השפעת פרמטרי גז מגן על תהליך ריתוך בלייזר

השפעת פרמטרי גז מגן על תהליך ריתוך בלייזר

01 מבוא

טכנולוגיית ריתוך הלייזר, בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה, הזנת החום הנמוכה ומאפיינים ללא-מגע, הפכה לאחד מתהליכי הליבה בייצור דיוק מודרני. עם זאת, חמצון, נקבוביות ואובדן אלמנטים הנגרמים מהמגע בין הבריכה המותכת והאטמוספרה במהלך הריתוך מגבילים ברצינות את התכונות המכניות ואת חיי השירות של הריתוכים. גז המגן, כמדיום הליבה לשליטה בסביבת הריתוך, חייב להיבחר על סמך סוגו, קצב הזרימה ושיטת הנשיפה שלו, בשילוב עם מאפייני החומר (כגון תגובתיות כימית ומוליכות תרמית) ועובי הפלטה.

עיבוד קרני לייזר ואלקטרונים

02 סוגי גז מגן

התפקיד העיקרי של גז המגן הוא לבודד חמצן, לווסת התנהגות בריכות מותכות ולשפר את יעילות צימוד האנרגיה. בהתבסס על תכונות כימיות, גזי המגן מסווגים לגזים אינרטיים (ארגון, הליום) וגזים פעילים (חנקן, פחמן דו חמצני). לגזים אינרטיים יש יציבות כימית גבוהה ומונעים ביעילות חמצון של הבריכה המותכת, אך ההבדלים התרמופיזיים שלהם משפיעים באופן משמעותי על תוצאות הריתוך.

לדוגמה, לארגון (Ar) יש צפיפות גבוהה (1.784 ק"ג/מ"ק), היוצר שכבת כיסוי יציבה, אך המוליכות התרמית הנמוכה שלו (0.0177 W/m·K) מאטה את הקירור ומביאה לחדירה רדודה יותר. לעומת זאת, להליום (He) מוליכות תרמית גבוהה פי 8 (0.1513 W/m·K), מאיץ את הקירור ומגדיל את עומק החדירה, אך הצפיפות הנמוכה שלו (0.1785 kg/m³) מקלה על בריחה, ודורשת זרימה גבוהה יותר כדי לשמור על הגנה.

גזים פעילים, כגון חנקן (N₂), יכולים לשפר את חוזק הריתוך באמצעות חיזוק-תמיסה מוצקה במקרים מסוימים, אך שימוש מופרז עלול לגרום לנקבוביות או משקעים של שלב שביר. לדוגמה, חדירת חנקן לבריכה המותכת במהלך ריתוך דופלקס מנירוסטה עלולה לשבש את איזון הפאזות הפריט/אוסטניט, ולהפחית את עמידות בפני קורוזיה.

[תמונה: איור 1. ריתוך בלייזר 304L נירוסטה, (למעלה) הגנת Ar; (למטה) הגנה N₂]

מנקודת המבט של מנגנון התהליך, אנרגיית היינון הגבוהה של הליום (24.6 eV) מדכאת מיגון פלזמה, ומשפרת את ספיגת האנרגיה והחדירה של הלייזר. ארגון, עם אנרגיית יינון נמוכה יותר (15.8 eV), מייצר בקלות ענני פלזמה, הדורשים ביטול מיקוד או אפנון דופק כדי להפחית הפרעות. יתר על כן, גזים פעילים עלולים להגיב כימית עם הבריכה המותכת (למשל, N₂ היוצר ניטרידים עם Cr בפלדה), לשנות את הרכב הריתוך ומחייב בחירה זהירה.

דוגמאות ליישום חומרים:
- פלדה: ליריעות דקות (<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 מ"מ), תוספת הליום משפרת את החדירה.
- נירוסטה: הגנת ארגון מונעת אובדן Cr. בפלדת אל חלד 304 בעובי 3 מ"מ, תכולת Cr בריתוך מגיעה ל-18.2% (קרוב ל-18.5% במתכת הבסיס). פלדת אל-חלד דופלקסת ​​דורשת תערובות Ar-N₂ (N₂ פחות או שווה ל-5%) לאיזון פאזות. מחקרים מראים שעם פלדת אל חלד דופלקס 2205 בעובי של 8 מ"מ, Ar-2%N₂ שומר על יחס פריט/אוסטניט של 48:52 וחוזק מתיחה של 780 MPa, טוב יותר מאשר Ar טהור (720 MPa).
- סגסוגות אלומיניום: עבור יריעות דקות (<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 מ"מ), תערובות He-Ar (3:1) מאזנות חדירה ועלות. לדוגמה, ריתוך לוח 5083 בעובי 8 מ"מ עם גז מעורב השיג חדירה של 6.2 מ"מ, עמוק יותר ב-35% מ-Ar טהור, תוך הפחתת העלות ב-20%.

