Lazerinio suvirinimo technologijaDėl didelio energijos tankio, mažo šilumos tiekimo ir nekontaktinių savybių tapo vienu iš pagrindinių šiuolaikinės tiksliosios gamybos procesų. Tačiau tokios problemos kaip oksidacija, poringumas ir elementų nudegimas, atsirandantys dėl išlydyto metalo sąlyčio su atmosfera suvirinimo metu, smarkiai riboja suvirinimo siūlės mechanines savybes ir tarnavimo laiką. Apsauginių dujų, kaip pagrindinės suvirinimo aplinkos kontrolės terpės, tipą, srauto greitį ir pūtimo režimą reikia derinti su medžiagos savybėmis (pvz., cheminiu aktyvumu, šilumos laidumu) ir plokštės storiu.
Apsauginių dujų tipai
Pagrindinė apsauginių dujų funkcija yra izoliuoti deguonį, reguliuoti išlydyto metalo telkinio elgseną ir gerinti energijos sujungimo efektyvumą. Remiantis jų cheminėmis savybėmis, apsaugines dujas galima suskirstyti į inertines dujas (argoną, helį) ir aktyviąsias dujas (azotą, anglies dioksidą). Inertinės dujos pasižymi dideliu cheminiu stabilumu ir gali veiksmingai užkirsti kelią išlydyto metalo telkinio oksidacijai, tačiau jų reikšmingi terminių fizikinių savybių skirtumai daro didelę įtaką suvirinimo efektui. Pavyzdžiui, argonas (Ar) turi didelį tankį (1,784 kg/m³) ir gali sudaryti stabilią dangą, tačiau mažas jo šilumos laidumas (0,0177 W/m·K) lemia lėtą išlydyto metalo telkinio aušimą ir negilų suvirinimo prasiskverbimą. Priešingai, helis (He) turi aštuonis kartus didesnį šilumos laidumą (0,1513 W/m·K) nei argonas ir gali pagreitinti išlydyto metalo telkinio aušimą bei padidinti suvirinimo prasiskverbimą, tačiau mažas jo tankis (0,1785 kg/m³) lemia, kad jis linkęs išbėgti, todėl apsauginiam poveikiui išlaikyti reikalingas didesnis srautas. Aktyviosios dujos, tokios kaip azotas (N₂), tam tikrais atvejais gali padidinti suvirinimo stiprumą, sustiprindamos kietąjį tirpalą, tačiau per didelis jų naudojimas gali sukelti poringumą arba trapių fazių iškritimą. Pavyzdžiui, suvirinant dupleksinį nerūdijantį plieną, azoto difuzija į išlydytą vonią gali sutrikdyti ferito / austenito fazių pusiausvyrą, todėl sumažėja atsparumas korozijai.
1 pav. 304L nerūdijančio plieno lazerinis suvirinimas (viršuje): Ar dujų ekranavimas; (apačioje): N2 dujų ekranavimas
Proceso mechanizmo požiūriu, didelė helio jonizacijos energija (24,6 eV) gali slopinti plazmos ekranavimo efektą ir padidinti lazerio energijos absorbciją, taip padidindama įsiskverbimo gylį. Tuo tarpu maža argono jonizacijos energija (15,8 eV) linkusi generuoti plazmos debesis, todėl interferencijai sumažinti reikalingas defokusavimas arba impulsų moduliavimas. Be to, cheminė reakcija tarp aktyviųjų dujų ir išlydyto metalo (pvz., azoto reakcija su chromu pliene) gali pakeisti suvirinimo sudėtį, todėl būtina atidžiai pasirinkti medžiagą, atsižvelgiant į jos savybes.
Medžiagų pritaikymo pavyzdžiai:
• Plienas: Suvirinant plonas plokštes (<3 mm), argonas gali užtikrinti paviršiaus apdailą, kai 1,5 mm storio mažai anglies turinčio plieno suvirinimo siūlės oksido sluoksnio storis yra tik 0,5 μm; storoms plokštėms (>10 mm) reikia įpilti nedidelį kiekį helio (He), kad padidėtų įsiskverbimo gylis.
