Tehnologija laserskega varjenjaZaradi visoke energijske gostote, nizkega vnosa toplote in brezkontaktnih lastnosti je zaščitni plin postal eden osrednjih procesov v sodobni precizni proizvodnji. Vendar pa težave, kot so oksidacija, poroznost in izgorevanje elementov, ki jih povzroča stik staljene taline z atmosfero med varjenjem, resno omejujejo mehanske lastnosti in življenjsko dobo varjenega šiva. Kot osrednji medij za nadzor varilnega okolja je treba izbiro vrste, pretoka in načina vpihovanja zaščitnega plina povezati z lastnostmi materiala (kot sta kemijska aktivnost, toplotna prevodnost) in debelino plošče.
Vrste zaščitnih plinov
Osnovna funkcija zaščitnih plinov je izolacija kisika, uravnavanje obnašanja staljene taline in izboljšanje učinkovitosti spajanja energije. Glede na njihove kemijske lastnosti lahko zaščitne pline razdelimo na inertne pline (argon, helij) in aktivne pline (dušik, ogljikov dioksid). Inertni plini imajo visoko kemijsko stabilnost in lahko učinkovito preprečijo oksidacijo staljene taline, vendar njihove znatne razlike v toplotno-fizikalnih lastnostih bistveno vplivajo na varilni učinek. Argon (Ar) ima na primer visoko gostoto (1,784 kg/m³) in lahko tvori stabilen premaz, vendar njegova nizka toplotna prevodnost (0,0177 W/m·K) vodi do počasnega hlajenja staljene taline in plitvega preboja varjenja. Nasprotno pa ima helij (He) osemkrat večjo toplotno prevodnost (0,1513 W/m·K) kot argon in lahko pospeši hlajenje staljene taline in poveča preboj varjenja, vendar je zaradi svoje nizke gostote (0,1785 kg/m³) nagnjen k uhajanju, kar zahteva večji pretok za ohranitev zaščitnega učinka. Aktivni plini, kot je dušik (N₂), lahko v nekaterih primerih povečajo trdnost zvara z utrjevanjem s trdno raztopino, vendar lahko prekomerna uporaba povzroči poroznost ali izločanje krhkih faz. Na primer, pri varjenju dupleksnega nerjavnega jekla lahko difuzija dušika v talino poruši fazno ravnovesje ferit/avstenit, kar povzroči zmanjšanje korozijske odpornosti.
Slika 1. Lasersko varjenje nerjavečega jekla 304L (zgoraj): zaščita s plinom Ar; (spodaj): zaščita s plinom N2
Z vidika procesnega mehanizma lahko visoka ionizacijska energija helija (24,6 eV) zavre učinek plazemske zaščite in poveča absorpcijo laserske energije, s čimer se poveča globina prodiranja. Medtem je nizka ionizacijska energija argona (15,8 eV) nagnjena k ustvarjanju plazemskih oblakov, kar zahteva defokusiranje ali pulzno modulacijo za zmanjšanje motenj. Poleg tega lahko kemična reakcija med aktivnimi plini in staljeno talino (kot je reakcija dušika s Cr v jeklu) spremeni sestavo zvara, zato je potrebna skrbna izbira glede na lastnosti materiala.
Primeri uporabe materialov:
• Jeklo: Pri varjenju tankih plošč (<3 mm) lahko argon zagotovi površinsko obdelavo, z debelino oksidne plasti le 0,5 μm za 1,5 mm varjeni šiv nizkoogljičnega jekla; pri debelih ploščah (>10 mm) je treba dodati majhno količino helija (He), da se poveča globina prodiranja.
• Nerjaveče jeklo: Zaščita z argonom lahko prepreči izgubo elementa Cr, saj vsebnost Cr v 3 mm debelem varu iz nerjavečega jekla 304 znaša 18,2 % in se približuje 18,5 % osnovne kovine; za dupleksno nerjavno jeklo je za uravnoteženje razmerja potrebna mešanica Ar-N₂ (N₂ ≤ 5 %). Študije so pokazale, da je pri uporabi mešanice Ar-2 % N₂ za 8 mm debelo dupleksno nerjavno jeklo 2205 razmerje med feritom in avstenitom stabilno pri 48:52, z natezno trdnostjo 780 MPa, kar je boljše od zaščite s čistim argonom (720 MPa).
• Aluminijeva zlitina: Tanka plošča (<3 mm): Visoka odbojnost aluminijevih zlitin vodi do nizke stopnje absorpcije energije, helij pa lahko s svojo visoko ionizacijsko energijo (24,6 eV) stabilizira plazmo. Raziskave kažejo, da ko je 2 mm debela aluminijeva zlitina 6061 zaščitena s helijem, globina prodiranja doseže 1,8 mm, kar je za 25 % več kot pri argonu, stopnja poroznosti pa je nižja od 1 %. Za debele plošče (>5 mm): Debele plošče iz aluminijeve zlitine zahtevajo visok vnos energije, mešanica helija in argona (He:Ar = 3:1) pa lahko uravnoteži tako globino prodiranja kot stroške. Na primer, pri varjenju 8 mm debelih plošč 5083 globina prodiranja pod zaščito mešanega plina doseže 6,2 mm, kar je za 35 % več kot pri čistem argonu, stroški varjenja pa se zmanjšajo za 20 %.
