Тэхналогія лазернай зваркіДзякуючы высокай шчыльнасці энергіі, нізкай цеплааддачы і бескантактавым характарыстыкам, ахоўны газ стаў адным з асноўных працэсаў у сучаснай дакладнай вытворчасці. Аднак такія праблемы, як акісленне, сітаватасць і выгаранне элементаў, выкліканыя кантактам расплаўленай ванны з атмасферай падчас зваркі, сур'ёзна абмяжоўваюць механічныя ўласцівасці і тэрмін службы зварнога шва. Як асноўнае асяроддзе для кантролю асяроддзя зваркі, выбар тыпу, хуткасці патоку і рэжыму ўдзімання ахоўнага газу павінен быць звязаны з характарыстыкамі матэрыялу (такімі як хімічная актыўнасць, цеплаправоднасць) і таўшчынёй пласціны.
Тыпы ахоўных газаў
Асноўная функцыя ахоўных газаў заключаецца ў ізаляцыі кіслароду, рэгуляванні паводзін расплаўленай ванны і павышэнні эфектыўнасці перадачы энергіі. У залежнасці ад іх хімічных уласцівасцей, ахоўныя газы можна класіфікаваць на інертныя газы (аргон, гелій) і актыўныя газы (азот, вуглякіслы газ). Інэртныя газы валодаюць высокай хімічнай стабільнасцю і могуць эфектыўна прадухіляць акісленне расплаўленай ванны, але іх значныя адрозненні ў цеплафізічных уласцівасцях істотна ўплываюць на эфект зваркі. Напрыклад, аргон (Ar) мае высокую шчыльнасць (1,784 кг/м³) і можа ўтвараць стабільнае пакрыццё, але яго нізкая цеплаправоднасць (0,0177 Вт/м·К) прыводзіць да павольнага астуджэння расплаўленай ванны і павярхоўнага праварвання шва. Наадварот, гелій (He) мае ў восем разоў вышэйшую цеплаправоднасць (0,1513 Вт/м·К), чым аргон, і можа паскорыць астуджэнне расплаўленай ванны і павялічыць праварванне шва, але яго нізкая шчыльнасць (0,1785 кг/м³) робіць яго схільным да ўцечкі, што патрабуе больш высокай хуткасці патоку для падтрымання ахоўнага эфекту. Актыўныя газы, такія як азот (N₂), могуць павысіць трываласць зварнога шва шляхам умацавання цвёрдым растворам у пэўных выпадках, але празмернае выкарыстанне можа прывесці да парыстасці або выпадзення далікатных фаз. Напрыклад, пры зварцы дуплекснай нержавеючай сталі дыфузія азоту ў расплаўленую ванну можа парушыць фазавы баланс ферыту/аўстэніту, што прывядзе да зніжэння каразійнай стойкасці.
Малюнак 1. Лазерная зварка нержавеючай сталі 304L (уверсе): абарона газам Ar; (унізе): абарона газам N2
З пункту гледжання механізму працэсу, высокая энергія іанізацыі гелія (24,6 эВ) можа падаўляць эфект плазменнага экранавання і павялічваць паглынанне лазернай энергіі, тым самым павялічваючы глыбіню пранікнення. У той жа час нізкая энергія іанізацыі аргону (15,8 эВ) схільная да ўтварэння плазменных аблокаў, што патрабуе расфакусоўкі або імпульснай мадуляцыі для памяншэння перашкод. Акрамя таго, хімічная рэакцыя паміж актыўнымі газамі і расплаўленай ваннай (напрыклад, рэакцыя азоту з хромам у сталі) можа змяніць склад зварнога шва, і неабходны дбайны выбар у залежнасці ад уласцівасцей матэрыялу.
Прыклады прымянення матэрыялаў:
• Сталь: пры зварцы тонкіх лістоў (<3 мм) аргон можа забяспечыць аздабленне паверхні, прычым таўшчыня аксіднага пласта складае ўсяго 0,5 мкм для зварнога шва нізкавугляродзістай сталі таўшчынёй 1,5 мм; для тоўстых лістоў (>10 мм) неабходна дадаць невялікую колькасць гелія (He) для павелічэння глыбіні пранікнення.
