Vliv parametrů ochranného plynu na proces laserového svařování

Vliv parametrů ochranného plynu na proces laserového svařování

01 Úvod

Technologie laserového svařování se díky vysoké hustotě energie, nízkému tepelnému příkonu a bez{0}}dotykovým vlastnostem stala jedním z klíčových procesů moderní přesné výroby. Avšak oxidace, pórovitost a ztráta prvků způsobená kontaktem mezi tavnou lázní a atmosférou během svařování vážně omezují mechanické vlastnosti a životnost svarů. Ochranný plyn jako základní médium pro řízení svařovacího prostředí musí být zvolen na základě jeho typu, průtoku a způsobu foukání v kombinaci s materiálovými charakteristikami (jako je chemická reaktivita a tepelná vodivost) a tloušťkou plechu.

Zpracování laserem a elektronovým paprskem

02 Druhy ochranného plynu

Primární úlohou ochranného plynu je izolovat kyslík, regulovat chování roztavené lázně a zlepšovat účinnost spojování energie. Podle chemických vlastností se ochranné plyny dělí na inertní plyny (argon, helium) a aktivní plyny (dusík, oxid uhličitý). Inertní plyny mají vysokou chemickou stabilitu a účinně zabraňují oxidaci tavné lázně, ale jejich termofyzikální rozdíly významně ovlivňují výsledky svařování.

Například argon (Ar) má vysokou hustotu (1,784 kg/m³), tvoří stabilní krycí vrstvu, ale jeho nízká tepelná vodivost (0,0177 W/m·K) zpomaluje chlazení a vede k mělčímu pronikání. Na rozdíl od toho má helium (He) tepelnou vodivost 8krát vyšší (0,1513 W/m·K), zrychluje chlazení a zvyšuje hloubku průniku, ale jeho nízká hustota (0,1785 kg/m³) usnadňuje únik a vyžaduje vyšší průtok pro zachování ochrany.

Aktivní plyny, jako je dusík (N₂), mohou v některých případech zlepšit pevnost svaru prostřednictvím zpevnění pevného-roztoku, ale nadměrné používání může způsobit poréznost nebo precipitaci křehké fáze. Například infiltrace dusíku do roztavené lázně během duplexního svařování nerezové oceli může narušit rovnováhu ferit/austenit a snížit tak odolnost proti korozi.

[Obrázek: Obrázek 1. Laserové svařování Nerezová ocel 304L, (nahoře) Ar ochrana; (dole) N₂ ochrana]

Z hlediska procesního mechanismu vysoká ionizační energie helia (24,6 eV) potlačuje stínění plazmatu, čímž zvyšuje absorpci a penetraci laserové energie. Argon s nižší ionizační energií (15,8 eV) snadno generuje plazmové mraky, které vyžadují rozostření nebo pulzní modulaci ke snížení rušení. Kromě toho mohou aktivní plyny chemicky reagovat s roztavenou lázní (např. nitridy tvořící N2 s Cr v oceli), což mění složení svaru a vyžaduje pečlivý výběr.

Příklady použití materiálu:
- Ocel: Pro tenké plechy (<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 mm), přidání helia zlepšuje penetraci.
- Nerezová ocel: Argonová ochrana zabraňuje ztrátě Cr. V nerezové oceli 304 o tloušťce 3 mm dosahuje obsah Cr ve svaru 18,2 % (téměř 18,5 % v základním kovu). Duplexní nerezová ocel vyžaduje pro fázové vyvážení směsi Ar-N₂ (N₂ menší nebo rovno 5 %). Výzkum ukazuje, že s duplexní nerezovou ocelí 2205 o tloušťce 8 mm si Ar-2%N₂ zachovává poměr ferit/austenit 48:52 a pevnost v tahu 780 MPa, lepší než čistý Ar (720 MPa).
- Slitiny hliníku: Pro tenké plechy (<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 mm), směsi He-Ar (3:1) vyvažují penetraci a cenu. Například při svařování desky 5083 o tloušťce 8 mm se směsným plynem bylo dosaženo penetrace 6,2 mm, což je o 35 % hlouběji než u čistého Ar, přičemž náklady se snížily o 20 %.

