Lāzera metināšanas tehnoloģijaPateicoties augstajam enerģijas blīvumam, zemajai siltuma ievadei un bezkontakta īpašībām, tas ir kļuvis par vienu no galvenajiem procesiem mūsdienu precīzās ražošanas procesā. Tomēr tādas problēmas kā oksidēšanās, porainība un elementu izdegšana, ko metināšanas laikā izraisa izkausētā metāla saskare ar atmosfēru, nopietni ierobežo metinājuma šuves mehāniskās īpašības un kalpošanas laiku. Aizsarggāzes veida, plūsmas ātruma un pūšanas režīma izvēlei kā galvenajai vielai metināšanas vides kontrolei jābūt saistītai ar materiāla īpašībām (piemēram, ķīmisko aktivitāti, siltumvadītspēju) un plāksnes biezumu.
Aizsarggāzu veidi
Aizsarggāzu galvenā funkcija ir skābekļa izolēšana, izkausētās vielas uzvedības regulēšana un enerģijas savienošanas efektivitātes uzlabošana. Pamatojoties uz to ķīmiskajām īpašībām, aizsarggāzes var iedalīt inertajās gāzēs (argons, hēlijs) un aktīvajās gāzēs (slāpeklis, oglekļa dioksīds). Inertajām gāzēm ir augsta ķīmiskā stabilitāte, un tās var efektīvi novērst izkausētās vielas oksidēšanos, taču to būtiskās atšķirības termiski fizikālajās īpašībās būtiski ietekmē metināšanas efektu. Piemēram, argonam (Ar) ir augsts blīvums (1,784 kg/m³) un tas var veidot stabilu pārklājumu, taču tā zemā siltumvadītspēja (0,0177 W/m·K) noved pie lēnas izkausētās vielas atdzišanas un seklākas metināšanas iespiešanās. Turpretī hēlijam (He) ir astoņas reizes augstāka siltumvadītspēja (0,1513 W/m·K) nekā argonam, un tas var paātrināt izkausētās vielas atdzišanu un palielināt metināšanas iespiešanos, taču tā zemais blīvums (0,1785 kg/m³) padara to viegli noplūstošu, un aizsargefekta saglabāšanai ir nepieciešams lielāks plūsmas ātrums. Aktīvās gāzes, piemēram, slāpeklis (N₂), noteiktos apstākļos var uzlabot metināšanas stiprību, pastiprinot cieto šķīdumu, taču pārmērīga to lietošana var izraisīt porainību vai trauslu fāžu nogulsnēšanos. Piemēram, metinot dupleksa nerūsējošo tēraudu, slāpekļa difūzija izkausētajā vannā var izjaukt ferīta/austenīta fāžu līdzsvaru, kā rezultātā samazinās izturība pret koroziju.
1. attēls. 304L nerūsējošā tērauda lāzermetināšana (augšā): Ar gāzes ekranēšana; (apakšā): N2 gāzes ekranēšana
No procesa mehānisma viedokļa hēlija augstā jonizācijas enerģija (24,6 eV) var nomākt plazmas ekranēšanas efektu un uzlabot lāzera enerģijas absorbciju, tādējādi palielinot iespiešanās dziļumu. Tikmēr argona zemā jonizācijas enerģija (15,8 eV) ir pakļauta plazmas mākoņu veidošanai, kam nepieciešama defokusēšana vai impulsa modulācija, lai samazinātu traucējumus. Turklāt ķīmiskā reakcija starp aktīvajām gāzēm un izkausēto masu (piemēram, slāpekļa reakcija ar Cr tēraudā) var mainīt metinājuma sastāvu, un ir nepieciešama rūpīga izvēle, pamatojoties uz materiāla īpašībām.
Materiālu pielietojuma piemēri:
• Tērauds: Plānu plākšņu (<3 mm) metināšanā argons var nodrošināt virsmas apdari, un oksīda slāņa biezums 1,5 mm zema oglekļa satura tērauda metinājuma šuvei ir tikai 0,5 μm; biezām plāksnēm (>10 mm) jāpievieno neliels daudzums hēlija (He), lai palielinātu iespiešanās dziļumu.
