De invloed van beschermgasparameters op het laserlasproces

De invloed van beschermgasparameters op het laserlasproces

01 Inleiding

Laserlastechnologie is vanwege de hoge energiedichtheid, lage warmte-inbreng en niet-{0}}contacteigenschappen een van de kernprocessen in de moderne precisieproductie geworden. Oxidatie, porositeit en elementverlies veroorzaakt door het contact tussen het gesmolten zwembad en de atmosfeer tijdens het lassen beperken echter ernstig de mechanische eigenschappen en levensduur van lassen. Beschermgas, als kernmedium voor het beheersen van de lasomgeving, moet worden geselecteerd op basis van het type, de stroomsnelheid en de blaasmethode, in combinatie met materiaaleigenschappen (zoals chemische reactiviteit en thermische geleidbaarheid) en plaatdikte.

Laser- en elektronenstraalverwerking

02 Soorten beschermgas

De primaire rol van beschermgas is het isoleren van zuurstof, het reguleren van het gedrag van gesmolten poelen en het verbeteren van de efficiëntie van de energiekoppeling. Op basis van chemische eigenschappen worden beschermgassen ingedeeld in inerte gassen (argon, helium) en actieve gassen (stikstof, kooldioxide). Inerte gassen hebben een hoge chemische stabiliteit en voorkomen effectief oxidatie van het gesmolten zwembad, maar hun thermofysische verschillen hebben een aanzienlijke invloed op de lasresultaten.

Argon (Ar) heeft bijvoorbeeld een hoge dichtheid (1,784 kg/m³) en vormt een stabiele deklaag, maar de lage thermische geleidbaarheid (0,0177 W/m·K) vertraagt ​​de afkoeling en resulteert in een ondiepere penetratie. Daarentegen heeft helium (He) een thermische geleidbaarheid die 8 keer hoger is (0,1513 W/m·K), waardoor de afkoeling wordt versneld en de penetratiediepte toeneemt, maar de lage dichtheid (0,1785 kg/m³) maakt het gemakkelijk om te ontsnappen, waardoor een hogere stroom nodig is om de bescherming te behouden.

Actieve gassen, zoals stikstof (N₂), kunnen in sommige gevallen de lassterkte verbeteren door versterking van vaste -oplossingen, maar overmatig gebruik kan porositeit of brosse faseprecipitatie veroorzaken. Stikstofinfiltratie in het gesmolten bad tijdens het duplexlassen van roestvrij staal kan bijvoorbeeld de ferriet/austeniet-fasebalans verstoren, waardoor de corrosieweerstand afneemt.

[Afbeelding: Figuur 1. Laserlassen van 304L roestvrij staal, (boven) Ar-bescherming; (onder) N₂-bescherming]

Vanuit het perspectief van het procesmechanisme onderdrukt de hoge ionisatie-energie van helium (24,6 eV) de plasma-afscherming, waardoor de absorptie en penetratie van laserenergie wordt verbeterd. Argon, met een lagere ionisatie-energie (15,8 eV), genereert gemakkelijk plasmawolken, waardoor defocussering of pulsmodulatie nodig is om interferentie te verminderen. Bovendien kunnen actieve gassen chemisch reageren met het gesmolten zwembad (bijvoorbeeld N₂ waarbij nitriden worden gevormd met Cr in staal), waardoor de lassamenstelling verandert en een voorzichtige selectie noodzakelijk is.

Voorbeelden van materiaaltoepassingen:
- Staal: voor dunne platen (<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), verbetert de toevoeging van helium de penetratie.
- Roestvrij staal: argonbescherming voorkomt Cr-verlies. In 3 mm dik roestvrij staal 304 bereikt het Cr-gehalte in de las 18,2% (bijna 18,5% in het basismetaal). Duplex roestvrij staal vereist Ar-N₂-mengsels (N₂ kleiner dan of gelijk aan 5%) voor fasebalans. Onderzoek toont aan dat Ar-2%N₂ met 8 mm dik 2205 duplex roestvast staal een ferriet/austeniet verhouding van 48:52 en een treksterkte van 780 MPa handhaaft, beter dan puur Ar (720 MPa).
- Aluminiumlegeringen: voor dunne platen (<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), Hij-Ar-mengsels (3:1) brengen penetratie en kosten in evenwicht. Door bijvoorbeeld een 8 mm dikke 5083-plaat met gemengd gas te lassen, werd een penetratie van 6,2 mm bereikt, 35% dieper dan puur Ar, terwijl de kosten met 20% werden verlaagd.

