Tehnologija laserskog zavarivanja, zbog svoje visoke gustoće energije, niskog unosa topline i beskontaktnih karakteristika, postao je jedan od osnovnih procesa u modernoj preciznoj proizvodnji. Međutim, problemi poput oksidacije, poroznosti i izgaranja elemenata uzrokovanih kontaktom rastopljenog sloja s atmosferom tokom zavarivanja ozbiljno ograničavaju mehanička svojstva i vijek trajanja zavarenog šava. Kao osnovni medij za kontrolu okruženja za zavarivanje, odabir vrste, brzine protoka i načina uduvavanja zaštitnog plina mora biti povezan s karakteristikama materijala (kao što su hemijska aktivnost, toplinska provodljivost) i debljinom ploče.
Vrste zaštitnih plinova
Osnovna funkcija zaštitnih gasova leži u izolaciji kisika, regulisanju ponašanja rastopljenog kupatila i poboljšanju efikasnosti spajanja energije. Na osnovu svojih hemijskih svojstava, zaštitni gasovi se mogu klasificirati u inertne gasove (argon, helijum) i aktivne gasove (azot, ugljen-dioksid). Inertni gasovi imaju visoku hemijsku stabilnost i mogu efikasno spriječiti oksidaciju rastopljenog kupatila, ali njihove značajne razlike u termičko-fizičkim svojstvima značajno utiču na efekat zavarivanja. Na primjer, argon (Ar) ima visoku gustinu (1,784 kg/m³) i može formirati stabilan premaz, ali njegova niska toplotna provodljivost (0,0177 W/m·K) dovodi do sporog hlađenja rastopljenog kupatila i plitkog prodiranja zavara. Nasuprot tome, helijum (He) ima osam puta veću toplotnu provodljivost (0,1513 W/m·K) od argona i može ubrzati hlađenje rastopljenog kupatila i povećati prodiranje zavara, ali njegova niska gustina (0,1785 kg/m³) čini ga sklonim curenju, što zahtijeva veću brzinu protoka za održavanje zaštitnog efekta. Aktivni plinovi poput dušika (N₂) mogu poboljšati čvrstoću zavara ojačavanjem čvrstim rastvorom u određenim scenarijima, ali prekomjerna upotreba može uzrokovati poroznost ili taloženje krhkih faza. Na primjer, prilikom zavarivanja dupleks nehrđajućeg čelika, difuzija dušika u rastopljeni bazen može poremetiti ravnotežu feritne/austenitne faze, što rezultira smanjenjem otpornosti na koroziju.
Slika 1. Lasersko zavarivanje nehrđajućeg čelika 304L (gore): zaštita plinom Ar; (dolje): zaštita plinom N2
Sa stanovišta mehanizma procesa, visoka energija jonizacije helijuma (24,6 eV) može potisnuti efekat zaštite plazme i poboljšati apsorpciju laserske energije, čime se povećava dubina prodiranja. U međuvremenu, niska energija jonizacije argona (15,8 eV) sklona je stvaranju oblaka plazme, što zahtijeva defokusiranje ili pulsnu modulaciju kako bi se smanjile smetnje. Pored toga, hemijska reakcija između aktivnih gasova i rastopljenog sloja (kao što je reakcija azota sa Cr u čeliku) može promijeniti sastav zavara, te je neophodan pažljiv odabir na osnovu svojstava materijala.
Primjeri primjene materijala:
• Čelik: Kod zavarivanja tankih ploča (<3 mm), argon može osigurati završnu obradu površine, s debljinom oksidnog sloja od samo 0,5 μm za zavarivanje niskougljičnog čelika debljine 1,5 mm; za debele ploče (>10 mm), potrebno je dodati malu količinu helija (He) kako bi se povećala dubina prodiranja.
• Nehrđajući čelik: Zaštita argonom može spriječiti gubitak elementa Cr, s udjelom Cr od 18,2% u zavaru nehrđajućeg čelika 304 debljine 3 mm, što se približava 18,5% osnovnog metala; za dupleks nehrđajući čelik potrebna je smjesa Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) za uravnoteženje omjera. Studije su pokazale da je pri korištenju smjese Ar-2% N₂ za dupleks nehrđajući čelik 2205 debljine 8 mm, omjer ferita/austenita stabilan na 48:52, s vlačnom čvrstoćom od 780 MPa, što je superiornije u odnosu na zaštitu čistim argonom (720 MPa).
• Aluminijska legura: Tanka ploča (<3 mm): Visoka reflektivnost aluminijskih legura dovodi do niske stope apsorpcije energije, a helij, sa svojom visokom energijom jonizacije (24,6 eV), može stabilizirati plazmu. Istraživanja pokazuju da kada je aluminijska legura 6061 debljine 2 mm zaštićena helijem, dubina prodiranja dostiže 1,8 mm, što je povećanje za 25% u poređenju sa argonom, a stopa poroznosti je niža od 1%. Za debele ploče (>5 mm): Debele ploče od aluminijske legure zahtijevaju visok unos energije, a smjesa helijuma i argona (He:Ar = 3:1) može uravnotežiti i dubinu prodiranja i troškove. Na primjer, pri zavarivanju ploča 5083 debljine 8 mm, dubina prodiranja dostiže 6,2 mm pod zaštitom miješanog plina, što je povećanje za 35% u poređenju sa čistim argonom, a troškovi zavarivanja su smanjeni za 20%.
