Jakie są główne parametry spawania laserowego z głęboką penetracją (3)

Gaz ochronny

W procesie spawania laserowego często stosuje się gaz obojętny do ochrony jeziorka stopionego. W przypadku spawania niektórych materiałów utlenianie powierzchni może nie być brane pod uwagę, ale ochrona może nie być brana pod uwagę. Jednak w większości zastosowań hel, argon, azot i inne gazy są często używane jako ochrona, aby uniknąć utleniania podczas spawania.

Hel nie jest łatwy do jonizacji (wyższa energia jonizacji), co pozwala na płynne przejście lasera, a energia wiązki dociera do powierzchni przedmiotu obrabianego bez przeszkód. Jest to najskuteczniejszy gaz osłonowy stosowany przy spawaniu laserowym, ale jest droższy.

Argon jest tańszy i gęstszy, więc efekt ochronny jest lepszy. Jest jednak podatny na wysokotemperaturową jonizację plazmą metalu, która chroni część wiązki przed skierowaniem jej na obrabiany przedmiot, zmniejsza efektywną moc lasera do spawania, a także uszkadza prędkość spawania i wtopienie. Powierzchnia spawu zabezpieczona argonem jest gładsza niż w przypadku zabezpieczenia helem.

Azot jest najtańszym gazem osłonowym, ale nie nadaje się do spawania niektórych rodzajów stali nierdzewnej, głównie ze względu na problemy metalurgiczne, takie jak czasami wytwarzanie porów w obszarze zakładki.

Drugą funkcją stosowania gazu osłonowego jest ochrona soczewki ogniskującej przed zanieczyszczeniem parami metali i rozpryskiwaniem kropelek cieczy. Szczególnie przy spawaniu laserowym z dużą mocą, ponieważ wyrzucany materiał jest bardzo mocny, w tym momencie bardziej konieczna jest ochrona soczewki.

Trzecią rolą gazu osłonowego jest rozpraszanie osłony plazmowej wytwarzanej podczas spawania laserowego o dużej mocy. Opary metalu absorbują energię wiązki laserowej i jonizują do chmury plazmy, a gaz osłonowy wokół oparów metalu jest również jonizowany przez ogrzewanie. Jeśli jest zbyt dużo plazmy, energia wiązki laserowej jest do pewnego stopnia pochłaniana przez plazmę. Plazma występuje na powierzchni przedmiotu obrabianego jako drugie źródło energii, co powoduje zmniejszenie głębokości wtopienia i poszerzenie powierzchni jeziorka spawalniczego. Zwiększ szybkość rekombinacji elektronów, zwiększając zderzenie trzech ciał elektronów z atomami obojętnymi, aby zmniejszyć gęstość elektronów w plazmie. Im lżejszy atom neutralny, tym wyższa częstotliwość zderzeń i wyższa szybkość rekombinacji. Z drugiej strony, tylko gaz osłonowy o dużej energii jonizacji nie zwiększy gęstości elektronów z powodu jonizacji samego gazu.

Tabela 1: Masa atomowa (cząsteczki) i energia jonizacji kilku gazów i metali

Z tabeli wynika, że ​​wielkość plazmy jest związana z różnymi używanymi gazami osłonowymi, hel jest najmniejszy, za nim znajduje się azot, a największy w przypadku stosowania argonu. Im większy rozmiar plazmy, tym płytsza głębokość penetracji. Stopień jonizacji i gęstość gazu mają wpływ na wielkość plazmy.

Hel ma najmniejszą jonizację i gęstość. Może szybko wypierać unoszące się opary metalu wytwarzane z jeziorka stopionego metalu. Dlatego użycie helu jako gazu osłonowego może w największym stopniu tłumić plazmę, zwiększając tym samym głębokość wtopienia i zwiększając prędkość spawania; ze względu na niewielką wagę może uciec i nie jest łatwo spowodować powstawanie porów. Oczywiście biorąc pod uwagę rzeczywisty efekt spawania, efekt ochrony argonu nie jest zły. Wpływ chmury plazmy na penetrację jest najbardziej widoczny w strefie niskiej prędkości spawania. Wraz ze wzrostem prędkości spawania jego wpływ będzie osłabiony.

Gaz osłonowy jest wyrzucany przez otwór dyszy pod pewnym ciśnieniem, aby dotrzeć do powierzchni przedmiotu obrabianego. Bardzo ważny jest hydrodynamiczny kształt dyszy i średnica wylotu. Musi być na tyle duża, aby rozpylany gaz osłonowy pokrywał powierzchnię spawania, ale aby skutecznie chronić soczewkę i zapobiegać zanieczyszczeniu oparami metalu lub uszkodzeniom soczewki przez rozpryski metalu, należy również ograniczyć rozmiar dyszy. Należy również kontrolować natężenie przepływu, w przeciwnym razie laminarny przepływ gazu osłonowego stanie się turbulentny, a atmosfera zostanie wciągnięta do stopionego basenu i ostatecznie utworzy pory.

W celu polepszenia działania ochronnego można zastosować dodatkowo boczny nadmuch, to znaczy, że gaz osłonowy jest wtryskiwany bezpośrednio do głębokiego otworu spawalniczego pod określonym kątem przez dyszę o mniejszej średnicy. Gaz osłonowy nie tylko tłumi chmurę plazmy na powierzchni obrabianego przedmiotu, ale także wpływa na powstawanie plazmy i małych otworów w otworze, dodatkowo zwiększa głębokość wtopienia, a spoinę o idealnej głębokości i szerokości jest uzyskiwane. Jednak ta metoda wymaga precyzyjnej kontroli wielkości i kierunku przepływu powietrza, w przeciwnym razie łatwo jest wytworzyć turbulencje i zniszczyć roztopiony jeziorko, co utrudnia stabilizację procesu spawania.