01
Передмова
Завдяки високій щільності енергії, низькому нагріванню та без{0}}контактній природі технологія лазерного зварювання стала одним із основних процесів сучасного точного виробництва. Однак такі проблеми, як окислення, пористість і елементарне вигорання-від-внаслідок контакту між зварювальною ванною та атмосферою під час процесу зварювання-суттєво обмежують механічні властивості та термін служби зварних швів. Оскільки вибір типу захисного газу, швидкості потоку та способу подачі є критичним середовищем для контролю зварювального середовища, необхідно ретельно поєднувати його з конкретними характеристиками матеріалу (такими як хімічна реактивність і теплопровідність) і товщиною заготовки.
Лазерна та електронно-променева обробка
02
Види захисних газів
Основною функцією захисного газу є виділення кисню, регулювання поведінки зварювальної ванни та підвищення ефективності передачі енергії. За хімічними властивостями захисні гази можна розділити на інертні гази (такі як аргон і гелій) і активні гази (такі як азот і вуглекислий газ). Інертні гази мають високу хімічну стабільність, ефективно перешкоджаючи окисленню зварювальної ванни; однак значні відмінності в їхніх теплофізичних властивостях можуть суттєво вплинути на результат зварювання. Наприклад, аргон (Ar) має високу щільність (1,784 кг/м³), що дозволяє йому утворювати стабільний захисний шар над зварювальною ванною; навпаки, його низька теплопровідність (0,0177 Вт/м·K) призводить до повільнішого охолодження зварювальної ванни та меншої глибини проплавлення. Навпаки, гелій (He) демонструє теплопровідність приблизно у вісім разів більшу, ніж у аргону (0,1513 Вт/м·К), таким чином прискорюючи охолодження зварювальної ванни та збільшуючи глибину проплавлення; однак його низька щільність (0,1785 кг/м³) робить його схильним до швидкого розсіювання, що вимагає більшої швидкості потоку для підтримки ефективного екранування. Активні гази-такі як азот (N₂)-можуть, у певних випадках, підвищити міцність зварного шва за рахунок зміцнення-твердого розчину; однак їх надмірне використання може призвести до пористості або випадання крихких фаз. Наприклад, під час зварювання дуплексних нержавіючих сталей розчинення азоту у зварювальній ванні може порушити фазовий баланс фериту-аустеніту, що призведе до зниження стійкості до корозії.
З точки зору механізмів процесу, висока енергія іонізації гелію (24,6 еВ) пригнічує ефект екранування плазми та посилює поглинання лазерної енергії, тим самим збільшуючи глибину проникнення. І навпаки, низька енергія іонізації аргону (15,8 еВ) має тенденцію генерувати плазмовий шлейф, що вимагає використання таких методів, як розфокусування або імпульсна модуляція для пом’якшення перешкод. Крім того, хімічні реакції між активними захисними газами та розплавленою ванною-такі як утворення нітридів через реакцію азоту з хромом у сталі-можуть змінити склад зварного шва; тому вибір захисного газу повинен бути зроблений з обережністю, враховуючи специфічні властивості матеріалу.
**Приклади застосування матеріалів:**
• **Сталь:** При зварюванні тонких пластин (<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 мм), однак для збільшення глибини проникнення потрібна невелика добавка гелію (He).
• **Нержавіюча сталь:** аргоновий екран запобігає зниженню вмісту хрому (Cr); у зварному шві нержавіючої сталі 304 товщиною 3 мм вміст Cr досягає 18,2% (близько наближається до основного металу 18,5%). З іншого боку, дуплексні нержавіючі сталі потребують суміші Ar-N₂ (з N₂ менше або дорівнює 5%) для підтримки збалансованого співвідношення фаз. Дослідження показують, що під час зварювання дуплексної нержавіючої сталі 2205 товщиною 8 мм з використанням суміші Ar-2%N₂ співвідношення фаз фериту-до-аустеніту стабілізується на рівні 48:52, що забезпечує міцність на розрив 780 МПа, що перевищує міцність, досягнуту з екрануванням чистим аргоном (720 МПа).
• **Алюмінієві сплави:** *Тонкі пластини (<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 мм):* Зварювання товстих алюмінієвих пластин вимагає великих витрат енергії; суміш гелію-аргону (He:Ar=3:1) забезпечує баланс між досягненням достатньої глибини проникнення та управлінням витратами. Наприклад, під час зварювання пластин 5083 товщиною 8 мм екранування цією сумішшю забезпечує глибину проплавлення 6,2 мм-на 35 % у порівнянні з чистим аргоном-при одночасному зниженні витрат на зварювання на 20%.
