Apsauginių dujų parametrų įtaka lazerinio suvirinimo procesui

Apsauginių dujų parametrų įtaka lazerinio suvirinimo procesui

01 Įvadas

Lazerinio suvirinimo technologija dėl didelio energijos tankio, mažo šilumos kiekio ir bekontaktinių savybių tapo vienu iš pagrindinių šiuolaikinės tikslios gamybos procesų. Tačiau oksidacija, poringumas ir elementų praradimas, atsirandantis dėl išlydyto baseino ir atmosferos sąlyčio suvirinimo metu, labai apriboja suvirinimo siūlių mechanines savybes ir tarnavimo laiką. Apsauginės dujos, kaip pagrindinė terpė suvirinimo aplinkai valdyti, turi būti parenkamos atsižvelgiant į jų tipą, srautą ir pūtimo metodą, kartu su medžiagos charakteristikomis (tokiomis kaip cheminis reaktyvumas ir šilumos laidumas) ir plokštės storiu.

Lazerio ir elektronų pluošto apdorojimas

02 Apsauginių dujų rūšys

Pagrindinis apsauginių dujų vaidmuo yra izoliuoti deguonį, reguliuoti išlydyto baseino elgesį ir pagerinti energijos sujungimo efektyvumą. Pagal chemines savybes apsauginės dujos skirstomos į inertines (argonas, helis) ir aktyviąsias (azotas, anglies dioksidas). Inertinės dujos pasižymi dideliu cheminiu stabilumu ir veiksmingai apsaugo nuo išlydyto baseino oksidacijos, tačiau jų termofiziniai skirtumai turi didelę įtaką suvirinimo rezultatams.

Pavyzdžiui, argonas (Ar) turi didelį tankį (1,784 kg/m³), sudarydamas stabilų dengiamąjį sluoksnį, tačiau jo mažas šilumos laidumas (0,0177 W/m·K) sulėtina aušinimą ir sumažina prasiskverbimą. Priešingai, helio (He) šilumos laidumas yra 8 kartus didesnis (0,1513 W/m·K), pagreitina aušinimą ir padidina prasiskverbimo gylį, tačiau dėl mažo tankio (0,1785 kg/m³) jis lengvai išbėga, todėl apsaugai palaikyti reikalingas didesnis srautas.

Aktyvios dujos, pvz., azotas (N₂), kai kuriais atvejais gali pagerinti suvirinimo stiprumą stiprindamos kietąjį -tirpą, tačiau per didelis naudojimas gali sukelti poringumą arba trapių fazių nusodinimą. Pavyzdžiui, azoto įsiskverbimas į išlydytą baseiną dvipusio nerūdijančio plieno suvirinimo metu gali sutrikdyti ferito/austenito fazių balansą ir sumažinti atsparumą korozijai.

[Paveikslėlis: 1 pav. Lazerinis suvirinimas 304L nerūdijantis plienas, (viršuje) Ar apsauga; (apačioje) N₂ apsauga]

Žvelgiant iš proceso mechanizmo perspektyvos, didelė helio jonizacijos energija (24,6 eV) slopina plazmos ekranavimą, padidindama lazerio energijos absorbciją ir prasiskverbimą. Argonas, turintis mažesnę jonizacijos energiją (15,8 eV), lengvai sukuria plazmos debesis, todėl norint sumažinti trukdžius, reikia defokusuoti arba pulso moduliuoti. Be to, aktyvios dujos gali chemiškai reaguoti su išlydytu baseinu (pvz., pliene sudarant N2 nitridus su Cr), pakeisdamos suvirinimo siūlės sudėtį ir reikalaudamos atsargaus pasirinkimo.

Medžiagų pritaikymo pavyzdžiai:
- Plienas: ploniems lakštams (<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), helio papildymas pagerina prasiskverbimą.
- Nerūdijantis plienas: apsauga nuo argono apsaugo nuo Cr nuostolių. 3 mm storio 304 nerūdijančiame pliene Cr kiekis suvirintoje siūlėje siekia 18,2 % (netauriajame metale – beveik 18,5 %). Dvipusiam nerūdijančiam plienui fazių balansui užtikrinti reikalingi Ar-N₂ mišiniai (N₂ Mažiau nei 5 %). Tyrimai rodo, kad naudojant 8 mm storio 2205 dvipusį nerūdijantį plieną Ar-2%N₂ išlaiko 48:52 ferito/austenito santykį ir 780 MPa atsparumą tempimui, geriau nei grynas Ar (720 MPa).
- Aliuminio lydiniai: ploniems lakštams (<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 mišiniai (3:1) subalansuoja įsiskverbimą ir kainą. Pavyzdžiui, suvirinant 8 mm storio 5083 plokštę su mišriomis dujomis, buvo pasiektas 6,2 mm įsiskverbimas, 35 % gilesnis nei gryno Aro, o sąnaudos sumažėjo 20 %.