Napomena: Izvorni tekst sadrži neke greške i nedosljednosti. Prijevod koji je dostavljen zasnovan je na ispravljenoj i koherentnoj verziji teksta.
Utjecaj brzine protoka argona
Brzina protoka argona direktno utiče na sposobnost pokrivanja gasom i dinamiku fluida u rastopljenom bazenu. Kada je brzina protoka nedovoljna, sloj gasa ne može u potpunosti izolovati vazduh, a rub rastopljenog bazena je sklon oksidaciji i stvaranju gasnih pora; kada je brzina protoka prevelika, može izazvati turbulenciju, koja može isprati površinu rastopljenog bazena i dovesti do depresije zavara ili prskanja. Prema Reynoldsovom broju mehanike fluida (Re = ρvD/μ), povećanje brzine protoka će povećati brzinu protoka gasa. Kada je Re > 2300, laminarni tok se pretvara u turbulentni tok, što će uništiti stabilnost rastopljenog bazena. Stoga, određivanje kritične brzine protoka treba analizirati putem eksperimenata ili numeričkih simulacija (kao što je CFD).
Slika 2. Utjecaj različitih brzina protoka plina na zavareni šav
Optimizaciju protoka treba prilagoditi u kombinaciji s toplinskom provodljivošću materijala i debljinom ploče:
• Za čelik i nehrđajući čelik: Za tanke čelične ploče (1-2 mm), protok je poželjno 10-15 L/min. Za debele ploče (>6 mm), treba ga povećati na 18-22 L/min kako bi se suzbila oksidacija repa. Na primjer, kada je protok nehrđajućeg čelika 316L debljine 6 mm 20 L/min, ujednačenost tvrdoće ZUT-a se poboljšava za 30%.
• Za aluminijske legure: Visoka toplinska provodljivost zahtijeva visoku brzinu protoka kako bi se produžilo vrijeme zaštite. Za aluminijsku leguru 7075 debljine 3 mm, stopa poroznosti je najniža (0,3%) kada je brzina protoka 25-30 L/min. Međutim, za ultra debele ploče (>10 mm), potrebno je kombinirati s kompozitnim uduvavanjem kako bi se izbjegla turbulencija.
Utjecaj režima uduvavanja plina
Režim uduvavanja gasa direktno utiče na obrazac toka rastopljenog kupatila i efekat suzbijanja defekata kontrolisanjem smera i distribucije toka gasa. Režim uduvavanja gasa reguliše tok rastopljenog kupatila promenom gradijenta površinske napetosti i Marangoni toka (Marangoni tok). Bočno uduvavanje može izazvati tok rastopljenog kupatila u određenom smeru, smanjujući pore i uključivanje troske; uduvavanje kompozita može poboljšati ujednačenost formiranja zavara uravnoteženjem distribucije energije kroz višesmerni tok gasa.
Glavne metode duvanja uključuju:
• Koaksijalno uduvavanje: Protok gasa se izvodi koaksijalno sa laserskim snopom, simetrično pokrivajući rastopljeni bazen, pogodan za brzo zavarivanje. Njegova prednost je visoka stabilnost procesa, ali protok gasa može ometati fokusiranje lasera. Na primjer, kada se koristi koaksijalno uduvavanje na pocinčanom čeličnom limu za automobile (1,2 mm), brzina zavarivanja može se povećati na 40 mm/s, a brzina prskanja je manja od 0,1.
• Bočno uduvavanje: Protok gasa se uvodi sa strane rastopljenog bazena, što se može koristiti za usmjereno uklanjanje plazme ili nečistoća sa dna, što je pogodno za duboko prodiranje. Na primjer, prilikom uduvavanja na čelik Q345 debljine 12 mm pod uglom od 30°, prodiranje zavara se povećava za 18%, a stopa poroznosti dna se smanjuje sa 4% na 0,8%.
• Kompozitno duvanje: Kombinacijom koaksijalnog i bočnog duvanja, može se istovremeno suzbiti oksidacija i interferencija plazme. Na primjer, za aluminijumsku leguru 6061 debljine 3 mm sa dizajnom dvostruke mlaznice, stopa poroznosti se smanjuje sa 2,5% na 0,4%, a zatezna čvrstoća dostiže 95% osnovnog materijala.
Utjecaj zaštitnog plina na kvalitet zavarivanja u osnovi proizlazi iz njegove regulacije prijenosa energije, termodinamike rastopljenog sloja i kemijskih reakcija:
1. Prijenos energije: Visoka toplinska provodljivost helija ubrzava hlađenje rastopljenog bazena, smanjujući širinu zone utjecaja topline (ZUT); niska toplinska provodljivost argona produžava vrijeme postojanja rastopljenog bazena, što je korisno za površinsko formiranje tankih ploča.
2. Stabilnost rastopljenog kupatila: Protok plina utječe na protok rastopljenog kupatila putem smične sile, a odgovarajuća brzina protoka može suzbiti prskanje; prekomjerna brzina protoka uzrokovat će vrtlog, što dovodi do defekata zavara.
3. Hemijska zaštita: Inertni gasovi izoluju kiseonik i sprečavaju oksidaciju legirajućih elemenata (kao što su Cr, Al); aktivni gasovi (kao što je N₂) menjaju svojstva zavara ojačavanjem čvrstog rastvora ili stvaranjem jedinjenja, ali koncentraciju je potrebno precizno kontrolisati.
Vrijeme objave: 09.04.2025.