Zpracování laserem a elektronovým paprskem

03 Vliv rychlosti průtoku ochranného plynu

Průtok ochranného plynu přímo ovlivňuje schopnost pokrytí a dynamiku kapaliny roztavené lázně. Nedostatečný průtok nedokáže plně izolovat vzduch, což vede k oxidaci a poréznosti. Nadměrný průtok může vyvolat turbulence, vymýt roztavenou lázeň a způsobit prohlubně nebo rozstřik. Podle Reynoldsova čísla (Re=ρvD/μ) vyšší proudění zvyšuje rychlost, a když Re > 2300, laminární proudění přechází do turbulence, což destabilizuje roztavenou lázeň. Kritický průtok musí být tedy stanoven experimentálně nebo pomocí CFD simulace.

[Obrázek: Obrázek 2. Vliv různých průtoků ochranného plynu na svary]

Optimalizace toku musí vzít v úvahu tepelnou vodivost a tloušťku desky:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), k potlačení oxidace je zapotřebí 18–22 l/min. Například u nerezové oceli 316L o tloušťce 6 mm zlepšilo 20 l/min rovnoměrnost tvrdosti HAZ o 30 %.
- 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 mm, je nutné foukání směsi, aby se zabránilo turbulencím.

Zpracování laserem a elektronovým paprskem

04 Vliv metod foukání ochranného plynu

Způsob foukání, řízením směru a distribuce proudění vzduchu, přímo ovlivňuje proudění roztavené lázně a potlačení defektů. Mění gradienty povrchového napětí a tok Marangoni, čímž reguluje dynamiku roztavené lázně. Boční-foukání indukuje směrový tok, snižuje poréznost a vměstky, zatímco kombinované foukání vyrovnává distribuci energie a zlepšuje rovnoměrnost svaru.

[Obrázek: Obrázek 3. Vliv různých metod foukání na svary]

Hlavní způsoby foukání:
- Koaxiální foukání: Proud vzduchu je koaxiální s laserovým paprskem, symetricky pokrývá roztavenou lázeň, vhodné pro vysokorychlostní-svařování. Zajišťuje vysokou stabilitu procesu, ale může rušit laserové zaostřování. Například u 1,2 mm galvanizované automobilové oceli zvýšilo koaxiální foukání rychlost svařování na 40 mm/s, s rozstřikem<0.1.
- Boční-foukání: Proud vzduchu vstupuje ze strany a účinně odstraňuje plazmu a nečistoty, vhodné pro svařování s hlubokým průvarem. U oceli Q345 o tloušťce 12 mm při bočním foukání- 30° se penetrace zvýšila o 18 % a pórovitost klesla ze 4 % na 0,8 %.
- Sdružené foukání: Kombinace koaxiálního a bočního foukání- současně potlačuje oxidaci a interferenci plazmy. U hliníkové slitiny 6061 o tloušťce 3 mm s duálním{5}}provedením trysek se pórovitost snížila z 2,5 % na 0,4 %, přičemž pevnost v tahu dosáhla 95 % základního materiálu.

05 Závěr

Vliv ochranného plynu na kvalitu svařování v podstatě pramení z jeho regulace přenosu energie, termodynamiky roztavené lázně a chemických reakcí:
1. Přenos energie: Vysoká tepelná vodivost helia urychluje chlazení a snižuje šířku HAZ; Nízká vodivost argonu prodlužuje životnost roztavené lázně a přispívá k vytváření tenkých plechů.
2. Stabilita roztavené lázně: Smyk proudění vzduchu ovlivňuje proudění roztavené lázně. Správné proudění potlačuje rozstřik, zatímco nadměrné proudění způsobuje víry a defekty.
3. Chemická ochrana: Inertní plyny izolují kyslík a zabraňují oxidaci slitinových prvků (např. Cr, Al). Aktivní plyny (např. N₂) mění vlastnosti svaru zpevňováním pevného-roztoku nebo tvorbou směsi, ale vyžadují přesnou kontrolu.

Zpracování laserem a elektronovým paprskem

Zdroj: Shromážděno redakčním týmem veřejného účtu WeChat „Technologie a aplikace High{0}}Energy Beam Processing“.