עיבוד קרני לייזר ואלקטרונים

03 השפעת קצב זרימת הגז המגן

קצב זרימת גז המיגון משפיע ישירות על יכולת הכיסוי ועל דינמיקת נוזל הבריכה המותכת. זרימה לא מספקת לא מצליחה לבודד לחלוטין את האוויר, מה שמוביל לחמצון ונקבוביות. זרימה מוגזמת עלולה לגרום למערבולת, לשטוף את הבריכה המותכת ולגרום לשקעים או ניתזים. לפי מספר ריינולדס (Re=ρvD/μ), זרימה גבוהה יותר מגבירה את המהירות, וכאשר Re > 2300, זרימה למינרית עוברת למערבולת, ומערערת את הבריכה המותכת. לפיכך, יש לקבוע את קצב הזרימה הקריטי בניסוי או באמצעות הדמיית CFD.

[תמונה: איור 2. השפעת קצבי זרימת גז מגן שונים על ריתוכים]

אופטימיזציה של הזרימה חייבת לשקול מוליכות תרמית ועובי הצלחת:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 מ"מ), נדרשים 18-22 ליטר לדקה כדי לדכא חמצון. לדוגמה, עם פלדת אל-חלד בעובי 6 מ"מ בעובי 316L, 20 ליטר/דקה שיפרו את אחידות קשיות HAZ ב-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 מ"מ, יש צורך בנשיפה מורכבת כדי למנוע מערבולות.

עיבוד קרני לייזר ואלקטרונים

04 השפעת שיטות ניפוח גז מגן

שיטת הנשיפה, על ידי שליטה בכיוון ופיזור זרימת האוויר, משפיעה ישירות על זרימת הבריכה המותכת ועל דיכוי הליקויים. זה משנה את שיפועי מתח פני השטח ואת זרימת Marangoni, ובכך מווסת את הדינמיקה של הבריכה המותכת. ניפוח צד- משרה זרימה כיוונית, הפחתת נקבוביות ותכלילים, בעוד שנשיפת תרכובת מאזנת את חלוקת האנרגיה ומשפרת את אחידות הריתוך.

[תמונה: איור 3. השפעת שיטות ניפוח שונות על ריתוכים]

שיטות ניפוח עיקריות:
- ניפוח קואקסיאלי: זרימת האוויר היא קואקסיאלית עם קרן הלייזר, מכסה באופן סימטרי את הבריכה המותכת, מתאימה לריתוך- במהירות גבוהה. הוא מבטיח יציבות תהליך גבוהה אך עלול להפריע למיקוד הלייזר. לדוגמה, עם פלדת רכב מגולוונת 1.2 מ"מ, ניפוח קואקסיאלי הגדיל את מהירות הריתוך ל-40 מ"מ לשנייה, עם ניתזים<0.1.
- צד-נשיפה: זרימת אוויר נכנסת מהצד, ומנקה ביעילות פלזמה וזיהומים, מתאים לריתוך חדירה עמוקה. עבור פלדה Q345 בעובי 12 מ"מ בנשיפה של 30 מעלות בצד-, החדירה גדלה ב-18% והנקבוביות ירדה מ-4% ל-0.8%.
- ניפוח תרכובת: שילוב של ניפוח קואקסיאלי וצדי-, הוא מדכא בו-זמנית חמצון והפרעות פלזמה. עבור סגסוגת אלומיניום 6061 בעובי 3 מ"מ עם עיצוב חריר כפול, הנקבוביות ירדה מ-2.5% ל-0.4%, כאשר חוזק המתיחה הגיע ל-95% מחומר הבסיס.

05 מסקנה

השפעת גז המגן על איכות הריתוך נובעת בעיקרה מהוויסות של העברת האנרגיה, התרמודינמיקה של הבריכה המותכת ותגובות כימיות:
1. העברת אנרגיה: המוליכות התרמית הגבוהה של הליום מאיצה את הקירור, ומקטינה את רוחב ה-HAZ; המוליכות הנמוכה של הארגון מאריכה את חיי הבריכה המותכת, ותורמת להיווצרות יריעה דקה.
2. יציבות הבריכה המותכת: גזירת זרימת אוויר משפיעה על זרימת הבריכה המותכת. זרימה תקינה מדכאת ניתזים, בעוד שזרימה מוגזמת גורמת למערבולות ולפגמים.
3. הגנה כימית: גזים אינרטיים מבודדים חמצן, ומונעים חמצון של יסודות סגסוגת (למשל, Cr, Al). גזים פעילים (למשל, N₂) משנים את תכונות הריתוך באמצעות חיזוק תמיסה מוצקה או היווצרות תרכובות, אך דורשים בקרה מדויקת.

עיבוד קרני לייזר ואלקטרונים

מקור: נאסף על ידי צוות העורכים של החשבון הציבורי WeChat "High-Energy Beam Processing Technology and Applications."