Lasersweistegnologie, as gevolg van sy hoë energiedigtheid, lae hitte-invoer en kontaklose eienskappe, het een van die kernprosesse in moderne presisievervaardiging geword. Probleme soos oksidasie, porositeit en elementafbrand wat veroorsaak word deur die kontak van die gesmelte poel met die atmosfeer tydens sweiswerk, beperk egter die meganiese eienskappe en lewensduur van die lasnaad ernstig. As die kernmedium vir die beheer van die sweisomgewing, moet die keuse van die tipe, vloeitempo en blaasmodus van beskermende gas gekoppel word aan die materiaaleienskappe (soos chemiese aktiwiteit, termiese geleidingsvermoë) en die dikte van die plaat.
Tipes beskermingsgasse
Die kernfunksie van beskermingsgasse lê in die isolering van suurstof, die regulering van die gedrag van die gesmelte poel en die verbetering van die doeltreffendheid van energiekoppeling. Gebaseer op hul chemiese eienskappe, kan beskermingsgasse geklassifiseer word in inerte gasse (argon, helium) en aktiewe gasse (stikstof, koolstofdioksied). Inerte gasse het hoë chemiese stabiliteit en kan die oksidasie van die gesmelte poel effektief voorkom, maar hul beduidende verskille in termiese fisiese eienskappe beïnvloed die sweiseffek aansienlik. Argon (Ar) het byvoorbeeld 'n hoë digtheid (1.784 kg/m³) en kan 'n stabiele laag vorm, maar die lae termiese geleidingsvermoë (0.0177 W/m·K) lei tot stadige afkoeling van die gesmelte poel en 'n vlak sweispenetrasie. In teenstelling hiermee het helium (He) 'n agtvoudig hoër termiese geleidingsvermoë (0.1513 W/m·K) as argon en kan die afkoeling van die gesmelte poel versnel en die sweispenetrasie verhoog, maar die lae digtheid (0.1785 kg/m³) maak dit geneig om te ontsnap, wat 'n hoër vloeitempo vereis om die beskermende effek te handhaaf. Aktiewe gasse soos stikstof (N₂) kan die sweissterkte verbeter deur versterking in vaste oplossings in sekere scenario's, maar oormatige gebruik kan porositeit of die neerslag van bros fases veroorsaak. Byvoorbeeld, wanneer dupleks vlekvrye staal gesweis word, kan stikstofdiffusie in die gesmelte poel die ferriet/austeniet fasebalans ontwrig, wat lei tot 'n afname in korrosiebestandheid.
Figuur 1. Lasersweis van 304L vlekvrye staal (bo): Ar-gasafskerming; (onder): N2-gasafskerming
Vanuit die perspektief van die prosesmeganisme kan die hoë ionisasie-energie van helium (24.6 eV) die plasma-afskermingseffek onderdruk en laserenergie-absorpsie verbeter, waardeur die penetrasiediepte verhoog word. Intussen is die lae ionisasie-energie van argon (15.8 eV) geneig om plasmawolke te genereer, wat defokusering of pulsmodulasie vereis om interferensie te verminder. Daarbenewens kan die chemiese reaksie tussen aktiewe gasse en die gesmelte poel (soos stikstof wat met Cr in staal reageer) die sweissamestelling verander, en noukeurige seleksie gebaseer op materiaaleienskappe is nodig.
Voorbeelde van materiaaltoepassings:
• Staal: In dunplaat-sweiswerk (<3 mm) kan argon oppervlakafwerking verseker, met 'n oksiedlaagdikte van slegs 0.5 μm vir 'n 1.5 mm lae-koolstofstaal-sweisnaat; vir dik plate (>10 mm) moet 'n klein hoeveelheid helium (He) bygevoeg word om die penetrasiediepte te verhoog.
• Vlekvrye staal: Argonbeskerming kan die verlies van Cr-elemente voorkom, met 'n Cr-inhoud van 18.2% in 'n 3 mm dik 304 vlekvrye staal-lasnaad wat die 18.5% van die basismetaal nader; vir dupleks vlekvrye staal is 'n Ar-N₂-mengsel (N₂ ≤ 5%) nodig om die verhouding te balanseer. Studies het getoon dat wanneer 'n Ar-2% N₂-mengsel vir 8 mm dik 2205 dupleks vlekvrye staal gebruik word, die ferriet/austeniet-verhouding stabiel is teen 48:52, met 'n treksterkte van 780 MPa, wat beter is as suiwer argonbeskerming (720 MPa).
• Aluminiumlegering: Dun plaat (<3 mm): Die hoë reflektiwiteit van aluminiumlegerings lei tot 'n lae energie-absorpsietempo, en helium, met sy hoë ionisasie-energie (24.6 eV), kan die plasma stabiliseer. Navorsing toon dat wanneer 'n 2 mm dik 6061 aluminiumlegering deur helium beskerm word, die penetrasiediepte 1.8 mm bereik, wat met 25% toeneem in vergelyking met argon, en die porositeitstempo is laer as 1%. Vir dik plate (>5 mm): Dik plate van aluminiumlegering vereis hoë energie-insette, en 'n helium-argon mengsel (He:Ar = 3:1) kan beide penetrasiediepte en koste balanseer. Byvoorbeeld, wanneer 8 mm dik 5083 plate gesweis word, bereik die penetrasiediepte 6.2 mm onder gemengde gasbeskerming, wat met 35% toeneem in vergelyking met suiwer argongas, en die sweiskoste word met 20% verminder.