• Нержавеючая сталь: абарона аргонам можа прадухіліць страту элемента Cr, прычым утрыманне Cr складае 18,2% у зварным шве нержавеючай сталі 304 таўшчынёй 3 мм, што набліжаецца да 18,5% асноўнага металу; для дуплекснай нержавеючай сталі неабходная сумесь Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%), каб збалансаваць суадносіны. Даследаванні паказалі, што пры выкарыстанні сумесі Ar-2% N₂ для дуплекснай нержавеючай сталі 2205 таўшчынёй 8 мм суадносіны ферыту/аўстэніту стабільна складае 48:52, з трываласцю на расцяжэнне 780 МПа, што пераўзыходзіць абарону чыстым аргонам (720 МПа).
• Алюмініевы сплаў: тонкая пласціна (<3 мм): высокая адбівальная здольнасць алюмініевых сплаваў прыводзіць да нізкага ўзроўню паглынання энергіі, а гелій з яго высокай энергіяй іанізацыі (24,6 эВ) можа стабілізаваць плазму. Даследаванні паказваюць, што пры абароне геліем алюмініевага сплаву 6061 таўшчынёй 2 мм глыбіня пранікнення дасягае 1,8 мм, што на 25% больш у параўнанні з аргонам, а ступень парыстасці ніжэйшая за 1%. Для тоўстых пласцін (>5 мм): тоўстыя пласціны з алюмініевага сплаву патрабуюць высокіх энергазатрат, і сумесь гелію і аргону (He:Ar = 3:1) можа збалансаваць як глыбіню пранікнення, так і кошт. Напрыклад, пры зварцы пласцін 5083 таўшчынёй 8 мм глыбіня пранікнення дасягае 6,2 мм пад абаронай змешанага газу, што на 35% больш у параўнанні з чыстым аргонам, а кошт зваркі зніжаецца на 20%.
Заўвага: Арыгінальны тэкст утрымлівае некаторыя памылкі і неадпаведнасці. Прадстаўлены пераклад заснаваны на выпраўленай і звязнай версіі тэксту.
Уплыў хуткасці патоку аргону
Хуткасць патоку аргону непасрэдна ўплывае на здольнасць пакрыцця газам і дынаміку вадкасці ў расплаўленай ванне. Калі хуткасць патоку недастатковая, газавы пласт не можа цалкам ізаляваць паветра, і край расплаўленай ванны схільны да акіслення і ўтварэння газавых пор; калі хуткасць патоку занадта высокая, гэта можа выклікаць турбулентнасць, якая можа ачысціць паверхню расплаўленай ванны і прывесці да разрэджвання зварнога шва або разбрызгвання. Згодна з лікам Рэйнальдса ў механіцы вадкасці (Re = ρvD/μ), павелічэнне хуткасці патоку прывядзе да павелічэння хуткасці патоку газу. Калі Re > 2300, ламінарны паток ператвараецца ў турбулентны, што парушае ўстойлівасць расплаўленай ванны. Такім чынам, вызначэнне крытычнай хуткасці патоку неабходна прааналізаваць з дапамогай эксперыментаў або лікавага мадэлявання (напрыклад, CFD).
Малюнак 2. Уплыў розных хуткасцей патоку газу на зварны шов
Аптымізацыю патоку варта карэктаваць у спалучэнні з цеплаправоднасцю матэрыялу і таўшчынёй пласціны:
• Для сталі і нержавеючай сталі: для тонкіх сталёвых пласцін (1-2 мм) хуткасць патоку пераважна складае 10-15 л/мін. Для тоўстых пласцін (>6 мм) яе варта павялічыць да 18-22 л/мін, каб падаўляць акісленне хвастоў. Напрыклад, калі хуткасць патоку нержавеючай сталі 316L таўшчынёй 6 мм складае 20 л/мін, аднастайнасць цвёрдасці ў зоне тэрмааддзялення паляпшаецца на 30%.
