تأثير عوامل حماية الغاز على عملية اللحام بالليزر

تأثير معاملات غاز التدريع على عملية اللحام بالليزر

01 مقدمة

أصبحت تكنولوجيا اللحام بالليزر، نظرًا لكثافة الطاقة العالية، وانخفاض الحرارة المدخلة، وخصائص عدم التلامس-، واحدة من العمليات الأساسية في التصنيع الدقيق الحديث. ومع ذلك، فإن الأكسدة والمسامية وفقدان العناصر الناتجة عن التلامس بين المجمع المنصهر والجو أثناء اللحام تحد بشكل خطير من الخواص الميكانيكية وعمر خدمة اللحامات. يجب اختيار غاز التدريع، باعتباره الوسط الأساسي للتحكم في بيئة اللحام، بناءً على نوعه ومعدل التدفق وطريقة النفخ، بالإضافة إلى خصائص المادة (مثل التفاعل الكيميائي والتوصيل الحراري) وسمك اللوحة.

معالجة شعاع الليزر والإلكترون

02 أنواع غاز التدريع

يتمثل الدور الأساسي للغاز التدريعي في عزل الأكسجين وتنظيم سلوك حوض السباحة المنصهر وتحسين كفاءة اقتران الطاقة. بناءً على الخواص الكيميائية، يتم تصنيف غازات التدريع إلى غازات خاملة (الأرجون والهيليوم) وغازات نشطة (النيتروجين وثاني أكسيد الكربون). تتمتع الغازات الخاملة بثبات كيميائي عالي وتمنع بشكل فعال أكسدة البركة المنصهرة، لكن اختلافاتها الفيزيائية الحرارية تؤثر بشكل كبير على نتائج اللحام.

على سبيل المثال، يتمتع الأرجون (Ar) بكثافة عالية (1.784 كجم/م³)، مما يشكل طبقة تغطية مستقرة، ولكن موصليته الحرارية المنخفضة (0.0177 واط/م·ك) تبطئ التبريد وتؤدي إلى اختراق أقل. في المقابل، يتمتع الهيليوم (He) بموصلية حرارية أعلى 8 مرات (0.1513 واط/م·ك)، مما يسرع التبريد ويزيد من عمق الاختراق، لكن كثافته المنخفضة (0.1785 كجم/م3) تجعل من السهل الهروب، مما يتطلب تدفقًا أعلى للحفاظ على الحماية.

يمكن للغازات النشطة، مثل النيتروجين (N₂)، أن تعمل على تحسين قوة اللحام من خلال تقوية المحلول الصلب-في بعض الحالات، ولكن الاستخدام المفرط قد يتسبب في حدوث مسامية أو ترسيب في الطور الهش. على سبيل المثال، قد يؤدي تسرب النيتروجين إلى حوض السباحة المنصهر أثناء اللحام المزدوج للفولاذ المقاوم للصدأ إلى تعطيل توازن طور الفريت/الأوستينيت، مما يقلل من مقاومة التآكل.

[الصورة: الشكل 1. اللحام بالليزر من الفولاذ المقاوم للصدأ 304L، (أعلى) حماية Ar؛ (أسفل) حماية N₂]

من منظور آلية العملية، تمنع طاقة التأين العالية للهيليوم (24.6 فولت) درع البلازما، مما يعزز امتصاص طاقة الليزر واختراقها. الأرجون، مع طاقة تأين أقل (15.8 فولت)، يولد بسهولة سحب البلازما، مما يتطلب إزالة التركيز البؤري أو تعديل النبض لتقليل التداخل. علاوة على ذلك، قد تتفاعل الغازات النشطة كيميائيًا مع المجمع المنصهر (على سبيل المثال، N₂ لتكوين نيتريدات مع الكروم في الفولاذ)، مما يؤدي إلى تغيير تركيبة اللحام ويستلزم الاختيار الحذر.

أمثلة على تطبيق المواد:
- الفولاذ: للصفائح الرقيقة (<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 مم) إضافة الهيليوم تعمل على تحسين الاختراق.
- الفولاذ المقاوم للصدأ: تمنع حماية الأرجون فقدان الكروم. في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بسمك 3 مم، يصل محتوى الكروم في اللحام إلى 18.2% (ما يقرب من 18.5% في المعدن الأساسي). يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج خليط Ar-N₂ (N₂ أقل من أو يساوي 5%) لتوازن الطور. تظهر الأبحاث أنه مع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 بسمك 8 مم، يحافظ Ar-2%N₂ على نسبة الفريت/الأوستينيت 48:52 وقوة شد تبلغ 780 ميجا باسكال، أفضل من Ar-2 النقي (720 ميجا باسكال).
- سبائك الألومنيوم: للصفائح الرقيقة (<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 مم)، هو-مخاليط ع (3:1) توازن الاختراق والتكلفة. على سبيل المثال، حقق لحام لوحة 5083 بسمك 8 مم مع غاز مختلط اختراقًا بمقدار 6.2 مم، وأعمق بنسبة 35% من Ar النقي، مع تقليل التكلفة بنسبة 20%.

