تأثیر پارامترهای گاز محافظ بر فرآیند جوشکاری لیزری

01

پیشگفتار

به دلیل چگالی انرژی بالا، ورودی حرارت کم و ماهیت غیر تماسی، فناوری جوش لیزری به عنوان یکی از فرآیندهای اصلی در تولید دقیق مدرن ظاهر شده است. با این حال، مسائلی مانند اکسیداسیون، تخلخل، و سوختگی عنصری-خروج-ناشی از تماس بین حوضچه جوش و اتمسفر در طول فرآیند جوشکاری{4}}به‌شدت خواص مکانیکی و عمر مفید درزهای جوش را محدود می‌کند. به عنوان محیط حیاتی برای کنترل محیط جوشکاری، انتخاب نوع گاز محافظ، سرعت جریان و روش تحویل باید به دقت با ویژگی‌های خاص مواد (مانند واکنش‌پذیری شیمیایی و هدایت حرارتی) و ضخامت قطعه کار همراه شود.

پردازش پرتو لیزر و الکترونی

02

انواع گازهای محافظ

عملکرد اصلی یک گاز محافظ جداسازی اکسیژن، تنظیم رفتار حوضچه جوش و افزایش کارایی جفت انرژی است. بر اساس خواص شیمیایی، گازهای محافظ را می توان به طور کلی به گازهای بی اثر (مانند آرگون و هلیوم) و گازهای فعال (مانند نیتروژن و دی اکسید کربن) طبقه بندی کرد. گازهای بی اثر پایداری شیمیایی بالایی دارند و به طور موثر از اکسیداسیون حوضچه جوش جلوگیری می کنند. با این حال، تفاوت های قابل توجه در خواص ترموفیزیکی آنها می تواند عمیقا بر نتیجه جوش تاثیر بگذارد. به عنوان مثال، آرگون (Ar) دارای چگالی بالا (1.784 کیلوگرم بر متر مکعب) است که آن را قادر می سازد یک پوشش محافظ پایدار بر روی حوضچه جوش تشکیل دهد. برعکس، هدایت حرارتی پایین آن (0.0177 W/m·K) منجر به خنک‌کردن حوضچه جوش کندتر و عمق نفوذ کم‌تر می‌شود. در مقابل، هلیوم (He) رسانایی حرارتی تقریباً هشت برابر آرگون (0.1513 W/m·K) از خود نشان می‌دهد، در نتیجه خنک شدن حوضچه جوش را تسریع می‌کند و عمق نفوذ را افزایش می‌دهد. با این حال، چگالی کم آن (0.1785 کیلوگرم بر متر مکعب) آن را مستعد پراکندگی سریع می‌کند و برای حفظ محافظ مؤثر، نیاز به نرخ جریان بالاتری دارد. گازهای فعال-مانند نیتروژن (N2){10}}در برخی کاربردها می‌توانند استحکام درز جوش را از طریق تقویت محلول جامد{11}}افزایش دهند. با این حال، استفاده بیش از حد از آنها ممکن است منجر به تخلخل یا رسوب فازهای شکننده شود. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری فولادهای ضد زنگ دوبلکس، انحلال نیتروژن در حوضچه جوش می تواند تعادل فاز فریت{13}}آستنیت را مختل کند و در نتیجه مقاومت به خوردگی کاهش یابد.

از منظر مکانیسم های فرآیند، انرژی یونیزاسیون بالای هلیم (24.6 eV) اثر محافظ پلاسما را سرکوب می کند و جذب انرژی لیزر را افزایش می دهد و در نتیجه عمق نفوذ را افزایش می دهد. برعکس، انرژی یونیزاسیون کم آرگون (15.8 eV) تمایل به تولید یک توده پلاسما دارد که استفاده از تکنیک‌هایی مانند فوکوس زدایی یا مدولاسیون پالس را برای کاهش تداخل ضروری می‌کند. علاوه بر این، واکنش‌های شیمیایی بین گازهای محافظ فعال و حوضچه مذاب-مثل تشکیل نیتریدها از طریق واکنش نیتروژن با کروم در فولاد-ممکن است ترکیب جوش را تغییر دهد. بنابراین، انتخاب گاز محافظ باید با احتیاط و با در نظر گرفتن خواص خاص مواد انجام شود.

**نمونه های کاربرد مواد:**

• **فولاد:** در جوشکاری صفحات نازک (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 میلی متر)، با این حال، برای افزایش عمق نفوذ، مقدار کمی هلیوم (He) مورد نیاز است.

• **فولاد ضد زنگ:** محافظ آرگون از کاهش محتوای کروم (Cr) جلوگیری می کند. در یک جوش روی فولاد ضد زنگ 304 ضخامت 3 میلی متر، محتوای کروم به 18.2٪ می رسد (نزدیک به 18.5٪ فلز پایه). از سوی دیگر، فولادهای ضد زنگ دوبلکس، برای حفظ نسبت فاز متعادل، به مخلوط Ar{5}}N2 (با N2 کمتر یا مساوی 5٪) نیاز دارند. مطالعات نشان می‌دهد که هنگام جوشکاری فولاد ضد زنگ دوبلکس 2205 با ضخامت 8 میلی‌متر با استفاده از مخلوط Ar{11}}2%N2، نسبت فاز فریت-به{16}}آستنیت در 48:52 تثبیت می‌شود و استحکام کششی 780 مگاپاسکال با مقاومت 2% MPa را به دست می‌آورد.

• **آلیاژهای آلومینیوم:** *صفحات نازک (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 میلی متر): * جوشکاری صفحات آلومینیومی ضخیم نیاز به انرژی ورودی بالایی دارد. مخلوط هلیم-آرگون (He:Ar=3:1) تعادلی بین دستیابی به عمق نفوذ کافی و مدیریت هزینه‌ها ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری صفحات 5083 با ضخامت 8 میلی‌متر، محافظت با این مخلوط منجر به عمق نفوذ 6.2 میلی‌متر می‌شود{8}35% نسبت به آرگون خالص بهبود می‌یابد{10}}در حالی که به طور همزمان هزینه‌های جوشکاری را تا 20% کاهش می‌دهد.