Laser- en elektronenstraalverwerking

03 Invloed van de stroomsnelheid van het beschermgas

De stroomsnelheid van het beschermgas heeft rechtstreeks invloed op het dekkingsvermogen en de vloeistofdynamiek van het gesmolten zwembad. Bij onvoldoende stroming wordt de lucht niet volledig geïsoleerd, wat leidt tot oxidatie en porositeit. Overmatige stroming kan turbulentie veroorzaken, waardoor het gesmolten bad wordt geschuurd en depressies of spatten worden veroorzaakt. Volgens het getal van Reynolds (Re=ρvD/μ) verhoogt een hogere stroming de snelheid, en wanneer Re > 2300 gaat de laminaire stroming over in turbulentie, waardoor het gesmolten zwembad wordt gedestabiliseerd. Het kritische debiet moet dus experimenteel of door middel van CFD-simulatie worden bepaald.

[Afbeelding: Figuur 2. Invloed van verschillende beschermgasstroomsnelheden op lassen]

Bij het optimaliseren van de stroming moet rekening worden gehouden met de thermische geleidbaarheid en de plaatdikte:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), is 18–22 l/min vereist om oxidatie te onderdrukken. Met 6 mm dik 316L roestvrij staal verbeterde 20 l/min bijvoorbeeld de HAZ-hardheidsuniformiteit met 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, compoundblazen is noodzakelijk om turbulentie te voorkomen.

Laser- en elektronenstraalverwerking

04 Invloed van beschermgasblaasmethoden

De blaasmethode heeft, door de richting en verdeling van de luchtstroom te regelen, een directe invloed op de stroming van het smeltbad en op de onderdrukking van defecten. Het verandert de oppervlaktespanningsgradiënten en de Marangoni-stroming, waardoor de dynamiek van gesmolten poelen wordt gereguleerd. Zijdelings blazen induceert een gerichte stroming, waardoor de porositeit en insluitsels worden verminderd, terwijl het samengestelde blazen de energieverdeling in evenwicht brengt en de lasuniformiteit verbetert.

[Afbeelding: Figuur 3. Invloed van verschillende blaasmethoden op lassen]

Belangrijkste blaasmethoden:
- Coaxiaal blazen: de luchtstroom is coaxiaal met de laserstraal en bedekt het gesmolten bad symmetrisch, geschikt voor hoge- lassen. Het garandeert een hoge processtabiliteit, maar kan de laserfocussering verstoren. Bij 1,2 mm gegalvaniseerd autostaal bijvoorbeeld verhoogde coaxiaal blazen de lassnelheid tot 40 mm/s, met spatten<0.1.
- Zijdelings-blazen: de luchtstroom komt van de zijkant binnen, waardoor plasma en onzuiverheden effectief worden verwijderd, geschikt voor lassen met diepe penetratie. Voor 12 mm dik Q345-staal bij 30 graden zijdelings-blazen steeg de penetratie met 18% en daalde de porositeit van 4% naar 0,8%.
- Samengesteld blazen: Door de combinatie van coaxiaal en zijdelings-blazen onderdrukt het tegelijkertijd oxidatie en plasma-interferentie. Voor een 3 mm dikke 6061 aluminiumlegering met dubbel-nozzleontwerp daalde de porositeit van 2,5% naar 0,4%, waarbij de treksterkte 95% van het basismateriaal bereikte.

05 Conclusie

De invloed van beschermgas op de laskwaliteit komt hoofdzakelijk voort uit de regulering van de energieoverdracht, de thermodynamica van het smeltbad en chemische reacties:
1. Energieoverdracht: de hoge thermische geleidbaarheid van helium versnelt de koeling, waardoor de HAZ-breedte wordt verkleind; De lage geleidbaarheid van argon verlengt de levensduur van het gesmolten zwembad, wat de vorming van dunne platen ten goede komt.
2. Stabiliteit van het gesmolten zwembad: Afschuiving van de luchtstroom beïnvloedt de stroming van het gesmolten zwembad. Een goede stroming onderdrukt spatten, terwijl een overmatige stroming wervels en defecten veroorzaakt.
3. Chemische bescherming: Inerte gassen isoleren zuurstof en voorkomen oxidatie van legeringselementen (bijv. Cr, Al). Actieve gassen (bijvoorbeeld N₂) veranderen de laseigenschappen via versterking van vaste- oplossingen of vorming van verbindingen, maar vereisen nauwkeurige controle.

Laser- en elektronenstraalverwerking

Bron: verzameld door de redactie van het openbare WeChat-account 'High-Energy Beam Processing Technology and Applications'.