Opomba: Izvirno besedilo vsebuje nekaj napak in nedoslednosti. Predloženi prevod temelji na popravljeni in skladni različici besedila.
Vpliv pretoka argona
Pretok argona neposredno vpliva na sposobnost pokritosti s plinom in dinamiko tekočine v staljeni talini. Ko je pretok nezadosten, plinska plast ne more popolnoma izolirati zraka, rob staljene taline pa je nagnjen k oksidaciji in nastanku plinskih por; ko je pretok previsok, lahko povzroči turbulenco, ki lahko obriše površino staljene taline in povzroči depresijo varjenja ali brizganje. Glede na Reynoldsovo število mehanike tekočin (Re = ρvD/μ) povečanje pretoka poveča hitrost pretoka plina. Ko je Re > 2300, se laminarni tok spremeni v turbulentni tok, kar uniči stabilnost staljene taline. Zato je treba določitev kritične hitrosti pretoka analizirati s poskusi ali numeričnimi simulacijami (kot je CFD).
Slika 2. Vpliv različnih pretokov plina na varilni šiv
Optimizacijo pretoka je treba prilagoditi v kombinaciji s toplotno prevodnostjo materiala in debelino plošče:
• Za jeklo in nerjaveče jeklo: Za tanke jeklene plošče (1–2 mm) je pretok po možnosti 10–15 l/min. Za debele plošče (> 6 mm) ga je treba povečati na 18–22 l/min, da se prepreči oksidacija repov. Na primer, ko je pretok 6 mm debelega nerjavečega jekla 316L 20 l/min, se enakomernost trdote v HAZ izboljša za 30 %.
• Za aluminijeve zlitine: Visoka toplotna prevodnost zahteva visok pretok za podaljšanje časa zaščite. Pri 3 mm debeli aluminijevi zlitini 7075 je stopnja poroznosti najnižja (0,3 %) pri pretoku 25–30 l/min. Vendar pa je pri ultra debelih ploščah (> 10 mm) potrebno kombinirati s kompozitnim vpihovanjem, da se prepreči turbulenca.
Vpliv načina vpihovanja plina
Način vpihovanja plina neposredno vpliva na vzorec toka staljene talilnice in učinek zatiranja napak z nadzorom smeri in porazdelitve toka plina. Način vpihovanja plina uravnava pretok staljene talilnice s spreminjanjem gradienta površinske napetosti in Marangonijevega toka (Marangonijev tok). Bočno vpihovanje lahko povzroči, da staljena talilnica teče v določeni smeri, kar zmanjša pore in vključke žlindre; vpihovanje kompozita lahko izboljša enakomernost nastanka zvara z uravnoteženjem porazdelitve energije z večsmernim tokom plina.
Glavne metode pihanja vključujejo:
• Koaksialno vpihovanje: Pretok plina se izpušča koaksialno z laserskim žarkom in simetrično pokriva talino, kar je primerno za varjenje pri visokih hitrostih. Njegova prednost je visoka stabilnost procesa, vendar lahko pretok plina moti lasersko fokusiranje. Na primer, pri uporabi koaksialnega vpihovanja na pocinkani jekleni pločevini za avtomobilsko industrijo (1,2 mm) se lahko hitrost varjenja poveča na 40 mm/s, hitrost brizganja pa je manjša od 0,1.
• Bočno vpihovanje: Tok plina se uvaja s strani staljenega bazena, kar se lahko uporabi za usmerjeno odstranjevanje plazme ali nečistoč na dnu, kar je primerno za varjenje z globokim prodiranjem. Na primer, pri vpihovanju 12 mm debelega jekla Q345 pod kotom 30° se prodiranje zvara poveča za 18 %, stopnja poroznosti na dnu pa se zmanjša s 4 % na 0,8 %.
• Kompozitno vpihovanje: Kombinacija koaksialnega in bočnega vpihovanja lahko hkrati prepreči oksidacijo in motnje plazme. Na primer, pri 3 mm debeli aluminijevi zlitini 6061 z dvojno šobo se stopnja poroznosti zmanjša z 2,5 % na 0,4 %, natezna trdnost pa doseže 95 % osnovnega materiala.
Vpliv zaščitnega plina na kakovost varjenja v osnovi izhaja iz njegove regulacije prenosa energije, termodinamike staljene taline in kemijskih reakcij:
1. Prenos energije: Visoka toplotna prevodnost helija pospeši hlajenje staljene talilne mase, kar zmanjša širino območja vpliva toplote (HAZ); nizka toplotna prevodnost argona podaljša čas obstoja staljene talilne mase, kar je koristno za površinsko tvorbo tankih plošč.
2. Stabilnost staljene talilne mase: Pretok plina vpliva na pretok staljene talilne mase s strižno silo, ustrezna hitrost pretoka pa lahko prepreči brizganje; prekomerna hitrost pretoka povzroči vrtinec, kar vodi do napak v varjenju.
3. Kemična zaščita: Inertni plini izolirajo kisik in preprečujejo oksidacijo elementov zlitin (kot sta Cr, Al); aktivni plini (kot je N₂) spreminjajo lastnosti zvara z utrjevanjem trdne raztopine ali tvorbo spojin, vendar je treba koncentracijo natančno nadzorovati.
Čas objave: 9. april 2025