• Nerūdijantis plienas: argono apsauga gali padėti išvengti Cr elemento praradimo, kai 3 mm storio 304 nerūdijančio plieno suvirinimo siūlėje Cr kiekis yra 18,2 % ir artėja prie 18,5 % bazinio metalo kiekio; dupleksiniam nerūdijančiam plienui santykiui subalansuoti reikalingas Ar-N₂ mišinys (N₂ ≤ 5 %). Tyrimai parodė, kad naudojant Ar-2 % N₂ mišinį 8 mm storio 2205 dupleksiniam nerūdijančiam plienui, ferito ir austenito santykis yra stabilus – 48:52, o tempiamasis stipris – 780 MPa, o tai yra geriau nei naudojant gryną argono apsaugą (720 MPa).
• Aliuminio lydinys: Plona plokštė (<3 mm): Dėl didelio aliuminio lydinių atspindžio maža energijos absorbcijos sparta, o helis, turintis didelę jonizacijos energiją (24,6 eV), gali stabilizuoti plazmą. Tyrimai rodo, kad kai 2 mm storio 6061 aliuminio lydinys yra apsaugotas heliu, prasiskverbimo gylis pasiekia 1,8 mm, t. y. padidėja 25 %, palyginti su argonu, o poringumo rodiklis yra mažesnis nei 1 %. Storoms plokštėms (>5 mm): Aliuminio lydinio storoms plokštėms reikia didelio energijos kiekio, o helio ir argono mišinys (He:Ar = 3:1) gali subalansuoti prasiskverbimo gylį ir sąnaudas. Pavyzdžiui, suvirinant 8 mm storio 5083 plokštes, prasiskverbimo gylis, naudojant mišrias dujas, siekia 6,2 mm, t. y. padidėja 35 %, palyginti su grynomis argono dujomis, o suvirinimo sąnaudos sumažėja 20 %.
Pastaba: originaliame tekste yra klaidų ir neatitikimų. Pateiktas vertimas pagrįstas pataisyta ir nuoseklia teksto versija.
Argono dujų srauto greičio įtaka
Argono dujų srauto greitis tiesiogiai veikia dujų padengimo galimybes ir išlydyto metalo telkinio skysčių dinamiką. Kai srauto greitis nepakankamas, dujų sluoksnis negali visiškai izoliuoti oro, o išlydyto metalo telkinio kraštas yra linkęs oksiduotis ir susidaryti dujų poroms; kai srauto greitis per didelis, gali atsirasti turbulencija, kuri gali nuplauti išlydyto metalo telkinio paviršių ir sukelti suvirinimo įdubimą arba taškymąsi. Pagal skysčių mechanikos Reinoldso skaičių (Re = ρvD/μ), padidinus srauto greitį, padidės ir dujų srauto greitis. Kai Re > 2300, laminarinis srautas virsta turbulentiniu srautu, kuris sunaikins išlydyto metalo telkinio stabilumą. Todėl kritinio srauto greičio nustatymas turi būti analizuojamas eksperimentais arba skaitmeniniais modeliavimais (pvz., CFD).
2 pav. Skirtingų dujų srauto greičių poveikis suvirinimo siūlei
Srauto optimizavimas turėtų būti koreguojamas kartu su medžiagos šilumos laidumu ir plokštės storiu:
• Plienui ir nerūdijančiam plienui: plonoms plieno plokštėms (1–2 mm) srautas pageidautinas 10–15 l/min. Storoms plokštėms (> 6 mm) jį reikia padidinti iki 18–22 l/min, kad būtų slopinama uodegos oksidacija. Pavyzdžiui, kai 6 mm storio 316L nerūdijančio plieno srautas yra 20 l/min., HAZ kietumo vienodumas pagerėja 30 %.