• Nerūsējošais tērauds: Argona aizsardzība var novērst Cr elementa zudumu, ja Cr saturs 3 mm biezā 304 nerūsējošā tērauda metinājuma šuvē ir 18,2%, kas tuvojas 18,5% no pamatmetāla; dupleksa nerūsējošajam tēraudam ir nepieciešams Ar-N₂ maisījums (N₂ ≤ 5%), lai līdzsvarotu šo attiecību. Pētījumi liecina, ka, lietojot Ar-2% N₂ maisījumu 8 mm biezam 2205 dupleksa nerūsējošajam tēraudam, ferīta/austenīta attiecība ir stabila 48:52, ar stiepes izturību 780 MPa, kas ir pārāka par tīra argona aizsardzību (720 MPa).
• Alumīnija sakausējums: Plāna plāksne (<3 mm): Alumīnija sakausējumu augstā atstarošanas spēja nodrošina zemu enerģijas absorbcijas ātrumu, un hēlijs ar savu augsto jonizācijas enerģiju (24,6 eV) var stabilizēt plazmu. Pētījumi liecina, ka, aizsargājot 2 mm biezu 6061 alumīnija sakausējumu ar hēliju, iespiešanās dziļums sasniedz 1,8 mm, kas ir par 25 % vairāk nekā argonam, un porainības līmenis ir zemāks par 1 %. Biezām plāksnēm (>5 mm): Alumīnija sakausējuma biezām plāksnēm ir nepieciešama liela enerģijas padeve, un hēlija-argona maisījums (He:Ar = 3:1) var līdzsvarot gan iespiešanās dziļumu, gan izmaksas. Piemēram, metinot 8 mm biezas 5083 plāksnes, iespiešanās dziļums jauktas gāzes aizsardzībā sasniedz 6,2 mm, kas ir par 35 % vairāk nekā tīra argona gāze, un metināšanas izmaksas samazinās par 20 %.
Piezīme: Oriģināltekstā ir dažas kļūdas un pretrunas. Tulkojums ir balstīts uz laboto un saskaņoto teksta versiju.
Argona gāzes plūsmas ātruma ietekme
Argona gāzes plūsmas ātrums tieši ietekmē gāzes pārklājuma spēju un izkausētās šuves šķidruma dinamiku. Ja plūsmas ātrums ir nepietiekams, gāzes slānis nevar pilnībā izolēt gaisu, un izkausētās šuves mala ir pakļauta oksidācijai un gāzes poru veidošanās procesam; ja plūsmas ātrums ir pārāk liels, tas var izraisīt turbulenci, kas var izskalot izkausētās šuves virsmu un izraisīt metināšanas ieplaku vai šļakatas. Saskaņā ar šķidrumu mehānikas Reinoldsa skaitli (Re = ρvD/μ), plūsmas ātruma palielināšanās palielinās gāzes plūsmas ātrumu. Ja Re > 2300, laminārā plūsma pārvēršas turbulentā plūsmā, kas iznīcinās izkausētās šuves stabilitāti. Tāpēc kritiskā plūsmas ātruma noteikšana ir jāanalizē, izmantojot eksperimentus vai skaitliskas simulācijas (piemēram, CFD).
2. attēls. Dažādu gāzes plūsmas ātrumu ietekme uz metinājuma šuvi
Plūsmas optimizācija jāpielāgo kombinācijā ar materiāla siltumvadītspēju un plātnes biezumu:
• Tēraudam un nerūsējošajam tēraudam: plānām tērauda plāksnēm (1–2 mm) plūsmas ātrums vēlams ir 10–15 l/min. Biezām plāksnēm (>6 mm) tas jāpalielina līdz 18–22 l/min, lai nomāktu astes oksidēšanos. Piemēram, ja 6 mm bieza 316L nerūsējošā tērauda plūsmas ātrums ir 20 l/min, HAZ cietības vienmērīgums uzlabojas par 30 %.
