01
Pròleg
A causa de la seva alta densitat d'energia, la seva baixa aportació de calor i la naturalesa sense -contacte, la tecnologia de soldadura per làser s'ha convertit en un dels processos bàsics de la fabricació de precisió moderna. Tanmateix, problemes com ara l'oxidació, la porositat i la crema-elemental-que resulten del contacte entre la piscina de soldadura i l'atmosfera durant el procés de soldadura-restringeixen greument les propietats mecàniques i la vida útil dels cordons de soldadura. Com a mitjà crític per controlar l'entorn de soldadura, la selecció del tipus de gas de protecció, el cabal i el mètode de lliurament s'ha de combinar acuradament amb les característiques específiques del material (com ara la reactivitat química i la conductivitat tèrmica) i el gruix de la peça.
Processament làser i feix d'electrons
02
Tipus de gasos protectors
La funció principal d'un gas de protecció és aïllar l'oxigen, regular el comportament de la piscina de soldadura i millorar l'eficiència de l'acoblament energètic. Segons les seves propietats químiques, els gasos de protecció es poden classificar àmpliament en gasos inerts (com l'argó i l'heli) i els gasos actius (com el nitrogen i el diòxid de carboni). Els gasos inerts posseeixen una alta estabilitat química, evitant eficaçment l'oxidació de la piscina de soldadura; tanmateix, les diferències significatives en les seves propietats termofísiques poden afectar profundament el resultat de la soldadura. Per exemple, l'argó (Ar) presenta una alta densitat (1,784 kg/m³), que li permet formar una manta protectora estable sobre la piscina de soldadura; per contra, la seva baixa conductivitat tèrmica (0,0177 W/m·K) provoca un refredament més lent de la piscina de soldadura i una profunditat de penetració menor. En canvi, l'heli (He) presenta una conductivitat tèrmica aproximadament vuit vegades la de l'argó (0,1513 W/m·K), accelerant així el refredament de la piscina de soldadura i augmentant la profunditat de penetració; tanmateix, la seva baixa densitat (0,1785 kg/m³) el fa propens a una ràpida dispersió, la qual cosa requereix cabals més alts per mantenir un blindatge efectiu. Els gasos actius-com el nitrogen (N₂)-poden, en determinades aplicacions, millorar la resistència de la soldadura mitjançant l'enfortiment de la-solució sòlida; tanmateix, el seu ús excessiu pot provocar porositat o precipitació de fases trencadisses. Per exemple, quan es solden acers inoxidables dúplex, la dissolució de nitrogen a la piscina de soldadura pot alterar l'equilibri de fases de ferrita-austenita, donant lloc a una reducció de la resistència a la corrosió.
Des de la perspectiva dels mecanismes de procés, l'alta energia d'ionització de l'heli (24,6 eV) suprimeix l'efecte de blindatge de plasma i millora l'absorció d'energia del làser, augmentant així la profunditat de penetració. Per contra, la baixa energia d'ionització de l'argó (15,8 eV) tendeix a generar un plomall de plasma, la qual cosa requereix l'ús de tècniques com el desenfocament o la modulació del pols per mitigar les interferències. A més, les reaccions químiques entre els gasos de protecció actius i la piscina fosa-com la formació de nitrurs mitjançant la reacció del nitrogen amb el crom de l'acer-poden alterar la composició de la soldadura; per tant, l'elecció del gas de protecció s'ha de fer amb precaució, tenint en compte les propietats específiques del material.
**Exemples d'aplicació de materials:**
• **Acer:** En la soldadura de plaques primes (<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 mm), però, es requereix una petita addició d'heli (He) per augmentar la profunditat de penetració.
• **Acer inoxidable:** El blindatge d'argó evita l'esgotament del contingut de crom (Cr); en una soldadura sobre acer inoxidable 304 de 3 mm de gruix, el contingut de Cr arriba al 18,2% (apropant-se molt al 18,5% del metall base). Els acers inoxidables dúplex, d'altra banda, requereixen una barreja d'Ar-N₂ (amb N₂ inferior o igual al 5%) per mantenir una relació de fases equilibrada. Els estudis indiquen que quan es solda acer inoxidable dúplex 2205 de 8 mm de gruix amb una barreja d'Ar-2%N₂, la relació de fase ferrita-a{-austenita s'estabilitza a 48:52, donant una resistència a la tracció de 780 MPa-superior a la que s'aconsegueix amb argó pur amb blindatge pur).
• **Aliatges d'alumini:** *Plaques fines (<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 mm):* La soldadura de plaques d'alumini gruixudes requereix una gran aportació d'energia; una barreja d'heli-argó (He:Ar=3:1) ofereix un equilibri entre aconseguir una profunditat de penetració suficient i gestionar els costos. Per exemple, quan es solden plaques 5083 de 8 mm de gruix, el blindatge amb aquesta barreja dóna lloc a una profunditat de penetració de 6,2 mm-una millora del 35% respecte a l'argó pur-a la vegada que es redueix els costos de soldadura en un 20%.
