01
Voorwoord
Vanwege de hoge energiedichtheid, de lage warmte-inbreng en het contactloze karakter is laserlastechnologie uitgegroeid tot een van de kernprocessen in de moderne precisieproductie. Problemen zoals oxidatie, porositeit en elementaire afbranding--als gevolg van het contact tussen het smeltbad en de atmosfeer tijdens het lasproces-beperken echter ernstig de mechanische eigenschappen en levensduur van de lasnaden. Omdat dit het kritische medium is voor het beheersen van de lasomgeving, moet de selectie van het type beschermgas, de stroomsnelheid en de toedieningsmethode zorgvuldig worden gekoppeld aan de specifieke materiaaleigenschappen (zoals chemische reactiviteit en thermische geleidbaarheid) en de dikte van het werkstuk.
Laser- en elektronenstraalverwerking
02
Soorten beschermgassen
De primaire functie van een beschermgas is het isoleren van zuurstof, het reguleren van het lasbadgedrag en het verbeteren van de efficiëntie van de energiekoppeling. Op basis van hun chemische eigenschappen kunnen beschermgassen grofweg worden ingedeeld in inerte gassen (zoals argon en helium) en actieve gassen (zoals stikstof en kooldioxide). Inerte gassen bezitten een hoge chemische stabiliteit, waardoor oxidatie van het smeltbad effectief wordt voorkomen; significante verschillen in hun thermofysische eigenschappen kunnen echter een diepgaande invloed hebben op het lasresultaat. Argon (Ar) heeft bijvoorbeeld een hoge dichtheid (1,784 kg/m³), waardoor het een stabiele beschermende deken over het smeltbad kan vormen; omgekeerd resulteert de lage thermische geleidbaarheid (0,0177 W/m·K) in een langzamere afkoeling van het lasbad en een geringere penetratiediepte. Daarentegen vertoont helium (He) een thermische geleidbaarheid die ongeveer acht keer zo groot is als die van argon (0,1513 W/m·K), waardoor de afkoeling van het lasbad wordt versneld en de penetratiediepte toeneemt; De lage dichtheid (0,1785 kg/m³) maakt het echter gevoelig voor snelle verspreiding, waardoor hogere stroomsnelheden nodig zijn om een effectieve afscherming te behouden. Actieve gassen-zoals stikstof (N₂)-kunnen bij bepaalde toepassingen de sterkte van de lasnaden verbeteren door versterking van de vaste-oplossing; overmatig gebruik ervan kan echter leiden tot porositeit of het neerslaan van brosse fasen. Bij het lassen van duplex roestvast staal kan het oplossen van stikstof in het smeltbad bijvoorbeeld de fasebalans van ferriet-austeniet verstoren, wat resulteert in een vermindering van de corrosieweerstand.
Vanuit het perspectief van procesmechanismen onderdrukt de hoge ionisatie-energie van helium (24,6 eV) het plasma-afschermende effect en verbetert de absorptie van laserenergie, waardoor de penetratiediepte toeneemt. Omgekeerd heeft de lage ionisatie-energie van argon (15,8 eV) de neiging een plasmapluim te genereren, waardoor het gebruik van technieken zoals defocussering of pulsmodulatie noodzakelijk is om interferentie te verminderen. Bovendien kunnen chemische reacties tussen actieve beschermgassen en het gesmolten zwembad-zoals de vorming van nitriden door de reactie van stikstof met chroom in staal-de lassamenstelling veranderen; daarom moet de keuze van het beschermgas met voorzichtigheid worden gemaakt, rekening houdend met de specifieke materiaaleigenschappen.
**Materiaaltoepassingsvoorbeelden:**
• **Staal:** Bij het lassen van dunne platen (<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 mm), is echter een kleine toevoeging van helium (He) nodig om de penetratiediepte te vergroten.
• **Roestvrij staal:** Argonafscherming voorkomt de uitputting van het chroomgehalte (Cr); bij een las op 3 mm dik roestvrij staal 304 bereikt het Cr-gehalte 18,2% (benadert dicht de 18,5% van het basismetaal). Duplex roestvast staal vereist daarentegen een Ar-N₂-mengsel (waarbij N₂ kleiner dan of gelijk aan 5%) is om een evenwichtige faseverhouding te behouden. Uit onderzoek blijkt dat bij het lassen van 8 mm dik 2205 duplex roestvast staal met behulp van een Ar-2% N₂-mengsel, de ferriet-tot-austeniet-faseverhouding zich stabiliseert op 48:52, wat een treksterkte oplevert van 780 MPa, beter dan die bereikt met pure argonafscherming (720 MPa).
• **Aluminiumlegeringen:** *Dunne platen (<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 mm):* Het lassen van dikke aluminium platen vereist een hoge energie-input; een helium-argonmengsel (He:Ar=3:1) biedt een evenwicht tussen het bereiken van voldoende penetratiediepte en het beheersen van de kosten. Bij het lassen van 8 mm dikke 5083-platen resulteert afscherming met dit mengsel bijvoorbeeld in een penetratiediepte van 6,2 mm-een verbetering van 35% ten opzichte van zuiver argon-terwijl tegelijkertijd de laskosten met 20% worden verlaagd.