• Alumīnija sakausējumam: Augsta siltumvadītspēja prasa lielu plūsmas ātrumu, lai pagarinātu aizsardzības laiku. 3 mm biezam 7075 alumīnija sakausējumam porainības līmenis ir viszemākais (0,3%), ja plūsmas ātrums ir 25–30 L/min. Tomēr īpaši biezām plāksnēm (>10 mm) ir nepieciešams apvienot ar kompozītmateriālu pūšanu, lai izvairītos no turbulences.
Pūšanas gāzes režīma ietekme
Pūšanas gāzes režīms tieši ietekmē kausējuma baseina plūsmas modeli un defektu slāpēšanas efektu, kontrolējot gāzes plūsmas virzienu un sadalījumu. Pūšanas gāzes režīms regulē kausējuma baseina plūsmu, mainot virsmas spraiguma gradientu un Marangoni plūsmu (Marangoni plūsma). Sānu pūšana var izraisīt kausējuma baseina plūsmu noteiktā virzienā, samazinot poras un izdedžu iekļaušanu; kompozītmateriālu pūšana var uzlabot metinājuma veidošanās vienmērīgumu, līdzsvarojot enerģijas sadalījumu, izmantojot daudzvirzienu gāzes plūsmu.
Galvenās pūšanas metodes ir šādas:
• Koaksiālā pūšana: gāzes plūsma tiek izvadīta koaksiāli ar lāzera staru, simetriski pārklājot izkausēto vannu, kas ir piemērota ātrgaitas metināšanai. Tās priekšrocība ir augsta procesa stabilitāte, taču gāzes plūsma var traucēt lāzera fokusēšanu. Piemēram, izmantojot koaksiālo pūšanu uz automobiļu cinkota tērauda loksnes (1,2 mm), metināšanas ātrumu var palielināt līdz 40 mm/s, un šļakatu ātrums ir mazāks par 0,1.
• Sānu pūšana: Gāzes plūsma tiek ievadīta no izkausētās šuves sāniem, ko var izmantot, lai virzītu plazmas vai apakšējās daļas piemaisījumu noņemšanu, kas ir piemērota dziļas iespiešanās metināšanai. Piemēram, pūšot uz 12 mm bieza Q345 tērauda 30° leņķī, metinājuma iespiešanās palielinās par 18%, un apakšējās daļas porainības līmenis samazinās no 4% līdz 0,8%.
• Kompozītmateriālu pūšana: apvienojot koaksiālo un sānu pūšanu, var vienlaikus nomākt oksidēšanos un plazmas interferenci. Piemēram, 3 mm biezam 6061 alumīnija sakausējumam ar dubultās sprauslas konstrukciju porainības līmenis samazinās no 2,5% līdz 0,4%, un stiepes izturība sasniedz 95% no pamatmateriāla.
Aizsarggāzes ietekme uz metināšanas kvalitāti galvenokārt izriet no tās enerģijas pārneses regulēšanas, izkausētās vielas termodinamikas un ķīmiskajām reakcijām:
1. Enerģijas pārnešana: hēlija augstā siltumvadītspēja paātrina izkausētās masas atdzišanu, samazinot termiski ietekmētās zonas (HAZ) platumu; argona zemā siltumvadītspēja pagarina izkausētās masas pastāvēšanas laiku, kas ir labvēlīgi plānu plākšņu virsmas veidošanai.
2. Izkausētās vielas stabilitāte: Gāzes plūsma ietekmē izkausētās vielas plūsmu, izmantojot bīdes spēku, un atbilstošs plūsmas ātrums var nomākt šļakatas; pārmērīgs plūsmas ātrums radīs virpuļveida savienojumus, kas novedīs pie metinājuma defektiem.
3. Ķīmiskā aizsardzība: Inertās gāzes izolē skābekli un novērš sakausējuma elementu (piemēram, Cr, Al) oksidēšanos; aktīvās gāzes (piemēram, N₂) maina metināšanas īpašības, pastiprinot cieto šķīdumu vai veidojot savienojumus, taču koncentrācija ir precīzi jākontrolē.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 9. aprīlis