Lazerio ir elektronų pluošto apdorojimas

03 Apsauginių dujų srauto įtaka

Apsauginių dujų srautas tiesiogiai veikia aprėpties galimybes ir išlydyto baseino skysčio dinamiką. Dėl nepakankamo srauto oro visiškai izoliuoti nepavyksta, todėl susidaro oksidacija ir poringumas. Per didelis srautas gali sukelti turbulenciją, išplauti išsilydžiusį baseiną ir sukelti įdubimus arba purslų. Pagal Reinoldso skaičių (Re=ρvD/μ), didesnis srautas padidina greitį, o kai Re > 2300, laminarinis srautas pereina į turbulenciją, destabilizuodamas išlydytą baseiną. Taigi kritinis srautas turi būti nustatytas eksperimentiniu būdu arba CFD modeliavimu.

[Paveikslėlis: 2 pav. Skirtingų apsauginių dujų srautų įtaka suvirinimo siūlėms]

Optimizuojant srautą reikia atsižvelgti į šilumos laidumą ir plokštės storį:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), oksidacijai slopinti reikia 18–22 l/min. Pavyzdžiui, naudojant 6 mm storio 316 l nerūdijantį plieną, 20 l/min. padidino HAZ kietumo vienodumą 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, norint išvengti turbulencijos, būtinas pūtimas.

Lazerio ir elektronų pluošto apdorojimas

04 Apsauginių dujų pūtimo metodų įtaka

Pūtimo metodas, valdydamas oro srauto kryptį ir paskirstymą, tiesiogiai veikia išlydyto baseino srautą ir defektų slopinimą. Jis keičia paviršiaus įtempimo gradientus ir Marangoni srautą, taip reguliuojant išlydyto baseino dinamiką. Šoninis -pūtimas skatina kryptingą srautą, sumažindamas poringumą ir intarpus, o kombinuotas pūtimas subalansuoja energijos pasiskirstymą ir pagerina suvirinimo vienodumą.

[Paveikslėlis: 3 pav. Įvairių pūtimo būdų įtaka suvirinimo siūlėms]

Pagrindiniai pūtimo būdai:
- Bendraašis pūtimas: oro srautas yra bendraašis su lazerio spinduliu, simetriškai dengiantis išlydytą baseiną, tinkamas greitam suvirinimui-. Tai užtikrina aukštą proceso stabilumą, tačiau gali trukdyti fokusuoti lazeriu. Pavyzdžiui, naudojant 1,2 mm cinkuotą automobilių plieną, bendraašis pūtimas padidino suvirinimo greitį iki 40 mm/s, su purslais<0.1.
- Šoninis-pūtimas: oro srautas patenka iš šono, efektyviai išvalydamas plazmą ir nešvarumus, tinka giliai įsiskverbiamam suvirinimui. 12 mm storio Q345 plieno 30 laipsnių šoninio pūtimo{6}}skvarba padidėjo 18 %, o poringumas sumažėjo nuo 4 % iki 0,8 %.
- Kombinuotas pūtimas: derinant bendraašį ir šoninį-pūtimą, jis vienu metu slopina oksidaciją ir plazmos trukdžius. 3 mm storio 6061 aliuminio lydinio su dviguba antgalio konstrukcija poringumas sumažėjo nuo 2,5 % iki 0,4 %, o tempiamasis stipris siekė 95 % pagrindinės medžiagos.

05 Išvada

Apsauginių dujų įtaka suvirinimo kokybei iš esmės kyla dėl energijos perdavimo reguliavimo, išlydyto baseino termodinamikos ir cheminių reakcijų:
1. Energijos perdavimas: didelis helio šilumos laidumas pagreitina aušinimą, sumažina HAZ plotį; Mažas argono laidumas prailgina išlydyto baseino tarnavimo laiką, todėl susidaro plonas lakštas.
2. Išlydyto baseino stabilumas: Oro srauto kirpimas veikia išlydyto baseino srautą. Tinkamas srautas slopina purslą, o per didelis srautas sukelia sūkurius ir defektus.
3. Cheminė apsauga: inertinės dujos izoliuoja deguonį, užkertant kelią lydinio elementų (pvz., Cr, Al) oksidacijai. Aktyvios dujos (pvz., N₂) keičia suvirinimo savybes stiprindamos kietą -tirpą arba formuodami junginius, tačiau juos reikia tiksliai kontroliuoti.

Lazerio ir elektronų pluošto apdorojimas

Šaltinis: surinko WeChat viešosios paskyros „High{0}}Energy Beam Processing Technology and Applications“ redakcijos komanda.