Технологија ласерског заваривања, због своје високе густине енергије, ниског уноса топлоте и бесконтактних карактеристика, постао је један од основних процеса у модерној прецизној производњи. Међутим, проблеми попут оксидације, порозности и сагоревања елемената изазваних контактом растопљеног купатила са атмосфером током заваривања озбиљно ограничавају механичка својства и век трајања завареног шава. Као основни медијум за контролу окружења за заваривање, избор врсте, брзине протока и начина дувања заштитног гаса мора бити повезан са карактеристикама материјала (као што су хемијска активност, топлотна проводљивост) и дебљином плоче.
Врсте заштитних гасова
Основна функција заштитних гасова лежи у изолацији кисеоника, регулисању понашања растопљеног купатила и побољшању ефикасности енергетског повезивања. На основу својих хемијских својстава, заштитни гасови се могу класификовати у инертне гасове (аргон, хелијум) и активне гасове (азот, угљен-диоксид). Инертни гасови имају високу хемијску стабилност и могу ефикасно спречити оксидацију растопљеног купатила, али њихове значајне разлике у термичким физичким својствима значајно утичу на ефекат заваривања. На пример, аргон (Ar) има високу густину (1,784 kg/m³) и може формирати стабилан премаз, али његова ниска топлотна проводљивост (0,0177 W/m·K) доводи до спорог хлађења растопљеног купатила и плитког продирања завара. Насупрот томе, хелијум (He) има осам пута већу топлотну проводљивост (0,1513 W/m·K) од аргона и може убрзати хлађење растопљеног купатила и повећати продирање завара, али његова ниска густина (0,1785 kg/m³) чини га склоним цурењу, што захтева већу брзину протока да би се одржао заштитни ефекат. Активни гасови попут азота (N₂) могу побољшати чврстоћу завара кроз ојачавање чврстим раствором у одређеним сценаријима, али прекомерна употреба може изазвати порозност или таложење крхких фаза. На пример, приликом заваривања дуплекс нерђајућег челика, дифузија азота у растопљени купатило може пореметити равнотежу феритне/аустенитне фазе, што доводи до смањења отпорности на корозију.
Слика 1. Ласерско заваривање нерђајућег челика 304L (горе): заштита гасом Ar; (доле): заштита гасом N2
Са становишта механизма процеса, висока енергија јонизације хелијума (24,6 eV) може потиснути ефекат плазма заштите и побољшати апсорпцију ласерске енергије, чиме се повећава дубина продирања. У међувремену, ниска енергија јонизације аргона (15,8 eV) је склона стварању плазма облака, што захтева дефокусирање или импулсну модулацију како би се смањиле сметње. Поред тога, хемијска реакција између активних гасова и растопљеног слоја (као што је реакција азота са Cr у челику) може променити састав завара, па је неопходан пажљив избор на основу својстава материјала.
Примери примене материјала:
• Челик: Код заваривања танких плоча (<3 mm), аргон може да обезбеди завршну обраду површине, са дебљином оксидног слоја од само 0,5 μm за заварени шав нискоугљеничног челика дебљине 1,5 mm; за дебеле плоче (>10 mm), потребно је додати малу количину хелијума (He) да би се повећала дубина продирања.
• Нерђајући челик: Заштита аргоном може спречити губитак елемента Cr, са садржајем Cr од 18,2% у завареном шаву нерђајућег челика 304 дебљине 3 мм, што се приближава 18,5% основног метала; за дуплекс нерђајући челик, потребна је смеша Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) да би се уравнотежио однос. Студије су показале да је при коришћењу смеше Ar-2% N₂ за дуплекс нерђајући челик 2205 дебљине 8 мм, однос ферит/аустенит стабилан на 48:52, са затезном чврстоћом од 780 MPa, што је супериорније у односу на заштиту чистим аргоном (720 MPa).
• Алуминијумска легура: Танка плоча (<3 мм): Висока рефлективност алуминијумских легура доводи до ниске стопе апсорпције енергије, а хелијум, са својом високом енергијом јонизације (24,6 eV), може стабилизовати плазму. Истраживања показују да када је легура алуминијума 6061 дебљине 2 мм заштићена хелијумом, дубина продирања достиже 1,8 мм, што је повећање за 25% у поређењу са аргоном, а стопа порозности је нижа од 1%. За дебеле плоче (>5 мм): Дебеле плоче од алуминијумске легуре захтевају висок унос енергије, а смеша хелијума и аргона (He:Ar = 3:1) може уравнотежити и дубину продирања и трошкове. На пример, приликом заваривања плоча 5083 дебљине 8 мм, дубина продирања достиже 6,2 мм под заштитом мешаног гаса, што је повећање за 35% у поређењу са чистим аргоном, а трошкови заваривања су смањени за 20%.
