La influència dels paràmetres del gas de protecció en el procés de soldadura làser

La influència dels paràmetres del gas de protecció en el procés de soldadura làser

01 Introducció

La tecnologia de soldadura per làser, a causa de la seva alta densitat d'energia, la seva baixa entrada de calor i les característiques sense -contacte, s'ha convertit en un dels processos bàsics de la fabricació de precisió moderna. Tanmateix, l'oxidació, la porositat i la pèrdua d'elements causades pel contacte entre la piscina fosa i l'atmosfera durant la soldadura restringeixen seriosament les propietats mecàniques i la vida útil de les soldadures. El gas de protecció, com a mitjà bàsic per controlar l'entorn de soldadura, s'ha de seleccionar en funció del seu tipus, cabal i mètode de bufat, en combinació amb les característiques del material (com ara la reactivitat química i la conductivitat tèrmica) i el gruix de la placa.

Processament làser i feix d'electrons

02 Tipus de gas de protecció

La funció principal del gas de protecció és aïllar l'oxigen, regular el comportament de la piscina fosa i millorar l'eficiència de l'acoblament energètic. Segons les propietats químiques, els gasos de protecció es classifiquen en gasos inerts (argó, heli) i gasos actius (nitrogen, diòxid de carboni). Els gasos inerts tenen una alta estabilitat química i eviten eficaçment l'oxidació de la piscina fosa, però les seves diferències termofísiques afecten significativament els resultats de la soldadura.

Per exemple, l'argó (Ar) té una alta densitat (1,784 kg/m³), formant una capa de cobertura estable, però la seva baixa conductivitat tèrmica (0,0177 W/m·K) alenteix el refredament i provoca una penetració menys profunda. En canvi, l'heli (He) té una conductivitat tèrmica 8 vegades superior (0,1513 W/m·K), accelerant el refredament i augmentant la profunditat de penetració, però la seva baixa densitat (0,1785 kg/m³) fa que sigui fàcil d'escapar, requerint un major cabal per mantenir la protecció.

Els gasos actius, com el nitrogen (N₂), poden millorar la resistència de la soldadura mitjançant l'enfortiment de la-solució sòlida en alguns casos, però un ús excessiu pot provocar porositat o precipitació en fase trencadissa. Per exemple, la infiltració de nitrogen a la piscina fosa durant la soldadura d'acer inoxidable dúplex pot alterar l'equilibri de fase de ferrita/austenita, reduint la resistència a la corrosió.

[Imatge: Figura 1. Soldadura làser d'acer inoxidable 304L, (superior) protecció Ar; (inferior) protecció N₂]

Des de la perspectiva del mecanisme del procés, l'alta energia d'ionització de l'heli (24,6 eV) suprimeix el blindatge de plasma, millorant l'absorció i la penetració d'energia del làser. L'argó, amb una energia d'ionització més baixa (15,8 eV), genera fàcilment núvols de plasma, que requereixen desenfocament o modulació del pols per reduir les interferències. A més, els gasos actius poden reaccionar químicament amb la piscina fosa (per exemple, N₂ formant nitrurs amb Cr a l'acer), alterant la composició de la soldadura i requerint una selecció prudent.

Exemples d'aplicació de materials:
- Acer: per a làmines primes (<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 mm), l'addició d'heli millora la penetració.
- Acer inoxidable: la protecció contra l'argó evita la pèrdua de Cr. En acer inoxidable 304 de 3 mm de gruix, el contingut de Cr a la soldadura arriba al 18,2% (prop del 18,5% al ​​metall base). L'acer inoxidable dúplex requereix mescles d'Ar-N₂ (N₂ inferior o igual al 5%) per a l'equilibri de fase. La investigació mostra que amb acer inoxidable dúplex 2205 de 8 mm de gruix, Ar-2% N₂ manté una relació ferrita/austenita de 48:52 i una resistència a la tracció de 780 MPa, millor que l'Ar pur (720 MPa).
- Aliatges d'alumini: per a làmines primes (<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 mm), les mescles d'He-Ar (3:1) equilibren la penetració i el cost. Per exemple, la soldadura de plaques 5083 de 8 mm de gruix amb gas mixt va aconseguir una penetració de 6,2 mm, un 35% més profunda que l'Ar pur, alhora que va reduir el cost en un 20%.