Let wel: Die oorspronklike teks bevat foute en teenstrydighede. Die vertaling wat verskaf word, is gebaseer op die gekorrigeerde en samehangende weergawe van die teks.
Die invloed van argongasvloeitempo
Die argongasvloeitempo beïnvloed direk die gasbedekkingsvermoë en die vloeistofdinamika van die gesmelte poel. Wanneer die vloeitempo onvoldoende is, kan die gaslaag nie die lug heeltemal isoleer nie, en die rand van die gesmelte poel is geneig tot oksidasie en die vorming van gasporieë; wanneer die vloeitempo te hoog is, kan dit turbulensie veroorsaak, wat die gesmelte poeloppervlak kan spoel en tot sweisdepressie of spatsels kan lei. Volgens die Reynolds-getal van vloeistofmeganika (Re = ρvD/μ) sal 'n toename in vloeitempo die gasvloeisnelheid verhoog. Wanneer Re > 2300, verander die laminêre vloei in turbulente vloei, wat die stabiliteit van die gesmelte poel sal vernietig. Daarom moet die bepaling van die kritieke vloeitempo deur eksperimente of numeriese simulasies (soos CFD) geanaliseer word.
Figuur 2. Effekte van Verskillende Gasvloeitempo's op Lasnaad
Vloei-optimalisering moet aangepas word in kombinasie met materiaal se termiese geleidingsvermoë en plaatdikte:
• Vir staal en vlekvrye staal: Vir dun staalplate (1-2 mm) is die vloeitempo verkieslik 10-15 L/min. Vir dik plate (>6 mm) moet dit verhoog word tot 18-22 L/min om stertoksidasie te onderdruk. Byvoorbeeld, wanneer die vloeitempo van 6 mm dik 316L vlekvrye staal 20 L/min is, word die eenvormigheid van HAZ-hardheid met 30% verbeter.
• Vir aluminiumlegering: Hoë termiese geleidingsvermoë vereis 'n hoë vloeitempo om die beskermingstyd te verleng. Vir 3 mm dik 7075 aluminiumlegering is die porositeitstempo die laagste (0.3%) wanneer die vloeitempo 25-30 L/min is. Vir ultra-dik plate (>10 mm) is dit egter nodig om dit met saamgestelde blaas te kombineer om turbulensie te vermy.
Die invloed van die blaasgasmodus
Die blaasgasmodus beïnvloed direk die vloeipatroon van die gesmelte poel en die defekonderdrukkingseffek deur die rigting en verspreiding van die gasvloei te beheer. Die blaasgasmodus reguleer die vloei van die gesmelte poel deur die oppervlakspanningsgradiënt en die Marangoni-vloei (Marangoni-vloei) te verander. Sywaartse blaas kan die gesmelte poel in 'n spesifieke rigting laat vloei, wat porieë en slakinsluiting verminder; saamgestelde blaas kan die eenvormigheid van sweisvorming verbeter deur die energieverspreiding te balanseer deur multirigtinggasvloei.
Die belangrikste metodes van blaas sluit in:
• Koaksiale blaas: Die gasvloei word koaksiaal met die laserstraal uitgevoer, wat simmetries die gesmelte poel bedek, geskik vir hoëspoed-sweiswerk. Die voordeel daarvan is hoë prosesstabiliteit, maar die gasvloei kan laserfokussering belemmer. Byvoorbeeld, wanneer koaksiale blaas op gegalvaniseerde staalplaat vir motors (1.2 mm) gebruik word, kan die sweisspoed tot 40 mm/s verhoog word, en die spatspoed is minder as 0.1.
• Sywaartse blaas: Die gasvloei word vanaf die kant van die smeltpoel ingevoer, wat gebruik kan word om plasma- of bodemonsuiwerhede gerig te verwyder, geskik vir diep penetrasiesweising. Byvoorbeeld, wanneer daar op 12 mm dik Q345-staal teen 'n hoek van 30° geblaas word, neem die sweispenetrasie met 18% toe, en die bodemporositeitskoers neem af van 4% tot 0.8%.
• Saamgestelde blaas: Deur koaksiale en sywaartse blaas te kombineer, kan dit gelyktydig oksidasie en plasma-interferensie onderdruk. Byvoorbeeld, vir 'n 3 mm dik 6061 aluminiumlegering met 'n dubbele spuitstukontwerp, word die porositeitskoers van 2.5% tot 0.4% verminder, en die treksterkte bereik 95% van die basismateriaal.
Die invloed van beskermingsgas op sweiskwaliteit spruit fundamenteel uit die regulering van energie-oordrag, die termodinamika van die smeltbad en chemiese reaksies:
1. Energie-oordrag: Die hoë termiese geleidingsvermoë van helium versnel die afkoeling van die gesmelte poel, wat die breedte van die hitte-geaffekteerde sone (HAZ) verminder; die lae termiese geleidingsvermoë van argon verleng die bestaanstyd van die gesmelte poel, wat voordelig is vir die oppervlakvorming van dun plate.
2. Stabiliteit van die gesmelte poel: Die gasvloei beïnvloed die vloei van die gesmelte poel deur skuifkrag, en 'n gepaste vloeitempo kan spatsels onderdruk; 'n oormatige vloeitempo sal vortex veroorsaak, wat tot sweisdefekte lei.
3. Chemiese beskerming: Inerte gasse isoleer suurstof en voorkom die oksidasie van legeringselemente (soos Cr, Al); aktiewe gasse (soos N₂) verander die laseienskappe deur versterking in vaste oplossings of verbindingvorming, maar die konsentrasie moet presies beheer word.
Plasingstyd: 9 April 2025
