Lasersvetsningsteknik, på grund av sin höga energitäthet, låga värmetillförsel och beröringsfria egenskaper, har blivit en av kärnprocesserna inom modern precisionstillverkning. Problem som oxidation, porositet och elementavbränning orsakade av smältbadets kontakt med atmosfären under svetsning begränsar dock allvarligt svetsfogens mekaniska egenskaper och livslängd. Som kärnmedium för att kontrollera svetsmiljön måste valet av typ, flödeshastighet och blåsningssätt för skyddsgas kopplas till materialets egenskaper (såsom kemisk aktivitet, värmeledningsförmåga) och plattans tjocklek.
Typer av skyddsgaser
Skyddsgasernas kärnfunktion ligger i att isolera syre, reglera smältbadets beteende och förbättra effektiviteten i energikopplingen. Baserat på deras kemiska egenskaper kan skyddsgaser klassificeras i inerta gaser (argon, helium) och aktiva gaser (kväve, koldioxid). Inerta gaser har hög kemisk stabilitet och kan effektivt förhindra oxidation av smältbadet, men deras betydande skillnader i termiska fysikaliska egenskaper påverkar svetseffekten avsevärt. Till exempel har argon (Ar) en hög densitet (1,784 kg/m³) och kan bilda en stabil beläggning, men dess låga värmeledningsförmåga (0,0177 W/m·K) leder till långsam kylning av smältbadet och en grund svetsgenomträngning. Däremot har helium (He) en åtta gånger högre värmeledningsförmåga (0,1513 W/m·K) än argon och kan accelerera kylningen av smältbadet och öka svetsgenomträngningen, men dess låga densitet (0,1785 kg/m³) gör det benäget att läcka ut, vilket kräver ett högre flöde för att bibehålla den skyddande effekten. Aktiva gaser som kväve (N₂) kan förbättra svetshållfastheten genom förstärkning i fast lösning i vissa fall, men överdriven användning kan orsaka porositet eller utfällning av spröda faser. Till exempel, vid svetsning av duplex rostfritt stål kan kvävediffusion i smältbadet störa ferrit/austenitfasbalansen, vilket resulterar i en minskning av korrosionsbeständigheten.
Figur 1. Lasersvetsning av 304L rostfritt stål (överst): Ar-gasskydd; (nederst): N2-gasskydd
Ur processmekanismens perspektiv kan heliums höga joniseringsenergi (24,6 eV) undertrycka plasmaskärmningseffekten och förbättra laserenergiabsorptionen, vilket ökar penetrationsdjupet. Samtidigt är argons låga joniseringsenergi (15,8 eV) benägen att generera plasmamoln, vilket kräver defokusering eller pulsmodulering för att minska interferens. Dessutom kan den kemiska reaktionen mellan aktiva gaser och smältan (såsom kväve som reagerar med Cr i stål) förändra svetskompositionen, och noggrant val baserat på materialegenskaper är nödvändigt.
Exempel på materialtillämpningar:
• Stål: Vid svetsning av tunnplåt (<3 mm) kan argon säkerställa ytjämnhet, med en oxidskiktstjocklek på endast 0,5 μm för en 1,5 mm svetsfog av lågkolstål; för tjocka plåtar (>10 mm) behöver en liten mängd helium (He) tillsättas för att öka inträngningsdjupet.
• Rostfritt stål: Argonskydd kan förhindra förlust av Cr-elementet, med en Cr-halt på 18,2 % i en 3 mm tjock svetsfog av 304 rostfritt stål som närmar sig 18,5 % av basmetallen; för duplex rostfritt stål behövs en Ar-N₂-blandning (N₂ ≤ 5 %) för att balansera förhållandet. Studier har visat att när man använder en Ar-2 % N₂-blandning för 8 mm tjockt 2205 duplex rostfritt stål, är ferrit/austenit-förhållandet stabilt vid 48:52, med en draghållfasthet på 780 MPa, vilket är överlägset rent argonskydd (720 MPa).
• Aluminiumlegering: Tunn platta (<3 mm): Aluminiumlegeringars höga reflektivitet leder till en låg energiabsorptionshastighet, och helium, med sin höga joniseringsenergi (24,6 eV), kan stabilisera plasmat. Forskning visar att när en 2 mm tjock 6061-aluminiumlegering skyddas av helium, når penetrationsdjupet 1,8 mm, vilket ökar med 25 % jämfört med argon, och porositetsgraden är lägre än 1 %. För tjocka plattor (>5 mm): Tjocka plattor av aluminiumlegering kräver hög energitillförsel, och en helium-argonblandning (He:Ar = 3:1) kan balansera både penetrationsdjup och kostnad. Till exempel, vid svetsning av 8 mm tjocka 5083-plattor, når penetrationsdjupet 6,2 mm under blandgasskydd, vilket ökar med 35 % jämfört med ren argongas, och svetskostnaden minskar med 20 %.
