تاثیر پارامترهای گاز محافظ بر فرآیند جوشکاری لیزری

تاثیر پارامترهای گاز محافظ بر فرآیند جوشکاری لیزری

01 مقدمه

فناوری جوش لیزری به دلیل چگالی انرژی بالا، ورودی حرارت کم و ویژگی‌های غیرتماسی، به یکی از فرآیندهای اصلی در تولید دقیق مدرن تبدیل شده است. با این حال، اکسیداسیون، تخلخل و از دست دادن عنصر ناشی از تماس بین حوضچه مذاب و اتمسفر در طول جوشکاری به طور جدی خواص مکانیکی و عمر مفید جوش را محدود می کند. گاز محافظ به عنوان محیط اصلی برای کنترل محیط جوشکاری، باید بر اساس نوع، دبی و روش دمش، در ترکیب با ویژگی های مواد (مانند واکنش شیمیایی و هدایت حرارتی) و ضخامت صفحه انتخاب شود.

پردازش پرتو لیزر و الکترونی

02 انواع گاز محافظ

نقش اصلی گاز محافظ جداسازی اکسیژن، تنظیم رفتار حوضچه مذاب و بهبود کارایی جفت انرژی است. بر اساس خواص شیمیایی، گازهای محافظ به گازهای بی اثر (آرگون، هلیوم) و گازهای فعال (نیتروژن، دی اکسید کربن) طبقه بندی می شوند. گازهای بی اثر پایداری شیمیایی بالایی دارند و به طور موثری از اکسیداسیون حوضچه مذاب جلوگیری می کنند، اما تفاوت های ترموفیزیکی آنها به طور قابل توجهی بر نتایج جوشکاری تأثیر می گذارد.

به عنوان مثال، آرگون (Ar) چگالی بالایی دارد (784/1 کیلوگرم بر مترمربع)، یک لایه پوششی پایدار را تشکیل می‌دهد، اما هدایت حرارتی پایین آن (0.0177 W/m·K) خنک‌شدن را کند می‌کند و منجر به نفوذ کم عمق می‌شود. در مقابل، هلیوم (He) دارای رسانایی حرارتی 8 برابر بیشتر (0.1513 W/m·K)، خنک‌سازی و افزایش عمق نفوذ است، اما چگالی کم آن (0.1785 کیلوگرم بر متر مکعب) باعث می‌شود که به راحتی از آن خارج شود و به جریان بالاتری برای حفظ حفاظت نیاز دارد.

گازهای فعال، مانند نیتروژن (N2)، می‌توانند استحکام جوش را از طریق تقویت محلول جامد-در برخی موارد بهبود بخشند، اما استفاده بیش از حد ممکن است باعث ایجاد تخلخل یا رسوب فاز شکننده شود. به عنوان مثال، نفوذ نیتروژن به حوضچه مذاب در طول جوشکاری فولاد ضد زنگ دوبلکس ممکن است تعادل فاز فریت/آستنیت را مختل کند و مقاومت به خوردگی را کاهش دهد.

[تصویر: شکل 1. جوشکاری لیزری 304L فولاد ضد زنگ، (بالا) حفاظت Ar; (پایین) محافظت N2]

از منظر مکانیسم فرآیند، انرژی یونیزاسیون بالای هلیوم (24.6 eV) محافظ پلاسما را سرکوب می کند و جذب و نفوذ انرژی لیزر را افزایش می دهد. آرگون، با انرژی یونیزاسیون کمتر (15.8 eV)، به راحتی ابرهای پلاسما تولید می کند، که برای کاهش تداخل، نیاز به تغییر تمرکز یا مدولاسیون پالس دارد. علاوه بر این، گازهای فعال ممکن است از نظر شیمیایی با حوضچه مذاب واکنش دهند (به عنوان مثال، نیترید N2 با کروم در فولاد تشکیل می دهد)، ترکیب جوش را تغییر داده و انتخاب محتاطانه را ضروری می کند.

نمونه های کاربرد مواد:
- فولاد: برای ورق های نازک (<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 میلی متر)، افزودن هلیوم باعث بهبود نفوذ می شود.
- فولاد ضد زنگ: حفاظت آرگون از هدر رفتن کروم جلوگیری می‌کند. در فولاد زنگ نزن 304 با ضخامت 3 میلی متر، محتوای کروم در جوش به 18.2٪ (نزدیک به 18.5٪ در فلز پایه) می رسد. فولاد ضد زنگ دوبلکس به مخلوط‌های Ar-N2 (N2 کمتر یا مساوی 5%) برای تعادل فاز نیاز دارد. تحقیقات نشان می دهد که با ضخامت 8 میلی متر فولاد ضد زنگ 2205 دوبلکس، Ar-2% N2 نسبت فریت/آستنیت 48:52 و استحکام کششی 780 مگاپاسکال را حفظ می کند، بهتر از Ar خالص (720 مگاپاسکال).
- آلیاژهای آلومینیوم: برای ورق های نازک (<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 میلی‌متر)، مخلوط‌های او{1}}Ar (3:1) نفوذ و هزینه را متعادل می‌کنند. به عنوان مثال، جوشکاری صفحه 5083 با ضخامت 8 میلی‌متر با گاز مخلوط، نفوذ 6.2 میلی‌متری را به دست آورد، 35 درصد عمیق‌تر از Ar خالص، در حالی که هزینه را 20 درصد کاهش داد.

