорость сварки до 40 мм/с, при разбрызгивании<0.1.
- Боковая-обдувка: поток воздуха поступает сбоку, эффективно удаляя плазму и загрязнения, что подходит для сварки с глубоким проплавлением. Для стали Q345 толщиной 12 мм при продувке со стороны 30 градусов-провар увеличился на 18 %, а пористость снизилась с 4 % до 0,8 %.
- Комбинированная продувка. Сочетая коаксиальную и боковую-продувку, она одновременно подавляет окисление и плазменные помехи. Для алюминиевого сплава 6061 толщиной 3 мм с двойной-конструкцией сопла пористость снизилась с 2,5% до 0,4%, при этом предел прочности достиг 95% от основного материала.

05 Заключение

Влияние защитного газа на качество сварки в основном связано с регулированием им передачи энергии, термодинамики ванны расплава и химических реакций:
1. Передача энергии: высокая теплопроводность гелия ускоряет охлаждение, уменьшая ширину ЗТВ; Низкая проводимость аргона продлевает срок службы ванны расплава, что способствует формованию тонких листов.
2. Стабильность ванны расплава. Сдвиг воздушного потока влияет на поток ванны расплава. Правильный поток подавляет разбрызгивание, а чрезмерный поток вызывает завихрения и дефекты.
3. Химическая защита: Инертные газы изолируют кислород, предотвращая окисление легирующих элементов (например, Cr, Al). Активные газы (например, N₂) изменяют свойства сварного шва за счет упрочнения твердого раствора или образования компаунда, но требуют точного контроля.

Лазерная и электронно-лучевая обработка

Источник: собрано редакцией общедоступного аккаунта WeChat «Технологии и приложения обработки пучков высоких энергий».