• Для алюмініевага сплаву: высокая цеплаправоднасць патрабуе высокай хуткасці патоку для падаўжэння часу абароны. Для алюмініевага сплаву 7075 таўшчынёй 3 мм паказчык парыстасці найменшы (0,3%) пры хуткасці патоку 25-30 л/мін. Аднак для звыштоўстых пласцін (>10 мм) неабходна спалучаць гэта з выдзіманнем кампазіта, каб пазбегнуць турбулентнасці.
Уплыў рэжыму ўдзімання газу
Рэжым удзімання газу непасрэдна ўплывае на характар патоку расплаўленай ванны і эфект падаўлення дэфектаў, кантралюючы кірунак і размеркаванне патоку газу. Рэжым удзімання газу рэгулюе паток расплаўленай ванны, змяняючы градыент паверхневага нацяжэння і паток Марангоні (паток Марангоні). Бакавое ўдзіманне можа прымусіць расплаўленую ванну цячы ў пэўным кірунку, памяншаючы пары і ўключэнні шлаку; удзіманне кампазіта можа палепшыць раўнамернасць зварнога шва, збалансаваўшы размеркаванне энергіі праз шматнакіраваны паток газу.
Асноўныя спосабы выдзімання ўключаюць:
• Кааксіяльнае абдзіманне: паток газу выходзіць кааксіяльна з лазерным праменем, сіметрычна пакрываючы ванну расплаўленага металу, што падыходзіць для хуткаснай зваркі. Яго перавагай з'яўляецца высокая стабільнасць працэсу, але паток газу можа перашкаджаць факусоўцы лазера. Напрыклад, пры выкарыстанні кааксіяльнага абдзімання на аўтамабільным ацынкаваным сталёвым лісце (1,2 мм) хуткасць зваркі можа быць павялічана да 40 мм/с, а хуткасць разбрызгвання меншая за 0,1.
• Бакавое прадзіманне: паток газу ўводзіцца з боку расплаўленай ванны, што можа быць выкарыстана для накіраванага выдалення плазмы або ніжніх прымешак, што падыходзіць для зваркі з глыбокім праварваннем. Напрыклад, пры прадзіманні сталі Q345 таўшчынёй 12 мм пад вуглом 30° пранікненне шва павялічваецца на 18%, а ступень ніжняй парыстасці памяншаецца з 4% да 0,8%.
• Кампазітны выдзіманне: спалучэнне кааксіяльнага і бакавога выдзіманне дазваляе адначасова падаўляць акісленне і плазменныя перашкоды. Напрыклад, для алюмініевага сплаву 6061 таўшчынёй 3 мм з падвойнай канструкцыяй сопла ўзровень параватасці зніжаецца з 2,5% да 0,4%, а трываласць на расцяжэнне дасягае 95% ад асноўнага матэрыялу.
Уплыў ахоўнага газу на якасць зваркі ў асноўным вынікае з яго рэгулявання перадачы энергіі, тэрмадынамікі расплаўленай ванны і хімічных рэакцый:
1. Перадача энергіі: высокая цеплаправоднасць гелія паскарае астуджэнне расплаўленай ванны, памяншаючы шырыню зоны цеплавога ўздзеяння (ЗТВ); нізкая цеплаправоднасць аргону падаўжае час існавання расплаўленай ванны, што спрыяе ўтварэнню паверхні тонкіх пласцін.
2. Стабільнасць расплаўленай ванны: паток газу ўплывае на паток расплаўленай ванны праз сілу зруху, і адпаведная хуткасць патоку можа падаўляць разбрызгванне; празмерная хуткасць патоку выкліча віхравыя працэсы, што прывядзе да дэфектаў зварнога шва.
3. Хімічная абарона: інертныя газы ізалююць кісларод і прадухіляюць акісленне элементаў сплаву (такіх як Cr, Al); актыўныя газы (такія як N₂) змяняюць уласцівасці зваркі праз умацаванне цвёрдага раствора або ўтварэнне злучэнняў, але канцэнтрацыю неабходна дакладна кантраляваць.
Час публікацыі: 09 красавіка 2025 г.