• Aliuminio lydiniui: didelis šilumos laidumas reikalauja didelio srauto greičio, kad būtų pailgintas apsaugos laikas. 3 mm storio 7075 aliuminio lydinio poringumo rodiklis yra mažiausias (0,3 %), kai srauto greitis yra 25–30 l/min. Tačiau itin storoms plokštėms (> 10 mm) būtina derinti su kompozitiniu pūtimu, kad būtų išvengta turbulencijos.
Pūtimo dujų režimo įtaka
Pūtimo dujų režimas tiesiogiai veikia išlydyto metalo tekėjimo modelį ir defektų slopinimo efektą, kontroliuodamas dujų srauto kryptį ir pasiskirstymą. Pūtimo dujų režimas reguliuoja išlydyto metalo tekėjimą keisdamas paviršiaus įtempimo gradientą ir Marangoni srautą (Marangoni srautas). Šoninis pūtimas gali paskatinti išlydyto metalo tekėjimą tam tikra kryptimi, sumažinant poras ir šlako intarpus; kompozitų pūtimas gali pagerinti suvirinimo formavimo vienodumą, subalansuodamas energijos pasiskirstymą per daugiakryptį dujų srautą.
Pagrindiniai pūtimo būdai yra šie:
• Koaksialinis pūtimas: dujų srautas išvedamas koaksialiai su lazerio spinduliu, simetriškai padengdamas išlydytą vonią, tinka greitaeigiam suvirinimui. Jo privalumas yra didelis proceso stabilumas, tačiau dujų srautas gali trukdyti lazerio fokusavimui. Pavyzdžiui, naudojant koaksialinį pūtimą ant automobiliams skirto cinkuoto plieno lakšto (1,2 mm), suvirinimo greitį galima padidinti iki 40 mm/s, o taškymosi greitis yra mažesnis nei 0,1.
• Šoninis pūtimas: dujų srautas įvedamas iš išlydyto metalo vonios šono, kuris gali būti naudojamas plazmos arba dugno priemaišoms kryptingai pašalinti, tinka gilaus įsiskverbimo suvirinimui. Pavyzdžiui, pučiant 12 mm storio Q345 plieną 30° kampu, suvirinimo siūlės įsiskverbimas padidėja 18 %, o dugno poringumo rodiklis sumažėja nuo 4 % iki 0,8 %.
• Kompozitinis pūtimas: derinant koaksialinį ir šoninį pūtimą, galima vienu metu slopinti oksidaciją ir plazmos interferenciją. Pavyzdžiui, 3 mm storio 6061 aliuminio lydinio su dviguba purkštukų konstrukcija poringumo rodiklis sumažėja nuo 2,5 % iki 0,4 %, o tempiamasis stipris siekia 95 % pagrindinės medžiagos.
Apsauginių dujų įtaka suvirinimo kokybei iš esmės kyla iš jų energijos perdavimo reguliavimo, išlydyto metalo termodinamikos ir cheminių reakcijų:
1. Energijos perdavimas: didelis helio šilumos laidumas pagreitina išlydyto metalo aušimą, sumažindamas šilumos paveiktos zonos (HAZ) plotį; mažas argono šilumos laidumas pailgina išlydyto metalo egzistavimo laiką, o tai naudinga plonų plokščių paviršiaus formavimuisi.
2. Išlydyto metalo stabilumas: dujų srautas veikia išlydyto metalo tekėjimą per šlyties jėgą, o tinkamas srauto greitis gali sumažinti taškymąsi; per didelis srauto greitis sukels sūkurį, dėl kurio atsiras suvirinimo defektų.
3. Cheminė apsauga: inertinės dujos izoliuoja deguonį ir neleidžia oksiduotis legiruojamiems elementams (pvz., Cr, Al); aktyviosios dujos (pvz., N₂) keičia suvirinimo savybes, sustiprindamos kietąjį tirpalą arba susidarydamos junginius, tačiau jų koncentraciją reikia tiksliai kontroliuoti.
Įrašo laikas: 2025 m. balandžio 9 d.
