01
Förord
På grund av dess höga energitäthet, låga värmetillförsel och -beröringsfria natur har lasersvetsteknik framstått som en av kärnprocesserna i modern precisionstillverkning. Emellertid, problem som oxidation, porositet och elementär avbränning-av-som beror på kontakten mellan svetsbadet och atmosfären under svetsprocessen-inskränker allvarligt svetsfogarnas mekaniska egenskaper och livslängd. Som det kritiska mediet för att kontrollera svetsmiljön måste valet av skyddsgastyp, flödeshastighet och leveransmetod noggrant kopplas till de specifika materialegenskaperna (såsom kemisk reaktivitet och värmeledningsförmåga) och arbetsstyckets tjocklek.
Laser- och elektronstrålebehandling
02
Typer av skyddsgaser
Den primära funktionen för en skyddsgas är att isolera syre, reglera svetsbadsbeteende och förbättra energikopplingens effektivitet. Baserat på deras kemiska egenskaper kan skyddsgaser brett delas in i inerta gaser (som argon och helium) och aktiva gaser (som kväve och koldioxid). Inerta gaser har hög kemisk stabilitet, vilket effektivt förhindrar oxidation av svetsbadet; dock kan betydande skillnader i deras termofysiska egenskaper djupgående påverka svetsresultatet. Till exempel har argon (Ar) en hög densitet (1,784 kg/m³), vilket gör att det kan bilda en stabil skyddsfilt över svetsbadet; omvänt resulterar dess låga värmeledningsförmåga (0,0177 W/m·K) i långsammare kylning av svetsbassängen och grundare penetrationsdjup. Däremot uppvisar helium (He) en värmeledningsförmåga ungefär åtta gånger den för argon (0,1513 W/m·K), vilket påskyndar kylning av svetsbassänger och ökar penetrationsdjupet; Dess låga densitet (0,1785 kg/m³) gör den emellertid benägen till snabb spridning, vilket kräver högre flödeshastigheter för att upprätthålla effektiv avskärmning. Aktiva gaser-som kväve (N₂)-kan i vissa applikationer förbättra svetsfogens hållfasthet genom solid-lösningsförstärkning; deras överdrivna användning kan emellertid leda till porositet eller utfällning av spröda faser. Till exempel, vid svetsning av duplexa rostfria stål kan upplösningen av kväve i svetsbadet störa ferrit{13}}austenitfasbalansen, vilket resulterar i en minskning av korrosionsbeständigheten.
Ur processmekanismernas perspektiv undertrycker heliums höga joniseringsenergi (24,6 eV) plasmaskärmningseffekten och förbättrar laserenergiabsorptionen, vilket ökar penetrationsdjupet. Omvänt tenderar argons låga joniseringsenergi (15,8 eV) att generera en plasmaplym, vilket kräver användning av tekniker som defokusering eller pulsmodulering för att mildra störningar. Dessutom kan kemiska reaktioner mellan aktiva skyddsgaser och den smälta poolen-såsom bildandet av nitrider genom reaktionen av kväve med krom i stål-förändra svetssammansättningen; därför måste valet av skyddsgas göras med försiktighet, med hänsyn tagen till de specifika materialegenskaperna.
**Exempel på materialapplikationer:**
• **Stål:** Vid svetsning av tunna plåtar (<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) krävs dock en liten tillsats av helium (He) för att öka penetrationsdjupet.
• **Rostfritt stål:** Argonskydd förhindrar utarmning av krom (Cr) innehåll; i en svets på 3 mm tjockt 304 rostfritt stål når Cr-halten 18,2% (nära basmetallens 18,5%). Duplexa rostfria stål, å andra sidan, kräver en Ar-N₂-blandning (med N₂ Mindre än eller lika med 5%) för att upprätthålla ett balanserat fasförhållande. Studier indikerar att vid svetsning av 8 mm tjockt 2205 duplex rostfritt stål med en Ar-2%N₂-blandning stabiliseras ferrit--till-austenitfasförhållandet vid 48:52, vilket ger en draghållfasthet på 780 MPa-överlägsen den som uppnås med 720 MPa-skärmning.
• **Aluminiumlegeringar:** *Tunna plattor (<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):* Svetsning av tjocka aluminiumplåtar kräver hög energitillförsel; en helium-argonblandning (He:Ar=3:1) erbjuder en balans mellan att uppnå tillräckligt inträngningsdjup och att hantera kostnader. Till exempel, vid svetsning av 8 mm tjocka 5083-plåtar, resulterar avskärmning med denna blandning i ett penetrationsdjup på 6,2 mm-en 35 % förbättring jämfört med ren argon-samtidigt som svetskostnaderna sänks med 20 %.