معالجة شعاع الليزر والإلكترون

03 تأثير التدريع معدل تدفق الغاز

يؤثر معدل تدفق الغاز التدريعي بشكل مباشر على قدرة التغطية وديناميكيات سائل حوض السباحة المنصهر. يفشل التدفق غير الكافي في عزل الهواء بشكل كامل، مما يؤدي إلى الأكسدة والمسامية. قد يؤدي التدفق المفرط إلى حدوث اضطراب، مما يؤدي إلى تنظيف البركة المنصهرة والتسبب في انخفاضات أو تناثر. وفقًا لرقم رينولدز (Re=ρvD/μ)، يزيد التدفق الأعلى من السرعة، وعندما يكون Re> 2300، ينتقل التدفق الصفحي إلى الاضطراب، مما يزعزع استقرار التجمع المنصهر. وبالتالي، يجب تحديد معدل التدفق الحرج تجريبيًا أو عن طريق محاكاة CFD.

[الصورة: الشكل 2. تأثير معدلات تدفق غاز التدريع المختلفة على اللحامات]

يجب أن يأخذ تحسين التدفق في الاعتبار التوصيل الحراري وسمك اللوحة:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 مم)، مطلوب 18-22 لتر/دقيقة لقمع الأكسدة. على سبيل المثال، مع الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بسمك 6 مم، أدى 20 لتر/دقيقة إلى تحسين تجانس صلابة HAZ بنسبة 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 ملم، النفخ المركب ضروري لتجنب الاضطراب.

معالجة شعاع الليزر والإلكترون

04 تأثير طرق نفخ الغاز التدريعي

تؤثر طريقة النفخ، من خلال التحكم في اتجاه تدفق الهواء وتوزيعه، بشكل مباشر على تدفق حوض السباحة المنصهر وقمع العيوب. إنه يغير تدرجات التوتر السطحي وتدفق المارانجوني، وبالتالي ينظم ديناميكيات البركة المنصهرة. يؤدي النفخ الجانبي- إلى تدفق اتجاهي، مما يقلل المسامية والشوائب، بينما يعمل النفخ المركب على موازنة توزيع الطاقة وتحسين تجانس اللحام.

[الصورة: الشكل 3. تأثير طرق النفخ المختلفة على اللحامات]

طرق النفخ الرئيسية:
- النفخ المحوري: يكون تدفق الهواء محوريًا مع شعاع الليزر، ويغطي بشكل متناظر حوض السباحة المنصهر، وهو مناسب للحام -عالي السرعة. إنه يضمن استقرارًا عاليًا للعملية ولكنه قد يتداخل مع تركيز الليزر. على سبيل المثال، مع فولاذ السيارات المجلفن بقطر 1.2 مم، أدى النفخ المحوري إلى زيادة سرعة اللحام إلى 40 مم/ثانية، مع تناثر<0.1.
- النفخ الجانبي-: يدخل تدفق الهواء من الجانب، مما يؤدي إلى إزالة البلازما والشوائب بشكل فعال، وهو مناسب للحام الاختراق العميق. بالنسبة للفولاذ Q345 بسمك 12 مم عند نفخ جانبي بزاوية 30 درجة، زاد الاختراق بنسبة 18%، وانخفضت المسامية من 4% إلى 0.8%.
- النفخ المركب: يجمع بين النفخ المحوري والجانبي-، ويعمل في نفس الوقت على منع الأكسدة وتداخل البلازما. بالنسبة لسبائك الألومنيوم 6061 بسمك 3 مم مع تصميم الفوهة المزدوجة-، انخفضت المسامية من 2.5% إلى 0.4%، مع وصول قوة الشد إلى 95% من المادة الأساسية.

05 الاستنتاج

ينبع تأثير غاز التدريع على جودة اللحام أساسًا من تنظيمه لنقل الطاقة، والديناميكا الحرارية لحمام السباحة المنصهر، والتفاعلات الكيميائية:
1. نقل الطاقة: تعمل الموصلية الحرارية العالية للهيليوم على تسريع عملية التبريد، مما يقلل من عرض HAZ؛ تعمل الموصلية المنخفضة للأرجون على إطالة عمر حوض السباحة المنصهر، مما يفيد في تكوين صفائح رقيقة.
2. استقرار حوض السباحة المنصهر: يؤثر قص تدفق الهواء على تدفق حوض السباحة المنصهر. يعمل التدفق المناسب على منع التناثر، بينما يتسبب التدفق الزائد في حدوث دوامات وعيوب.
3. الحماية الكيميائية: تعمل الغازات الخاملة على عزل الأكسجين، مما يمنع أكسدة عناصر السبائك (على سبيل المثال، Cr، Al). تعمل الغازات النشطة (على سبيل المثال، N₂) على تغيير خصائص اللحام من خلال تقوية المحلول الصلب- أو التكوين المركب، ولكنها تتطلب تحكمًا دقيقًا.

معالجة شعاع الليزر والإلكترون

المصدر: تم جمعه بواسطة فريق التحرير لحساب WeChat العام "تكنولوجيا وتطبيقات معالجة شعاع الطاقة العالية."