پردازش پرتو لیزر و الکترونی

03 تأثیر نرخ جریان گاز محافظ

نرخ جریان گاز محافظ مستقیماً بر قابلیت پوشش و دینامیک سیال استخر مذاب تأثیر می گذارد. جریان ناکافی هوا را به طور کامل جدا نمی کند و منجر به اکسیداسیون و تخلخل می شود. جریان بیش از حد ممکن است باعث تلاطم شود، حوضچه مذاب را شسته و باعث فرورفتگی یا پاشش شود. با توجه به عدد رینولدز (Re=ρvD/μ)، جریان بالاتر سرعت را افزایش می‌دهد و زمانی که Re > 2300 باشد، جریان آرام به تلاطم تبدیل می‌شود و حوضچه مذاب را بی‌ثبات می‌کند. بنابراین، دبی بحرانی باید به صورت تجربی یا با شبیه سازی CFD تعیین شود.

[تصویر: شکل 2. تاثیر نرخ های مختلف جریان گاز محافظ بر روی جوش]

بهینه سازی جریان باید هدایت حرارتی و ضخامت صفحه را در نظر بگیرد:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 میلی متر)، 18-22 لیتر در دقیقه برای سرکوب اکسیداسیون مورد نیاز است. به عنوان مثال، با ضخامت 6 میلی متر فولاد ضد زنگ 316L، 20 لیتر در دقیقه یکنواختی سختی HAZ را تا 30 درصد بهبود بخشید.
- 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 میلی متر، دمیدن مرکب برای جلوگیری از تلاطم ضروری است.

پردازش پرتو لیزر و الکترونی

04 تأثیر روشهای دمیدن گاز محافظ

روش دمیدن، با کنترل جهت و توزیع جریان هوا، مستقیماً بر جریان استخر مذاب و سرکوب عیب تأثیر می گذارد. این شیب کشش سطحی و جریان مارانگونی را تغییر می دهد و در نتیجه دینامیک استخر مذاب را تنظیم می کند. دمیدن جانبی جریان جهت دار را القا می کند، تخلخل و آخال ها را کاهش می دهد، در حالی که دمیدن مرکب توزیع انرژی را متعادل می کند و یکنواختی جوش را بهبود می بخشد.

[تصویر: شکل 3. تاثیر روش های مختلف دمیدن بر روی جوش]

روش های اصلی دمیدن:
- دمیدن کواکسیال: جریان هوا با پرتو لیزر هم محور است و به طور متقارن حوضچه مذاب را می پوشاند و برای جوشکاری با سرعت بالا- مناسب است. پایداری فرآیند بالا را تضمین می کند اما ممکن است در تمرکز لیزر تداخل ایجاد کند. به عنوان مثال، با فولاد گالوانیزه 1.2 میلی متری خودرو، دمش کواکسیال سرعت جوش را با پاشش به 40 میلی متر بر ثانیه افزایش داد.<0.1.
- ساید-دمیدن: جریان هوا از کنار وارد می‌شود، به طور موثر پلاسما و ناخالصی‌ها را پاک می‌کند، مناسب برای جوشکاری با نفوذ عمیق. برای فولاد Q345 با ضخامت 12 میلی‌متر در دمیدن 30 درجه، نفوذ 18 درصد افزایش یافت و تخلخل از 4 درصد به 0.8 درصد کاهش یافت.
- دمیدن ترکیبی: با ترکیب دمیدن کواکسیال و جانبی-، به طور همزمان اکسیداسیون و تداخل پلاسما را سرکوب می‌کند. برای آلیاژ آلومینیوم 6061 با ضخامت 3 میلی‌متر با طراحی نازل دوگانه، تخلخل از 2.5٪ به 0.4٪ کاهش یافت، با استحکام کششی به 95٪ از ماده پایه رسید.

05 نتیجه گیری

تأثیر گاز محافظ بر کیفیت جوش اساساً از تنظیم انتقال انرژی، ترمودینامیک حوضچه مذاب و واکنش‌های شیمیایی ناشی می‌شود:
1. انتقال انرژی: هدایت حرارتی بالای هلیوم خنک شدن را تسریع می کند و عرض HAZ را کاهش می دهد. رسانایی کم آرگون طول عمر استخر مذاب را طولانی می کند و به شکل گیری ورق نازک کمک می کند.
2. پایداری استخر مذاب: برش جریان هوا بر جریان استخر مذاب تأثیر می گذارد. جریان مناسب پاشش را سرکوب می کند، در حالی که جریان بیش از حد باعث ایجاد گرداب و نقص می شود.
3. حفاظت شیمیایی: گازهای بی اثر اکسیژن را جدا می کنند و از اکسید شدن عناصر آلیاژی (مانند کروم، Al) جلوگیری می کنند. گازهای فعال (به عنوان مثال، N2) از طریق تقویت محلول جامد یا تشکیل ترکیب، خواص جوش را تغییر می دهند، اما نیاز به کنترل دقیق دارند.

پردازش پرتو لیزر و الکترونی

منبع: جمع آوری شده توسط تیم تحریریه حساب عمومی WeChat "تکنولوژی و برنامه های پردازش پرتو انرژی بالا".