Inverkan av skyddsgasparametrar på lasersvetsningsprocessen

Inverkan av skyddsgasparametrar på lasersvetsningsprocessen

01 Introduktion

Lasersvetsteknik har, på grund av dess höga energitäthet, låga värmetillförsel och kontaktfria egenskaper, blivit en av kärnprocesserna i modern precisionstillverkning. Oxidation, porositet och elementförlust orsakad av kontakten mellan den smälta poolen och atmosfären under svetsning begränsar dock allvarligt svetsarnas mekaniska egenskaper och livslängd. Skyddsgas, som kärnmedium för att kontrollera svetsmiljön, måste väljas baserat på dess typ, flödeshastighet och blåsningsmetod, i kombination med materialegenskaper (som kemisk reaktivitet och värmeledningsförmåga) och plåttjocklek.

Laser- och elektronstrålebehandling

02 Typer av skyddsgas

Skyddsgasens primära roll är att isolera syre, reglera den smälta poolens beteende och förbättra energikopplingens effektivitet. Baserat på kemiska egenskaper klassificeras skyddsgaserna i inerta gaser (argon, helium) och aktiva gaser (kväve, koldioxid). Inerta gaser har hög kemisk stabilitet och förhindrar effektivt oxidation av den smälta poolen, men deras termofysiska skillnader påverkar avsevärt svetsresultaten.

Till exempel har argon (Ar) en hög densitet (1,784 kg/m³), vilket bildar ett stabilt täckskikt, men dess låga värmeledningsförmåga (0,0177 W/m·K) bromsar nedkylningen och resulterar i grundare penetration. Däremot har helium (He) en värmeledningsförmåga 8 gånger högre (0,1513 W/m·K), accelererande kylning och ökande penetrationsdjup, men dess låga densitet (0,1785 kg/m³) gör det lätt att fly, vilket kräver högre flöde för att upprätthålla skyddet.

Aktiva gaser, som kväve (N₂), kan förbättra svetshållfastheten genom att förstärka fasta-lösningar i vissa fall, men överdriven användning kan orsaka porositet eller utfällning av spröd fas. Till exempel kan kväveinfiltrering i den smälta poolen under duplexsvetsning av rostfritt stål störa ferrit/austenitfasbalansen, vilket minskar korrosionsbeständigheten.

[Bild: Figur 1. Lasersvetsning 304L rostfritt stål, (överst) Ar-skydd; (nederst) N₂-skydd]

Ur processmekanismens perspektiv undertrycker heliums höga joniseringsenergi (24,6 eV) plasmaskärmning, vilket förbättrar laserenergiabsorption och penetration. Argon, med en lägre joniseringsenergi (15,8 eV), genererar enkelt plasmamoln, vilket kräver defokusering eller pulsmodulering för att minska störningar. Dessutom kan aktiva gaser reagera kemiskt med den smälta poolen (t.ex. N2 som bildar nitrider med Cr i stål), vilket förändrar svetssammansättningen och kräver försiktigt val.

Exempel på materialapplikationer:
- Stål: För tunna plåtar (<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), förbättrar heliumtillsats penetration.
- Rostfritt stål: Argonskydd förhindrar Cr-förlust. I 3 mm tjockt 304 rostfritt stål når Cr-halten i svetsen 18,2 % (nära 18,5 % i basmetallen). Duplext rostfritt stål kräver Ar-N₂-blandningar (N₂ Mindre än eller lika med 5%) för fasbalans. Forskning visar att med 8 mm tjockt 2205 duplex rostfritt stål bibehåller Ar-2%N2 ett ferrit/austenitförhållande på 48:52 och draghållfasthet på 780 MPa, bättre än ren Ar (720 MPa).
- Aluminiumlegeringar: För tunna plåtar (<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), He-Ar-blandningar (3:1) balanserar penetration och kostnad. Till exempel uppnådde svetsning av 8 mm tjock 5083-plåt med blandad gas 6,2 mm penetration, 35 % djupare än ren Ar, samtidigt som kostnaden minskade med 20 %.