Obs: Originaltexten innehåller vissa fel och inkonsekvenser. Den bifogade översättningen är baserad på den korrigerade och sammanhängande versionen av texten.
Inverkan av argongasflödeshastighet
Argongasflödeshastigheten påverkar direkt gasens täckningsförmåga och vätskedynamiken i smältbadet. När flödeshastigheten är otillräcklig kan gasskiktet inte helt isolera luften, och smältbadets kant är benägen att oxidera och bilda gasporer. När flödeshastigheten är för hög kan det orsaka turbulens, vilket kan spola smältbadets yta och leda till svetsfördjupning eller stänk. Enligt Reynolds tal inom vätskemekanik (Re = ρvD/μ) kommer en ökning av flödeshastigheten att öka gasflödeshastigheten. När Re > 2300 övergår det laminära flödet till turbulent flöde, vilket förstör smältbadets stabilitet. Därför måste bestämningen av den kritiska flödeshastigheten analyseras genom experiment eller numeriska simuleringar (såsom CFD).
Figur 2. Effekter av olika gasflödeshastigheter på svetsfogen
Flödesoptimering bör justeras i kombination med materialets värmeledningsförmåga och plattjocklek:
• För stål och rostfritt stål: För tunna stålplåtar (1–2 mm) är flödeshastigheten företrädesvis 10–15 l/min. För tjocka plåtar (>6 mm) bör den ökas till 18–22 l/min för att undertrycka svansoxidation. Till exempel, när flödeshastigheten för 6 mm tjockt 316L rostfritt stål är 20 l/min, förbättras jämnheten hos HAZ-hårdheten med 30 %.
• För aluminiumlegering: Hög värmeledningsförmåga kräver ett högt flöde för att förlänga skyddstiden. För 3 mm tjock 7075-aluminiumlegering är porositetshastigheten som lägst (0,3 %) när flödeshastigheten är 25–30 L/min. För ultratjocka plattor (>10 mm) är det dock nödvändigt att kombinera med kompositblåsning för att undvika turbulens.
Inverkan av blåsgasläget
Blåsgasläget påverkar direkt smältbadets flödesmönster och defektundertryckningseffekten genom att kontrollera gasflödets riktning och fördelning. Blåsgasläget reglerar flödet i smältbadet genom att ändra ytspänningsgradienten och Marangoniflödet (Marangoniflöde). Sidledsblåsning kan få smältbadet att flöda i en specifik riktning, vilket minskar porer och slagginslutning; kompositblåsning kan förbättra svetsbildningens enhetlighet genom att balansera energifördelningen genom gasflöde i flera riktningar.
De viktigaste metoderna för blåsning inkluderar:
• Koaxialblåsning: Gasflödet matas ut koaxiellt med laserstrålen och täcker den smälta poolen symmetriskt, lämpligt för höghastighetssvetsning. Dess fördel är hög processstabilitet, men gasflödet kan störa laserfokuseringen. Till exempel, vid användning av koaxialblåsning på galvaniserad stålplåt för bilar (1,2 mm), kan svetshastigheten ökas till 40 mm/s, och spruthastigheten är mindre än 0,1.
• Sidledsblåsning: Gasflödet införs från sidan av smältbadet, vilket kan användas för att riktat avlägsna plasma eller bottenföroreningar, lämpligt för djupsvetsning. Till exempel, vid blåsning på 12 mm tjockt Q345-stål i en vinkel på 30° ökar svetsgenomträngningen med 18 % och bottenporositeten minskar från 4 % till 0,8 %.
• Kompositblåsning: Genom att kombinera koaxial och sidledes blåsning kan den samtidigt undertrycka oxidation och plasmastörningar. Till exempel, för 3 mm tjock 6061 aluminiumlegering med dubbel munstycksdesign minskas porositetsgraden från 2,5 % till 0,4 %, och draghållfastheten når 95 % av basmaterialets.
Skyddsgasens inverkan på svetskvaliteten härrör i grunden från dess reglering av energiöverföring, smältbadets termodynamik och kemiska reaktioner:
1. Energiöverföring: Heliums höga värmeledningsförmåga accelererar kylningen av smältan, vilket minskar bredden på den värmepåverkade zonen (HAZ); argons låga värmeledningsförmåga förlänger smältan, vilket är fördelaktigt för ytbildning av tunna plattor.
2. Stabilitet i smältbadet: Gasflödet påverkar flödet i smältbadet genom skjuvkraft, och ett lämpligt flöde kan undertrycka stänk; för högt flöde orsakar virvelbildning, vilket leder till svetsfel.
3. Kemiskt skydd: Inerta gaser isolerar syre och förhindrar oxidation av legeringselement (såsom Cr, Al); aktiva gaser (såsom N₂) förändrar svetsegenskaperna genom förstärkning i fast lösning eller föreningbildning, men koncentrationen måste kontrolleras exakt.
Publiceringstid: 9 april 2025
