Tehnologija laserskog zavarivanja, zbog svoje visoke gustoće energije, niskog unosa topline i beskontaktnih karakteristika, postao je jedan od ključnih procesa u modernoj preciznoj proizvodnji. Međutim, problemi poput oksidacije, poroznosti i izgaranja elemenata uzrokovanih kontaktom rastaljene kupke s atmosferom tijekom zavarivanja ozbiljno ograničavaju mehanička svojstva i vijek trajanja zavarenog šava. Kao ključni medij za kontrolu okoline zavarivanja, odabir vrste, brzine protoka i načina upuhivanja zaštitnog plina mora biti povezan s karakteristikama materijala (kao što su kemijska aktivnost, toplinska vodljivost) i debljinom ploče.
Vrste zaštitnih plinova
Osnovna funkcija zaštitnih plinova leži u izolaciji kisika, reguliranju ponašanja rastaljene kupke i poboljšanju učinkovitosti spajanja energije. Na temelju svojih kemijskih svojstava, zaštitni plinovi mogu se klasificirati u inertne plinove (argon, helij) i aktivne plinove (dušik, ugljikov dioksid). Inertni plinovi imaju visoku kemijsku stabilnost i mogu učinkovito spriječiti oksidaciju rastaljene kupke, ali njihove značajne razlike u toplinskim fizičkim svojstvima značajno utječu na učinak zavarivanja. Na primjer, argon (Ar) ima visoku gustoću (1,784 kg/m³) i može formirati stabilan premaz, ali njegova niska toplinska vodljivost (0,0177 W/m·K) dovodi do sporog hlađenja rastaljene kupke i plitkog prodiranja zavara. Nasuprot tome, helij (He) ima osam puta veću toplinsku vodljivost (0,1513 W/m·K) od argona i može ubrzati hlađenje rastaljene kupke i povećati prodiranje zavara, ali njegova niska gustoća (0,1785 kg/m³) čini ga sklonim izlasku, što zahtijeva veću brzinu protoka za održavanje zaštitnog učinka. Aktivni plinovi poput dušika (N₂) mogu poboljšati čvrstoću zavara ojačavanjem krutom otopinom u određenim scenarijima, ali prekomjerna upotreba može uzrokovati poroznost ili taloženje krhkih faza. Na primjer, pri zavarivanju dupleks nehrđajućeg čelika, difuzija dušika u rastaljenu kupku 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
S gledišta mehanizma procesa, visoka energija ionizacije helija (24,6 eV) može potisnuti učinak zaštite plazme i poboljšati apsorpciju laserske energije, čime se povećava dubina prodiranja. U međuvremenu, niska energija ionizacije argona (15,8 eV) sklona je stvaranju oblaka plazme, što zahtijeva defokusiranje ili pulsnu modulaciju kako bi se smanjile smetnje. Osim toga, kemijska reakcija između aktivnih plinova i rastaljene kupke (poput reakcije dušika s Cr u čeliku) može promijeniti sastav zavara, te je potreban pažljiv odabir na temelju 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 i 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 ionizacije (24,6 eV), može stabilizirati plazmu. Istraživanja pokazuju da kada je aluminijska legura 6061 debljine 2 mm zaštićena helijem, dubina prodiranja doseže 1,8 mm, što je povećanje za 25% u usporedbi s argonom, a stopa poroznosti je niža od 1%. Za debele ploče (>5 mm): Debele ploče od aluminijske legure zahtijevaju visok unos energije, a smjesa helija i argona (He:Ar = 3:1) može uravnotežiti i dubinu prodiranja i troškove. Na primjer, pri zavarivanju ploča 5083 debljine 8 mm, dubina prodiranja doseže 6,2 mm pod zaštitom miješanog plina, što je povećanje za 35% u usporedbi s čistim argonom, a troškovi zavarivanja smanjuju se za 20%.
Napomena: Izvorni tekst sadrži neke pogreške i nedosljednosti. Prijevod se temelji na ispravljenoj i koherentnoj verziji teksta.