Laser- och elektronstrålebehandling

03 Inverkan av skyddsgasflöde

Skyddsgasens flödeshastighet påverkar direkt täckningsförmågan och vätskesmältans dynamik. Otillräckligt flöde lyckas inte helt isolera luften, vilket leder till oxidation och porositet. Överdrivet flöde kan inducera turbulens, skura den smälta poolen och orsaka fördjupningar eller stänk. Enligt Reynolds nummer (Re=ρvD/μ), ökar högre flöde hastigheten, och när Re > 2300 övergår laminärt flöde till turbulens, vilket destabiliserar den smälta poolen. Den kritiska flödeshastigheten måste således bestämmas experimentellt eller genom CFD-simulering.

[Bild: Figur 2. Inverkan av olika skyddsgasflöden på svetsar]

Optimera flödet måste ta hänsyn till värmeledningsförmåga och plåttjocklek:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), krävs 18–22 L/min för att undertrycka oxidation. Till exempel, med 6 mm tjockt 316L rostfritt stål, förbättrade 20 L/min HAZ-hårdheten med 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, blandningsblåsning är nödvändig för att undvika turbulens.

Laser- och elektronstrålebehandling

04 Inverkan av skyddsgasblåsningsmetoder

Blåsningsmetoden, genom att kontrollera luftflödets riktning och distribution, påverkar direkt flödet av smält pool och undertryckandet av defekter. Det ändrar ytspänningsgradienter och Marangoni-flöde och reglerar därigenom smält pooldynamik. Sidoblåsning-inducerar riktat flöde, minskar porositet och inneslutningar, medan sammansättningsblåsning balanserar energifördelningen och förbättrar svetslikformigheten.

[Bild: Figur 3. Inverkan av olika blåsningsmetoder på svetsar]

Huvudblåsningsmetoder:
- Koaxialblåsning: Luftflödet är koaxiellt med laserstrålen och täcker den smälta poolen symmetriskt, lämpligt för svetsning med hög-hastighet. Det säkerställer hög processstabilitet men kan störa laserfokuseringen. Till exempel, med 1,2 mm galvaniserat bilstål, ökade koaxialblåsningen svetshastigheten till 40 mm/s, med stänk<0.1.
- Sida-blåsning: Luftflödet kommer in från sidan och rensar effektivt bort plasma och föroreningar, lämpligt för djupsvetsning. För 12 mm tjockt Q345 stål vid 30 graders sidblåsning- ökade penetrationen med 18 % och porositeten sjönk från 4 % till 0,8 %.
- Sammansatt blåsning: Genom att kombinera koaxial- och sidoblåsning- undertrycker det samtidigt oxidation och plasmainterferens. För 3 mm tjock 6061 aluminiumlegering med dubbel-munstycksdesign minskade porositeten från 2,5 % till 0,4 %, med draghållfastheten som nådde 95 % av basmaterialet.

05 Slutsats

Skyddsgasens inverkan på svetskvaliteten härrör huvudsakligen från dess reglering av energiöverföring, smältbassängens termodynamik och kemiska reaktioner:
1. Energiöverföring: Heliums höga värmeledningsförmåga accelererar kylningen, vilket minskar HAZ-bredden; Argons låga ledningsförmåga förlänger den smälta poolens livslängd, vilket gynnar formningen av tunnplåt.
2. Smältbassängens stabilitet: Luftflödesskjuvning påverkar smältpoolens flöde. Korrekt flöde dämpar stänk, medan överdrivet flöde orsakar virvlar och defekter.
3. Kemiskt skydd: Inerta gaser isolerar syre och förhindrar oxidation av legeringselement (t.ex. Cr, Al). Aktiva gaser (t.ex. N₂) förändrar svetsegenskaperna genom fast-lösningsförstärkning eller sammansättningsbildning, men kräver exakt kontroll.

Laser- och elektronstrålebehandling

Källa: Insamlad av redaktionen för det offentliga WeChat-kontot "High-Energy Beam Processing Technology and Applications."