Processament làser i feix d'electrons

03 Influència del cabal de gas de protecció

El cabal de gas de protecció afecta directament la capacitat de cobertura i la dinàmica de fluids de la piscina fosa. Un flux insuficient no aconsegueix aïllar completament l'aire, provocant oxidació i porositat. Un cabal excessiu pot induir turbulències, fregant la piscina fosa i provocant depressions o esquitxades. Segons el nombre de Reynolds (Re=ρvD/μ), un flux més alt augmenta la velocitat, i quan Re > 2300, el flux laminar passa a la turbulència, desestabilitzant la piscina fosa. Així, el cabal crític s'ha de determinar experimentalment o per simulació CFD.

[Imatge: Figura 2. Influència de diferents cabals de gas de protecció en les soldadures]

L'optimització del flux ha de tenir en compte la conductivitat tèrmica i el gruix de la placa:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), es requereixen 18–22 L/min per suprimir l'oxidació. Per exemple, amb acer inoxidable 316L de 6 mm de gruix, 20 L/min millora la uniformitat de la duresa HAZ en un 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 mm, el bufat compost és necessari per evitar turbulències.

Processament làser i feix d'electrons

04 Influència dels mètodes de bufat de gas de protecció

El mètode de bufat, controlant la direcció i la distribució del flux d'aire, afecta directament el flux de la piscina fosa i la supressió de defectes. Altera els gradients de tensió superficial i el flux de Marangoni, regulant així la dinàmica de la piscina fosa. El bufat lateral-indueix el flux direccional, reduint la porositat i les inclusions, mentre que el bufat compost equilibra la distribució d'energia i millora la uniformitat de la soldadura.

[Imatge: Figura 3. Influència dels diferents mètodes de bufat en les soldadures]

Principals mètodes de bufat:
- Bufat coaxial: el flux d'aire és coaxial amb el raig làser, cobreix simètricament la piscina fosa, adequat per a la soldadura d'alta-velocitat. Assegura una alta estabilitat del procés, però pot interferir amb l'enfocament làser. Per exemple, amb acer d'automòbil galvanitzat d'1,2 mm, el bufat coaxial va augmentar la velocitat de soldadura fins a 40 mm/s, amb esquitxades<0.1.
Bufat - lateral-: el flux d'aire entra pel costat, eliminant eficaçment el plasma i les impureses, adequat per a la soldadura de penetració profunda. Per a l'acer Q345 de 12 mm de gruix amb un bufat lateral de 30 graus-, la penetració va augmentar un 18% i la porositat va baixar del 4% al 0,8%.
- Bufat compost: combinant el bufat coaxial i lateral-, suprimeix simultàniament l'oxidació i la interferència del plasma. Per a l'aliatge d'alumini 6061 de 3 mm de gruix amb disseny de doble -broca, la porositat va disminuir del 2,5% al ​​0,4%, amb una resistència a la tracció que arriba al 95% del material base.

05 Conclusió

La influència del gas de protecció en la qualitat de la soldadura prové essencialment de la seva regulació de la transferència d'energia, la termodinàmica de la piscina fosa i les reaccions químiques:
1. Transferència d'energia: l'alta conductivitat tèrmica de l'heli accelera el refredament, reduint l'amplada HAZ; La baixa conductivitat de l'argó allarga la vida útil de la piscina fosa, beneficiant la formació de làmines primes.
2. Estabilitat de la piscina fosa: la cisalla del flux d'aire afecta el flux de la piscina fosa. El flux adequat suprimeix les esquitxades, mentre que el flux excessiu provoca vòrtexs i defectes.
3. Protecció química: els gasos inerts aïllen l'oxigen, evitant l'oxidació dels elements d'aliatge (per exemple, Cr, Al). Els gasos actius (p. ex., N₂) alteren les propietats de la soldadura mitjançant l'enfortiment de la-solució sòlida o la formació de compostos, però requereixen un control precís.

Processament làser i feix d'electrons

Font: recollida per l'equip editorial del compte públic de WeChat "Tecnologia i aplicacions de processament de feix d'energia{0}d'alta".