Напомена: Оригинални текст садржи неке грешке и недоследности. Превод који је дат је заснован на исправљеној и кохерентној верзији текста.
Утицај брзине протока аргона
Брзина протока аргонског гаса директно утиче на способност покривања гасом и динамику флуида растопљеног базена. Када је брзина протока недовољна, слој гаса не може потпуно изоловати ваздух, а ивица растопљеног базена је склона оксидацији и стварању гасних пора; када је брзина протока превисока, може изазвати турбуленцију, која може испрати површину растопљеног базена и довести до депресије завара или прскања. Према Рејнолдсовом броју механике флуида (Re = ρvD/μ), повећање брзине протока ће повећати брзину протока гаса. Када је Re > 2300, ламинарни ток се претвара у турбулентни ток, што ће уништити стабилност растопљеног базена. Стога, одређивање критичне брзине протока треба анализирати експериментима или нумеричким симулацијама (као што је CFD).
Слика 2. Утицај различитих брзина протока гаса на заварени шав
Оптимизација протока треба да се подеси у комбинацији са топлотном проводљивошћу материјала и дебљином плоче:
• За челик и нерђајући челик: За танке челичне плоче (1-2 мм), проток је пожељно 10-15 Л/мин. За дебеле плоче (>6 мм), треба га повећати на 18-22 Л/мин како би се сузбила оксидација репа. На пример, када је проток нерђајућег челика 316L дебљине 6 мм 20 Л/мин, уједначеност тврдоће ЗТУ се побољшава за 30%.
• За легуре алуминијума: Висока топлотна проводљивост захтева велику брзину протока како би се продужило време заштите. За легуру алуминијума 7075 дебљине 3 мм, стопа порозности је најнижа (0,3%) када је брзина протока 25-30 Л/мин. Међутим, за ултра дебеле плоче (>10 мм), потребно је комбиновати са дувањем композита како би се избегла турбуленција.
Утицај режима дувања гаса
Режим дувања гаса директно утиче на образац тока растопљеног купатила и ефекат сузбијања дефеката контролишући смер и расподелу тока гаса. Режим дувања гаса регулише проток растопљеног купатила променом градијента површинског напона и Марангонијевог тока (Марангонијев ток). Бочно дување може изазвати ток растопљеног купатила у одређеном смеру, смањујући поре и укључивање шљаке; дување композита може побољшати уједначеност формирања завара уравнотежењем расподеле енергије кроз вишесмерни проток гаса.
Главне методе дувања укључују:
• Коаксијално дување: Проток гаса се избацује коаксијално са ласерским снопом, симетрично покривајући растопљени базен, погодно за брзо заваривање. Његова предност је висока стабилност процеса, али проток гаса може ометати фокусирање ласера. На пример, када се користи коаксијално дување на аутомобилском поцинкованом челичном лиму (1,2 мм), брзина заваривања може се повећати на 40 мм/с, а брзина прскања је мања од 0,1.
• Бочно дување: Проток гаса се уводи са стране растопљеног базена, што се може користити за усмерено уклањање плазме или нечистоћа са дна, погодно за заваривање дубоким продирањем. На пример, приликом дувања на челик Q345 дебљине 12 мм под углом од 30°, продирање завара се повећава за 18%, а стопа порозности дна се смањује са 4% на 0,8%.
• Композитно дување: Комбиновањем коаксијалног и бочног дувања, може се истовремено сузбити оксидација и сметње плазме. На пример, за легуру алуминијума 6061 дебљине 3 мм са дизајном са двоструком млазницом, стопа порозности је смањена са 2,5% на 0,4%, а затезна чврстоћа достиже 95% основног материјала.
Утицај заштитног гаса на квалитет заваривања у основи произилази из његове регулације преноса енергије, термодинамике растопљеног базена и хемијских реакција:
1. Пренос енергије: Висока топлотна проводљивост хелијума убрзава хлађење растопљеног базена, смањујући ширину зоне утицаја топлоте (ЗТБ); ниска топлотна проводљивост аргона продужава време постојања растопљеног базена, што је корисно за површинско формирање танких плоча.
2. Стабилност растопљеног базена: Проток гаса утиче на проток растопљеног базена кроз силу смицања, а одговарајућа брзина протока може сузбити прскање; прекомерна брзина протока ће изазвати вртлог, што доводи до дефеката завара.
3. Хемијска заштита: Инертни гасови изолују кисеоник и спречавају оксидацију легирајућих елемената (као што су Cr, Al); активни гасови (као што је N₂) мењају својства завара кроз ојачавање чврстог раствора или формирање једињења, али концентрацију је потребно прецизно контролисати.
Време објаве: 09. април 2025.