Utjecaj brzine protoka argona
Brzina protoka argona izravno utječe na sposobnost pokrivanja plinom i dinamiku fluida rastaljenog kupatila. Kada je brzina protoka nedovoljna, sloj plina ne može u potpunosti izolirati zrak, a rub rastaljenog kupatila sklon je oksidaciji i stvaranju plinskih pora; kada je brzina protoka previsoka, može uzrokovati turbulenciju koja može isprati površinu rastaljenog kupatila i dovesti do udubljenja zavara ili prskanja. Prema Reynoldsovom broju mehanike fluida (Re = ρvD/μ), povećanje brzine protoka povećat će brzinu protoka plina. Kada je Re > 2300, laminarni tok pretvara se u turbulentni tok, što će uništiti stabilnost rastaljenog kupatila. Stoga je određivanje kritične brzine protoka potrebno analizirati eksperimentima ili numeričkim simulacijama (kao što je CFD).
Slika 2. Utjecaj različitih brzina protoka plina na zavareni šav
Optimizaciju protoka treba prilagoditi u kombinaciji s toplinskom vodljivošću 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 poboljšava se za 30%.
• Za aluminijske legure: Visoka toplinska vodljivost 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 puhanjem kako bi se izbjegla turbulencija.
Utjecaj načina upuhavanja plina
Način upuhivanja plina izravno utječe na uzorak toka rastaljenog kupatila i učinak suzbijanja defekata kontroliranjem smjera i raspodjele toka plina. Način upuhivanja plina regulira tok rastaljenog kupatila promjenom gradijenta površinske napetosti i Marangoni toka (Marangoni tok). Bočno upuhivanje može potaknuti rastaljeno kupalište da teče u određenom smjeru, smanjujući pore i uključivanje troske; upuhivanje kompozita može poboljšati ujednačenost formiranja zavara uravnoteženjem raspodjele energije kroz višesmjerni tok plina.
Glavne metode puhanja uključuju:
• Koaksijalno puhanje: Protok plina izlazi koaksijalno s laserskom zrakom, simetrično pokrivajući rastaljeni sloj, pogodan za brzo zavarivanje. Njegova prednost je visoka stabilnost procesa, ali protok plina može ometati fokusiranje lasera. Na primjer, kada se koristi koaksijalno puhanje na automobilskom pocinčanom čeličnom limu (1,2 mm), brzina zavarivanja može se povećati na 40 mm/s, a brzina prskanja je manja od 0,1.
• Bočno upuhivanje: Protok plina uvodi se sa strane rastaljenog bazena, što se može koristiti za usmjereno uklanjanje plazme ili nečistoća s dna, pogodnih za duboko prodiranje zavarivanja. Na primjer, pri upuhivanju čelika Q345 debljine 12 mm pod kutom od 30°, prodiranje zavara povećava se za 18%, a stopa poroznosti dna smanjuje se s 4% na 0,8%.
• Kompozitno puhanje: Kombinacijom koaksijalnog i bočnog puhanja, može se istovremeno suzbiti oksidacija i interferencija plazme. Na primjer, za aluminijsku leguru 6061 debljine 3 mm s dizajnom dvostruke mlaznice, stopa poroznosti se smanjuje s 2,5% na 0,4%, a vlačna čvrstoća doseže 95% osnovnog materijala.
Utjecaj zaštitnog plina na kvalitetu zavarivanja u osnovi proizlazi iz njegove regulacije prijenosa energije, termodinamike rastaljene kupke i kemijskih reakcija:
1. Prijenos energije: Visoka toplinska vodljivost helija ubrzava hlađenje rastaljenog kupelji, smanjujući širinu zone utjecaja topline (HAZ); niska toplinska vodljivost argona produžuje vrijeme postojanja rastaljenog kupelji, što je korisno za površinsko formiranje tankih ploča.
2. Stabilnost rastaljenog kupatila: Protok plina utječe na protok rastaljenog kupatila putem smične sile, a odgovarajuća brzina protoka može suzbiti prskanje; prekomjerna brzina protoka uzrokovat će vrtlog, što dovodi do nedostataka u zavarivanju.
3. Kemijska zaštita: Inertni plinovi izoliraju kisik i sprječavaju oksidaciju legirajućih elemenata (kao što su Cr, Al); aktivni plinovi (kao što je N₂) mijenjaju svojstva zavara ojačavanjem čvrste otopine ili stvaranjem spojeva, ali koncentraciju je potrebno precizno kontrolirati.
Vrijeme objave: 09.04.2025.
