01
Πρόλογος
Λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της χαμηλής εισροής θερμότητας και της φύσης της μη επαφής, η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ έχει αναδειχθεί ως μία από τις βασικές διαδικασίες στη σύγχρονη κατασκευή ακριβείας. Ωστόσο, ζητήματα όπως η οξείδωση, το πορώδες και το στοιχειακό κάψιμο-απενεργοποίηση-που προκύπτουν από την επαφή μεταξύ της δεξαμενής συγκόλλησης και της ατμόσφαιρας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης-περιορίζουν σοβαρά τις μηχανικές ιδιότητες και τη διάρκεια ζωής των ραφών συγκόλλησης. Ως κρίσιμο μέσο για τον έλεγχο του περιβάλλοντος συγκόλλησης, η επιλογή του τύπου προστατευτικού αερίου, του ρυθμού ροής και της μεθόδου παροχής πρέπει να συνδυάζεται προσεκτικά με τα ειδικά χαρακτηριστικά του υλικού (όπως η χημική αντιδραστικότητα και η θερμική αγωγιμότητα) και το πάχος του τεμαχίου εργασίας.
Επεξεργασία δέσμης λέιζερ & ηλεκτρονίων
02
Τύποι προστατευτικών αερίων
Η κύρια λειτουργία ενός προστατευτικού αερίου είναι να απομονώνει το οξυγόνο, να ρυθμίζει τη συμπεριφορά της δεξαμενής συγκόλλησης και να βελτιώνει την απόδοση ενεργειακής σύζευξης. Με βάση τις χημικές τους ιδιότητες, τα προστατευτικά αέρια μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε αδρανή αέρια (όπως αργό και ήλιο) και ενεργά αέρια (όπως άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα). Τα αδρανή αέρια διαθέτουν υψηλή χημική σταθερότητα, αποτρέποντας αποτελεσματικά την οξείδωση της δεξαμενής συγκόλλησης. Ωστόσο, σημαντικές διαφορές στις θερμοφυσικές τους ιδιότητες μπορούν να επηρεάσουν βαθιά το αποτέλεσμα της συγκόλλησης. Για παράδειγμα, το αργό (Ar) διαθέτει υψηλή πυκνότητα (1.784 kg/m³), που του επιτρέπει να σχηματίζει μια σταθερή προστατευτική κουβέρτα πάνω από τη δεξαμενή συγκόλλησης. Αντίθετα, η χαμηλή θερμική του αγωγιμότητα (0,0177 W/m·K) έχει ως αποτέλεσμα πιο αργή ψύξη της πισίνας συγκόλλησης και μικρότερο βάθος διείσδυσης. Αντίθετα, το ήλιο (He) παρουσιάζει θερμική αγωγιμότητα περίπου οκτώ φορές εκείνη του αργού (0,1513 W/m·K), επιταχύνοντας έτσι την ψύξη της δεξαμενής συγκόλλησης και αυξάνοντας το βάθος διείσδυσης. Ωστόσο, η χαμηλή του πυκνότητα (0,1785 kg/m³) το καθιστά επιρρεπές σε ταχεία διασπορά, απαιτώντας υψηλότερους ρυθμούς ροής για τη διατήρηση της αποτελεσματικής θωράκισης. Τα ενεργά αέρια-όπως το άζωτο (N2)-μπορούν, σε ορισμένες εφαρμογές, να ενισχύσουν την αντοχή της ραφής συγκόλλησης μέσω της ενίσχυσης του στερεού διαλύματος-. Ωστόσο, η υπερβολική χρήση τους μπορεί να οδηγήσει σε πορώδες ή σε καθίζηση εύθραυστων φάσεων. Για παράδειγμα, κατά τη συγκόλληση διπλού ανοξείδωτου χάλυβα, η διάλυση του αζώτου στη δεξαμενή συγκόλλησης μπορεί να διαταράξει την ισορροπία φάσης φερρίτη{13}}ωστενίτη, με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής στη διάβρωση.
Από την άποψη των μηχανισμών διεργασίας, η υψηλή ενέργεια ιονισμού του ηλίου (24,6 eV) καταστέλλει το φαινόμενο θωράκισης του πλάσματος και ενισχύει την απορρόφηση ενέργειας λέιζερ, αυξάνοντας έτσι το βάθος διείσδυσης. Αντίθετα, η χαμηλή ενέργεια ιονισμού του αργού (15,8 eV) τείνει να δημιουργεί ένα λοφίο πλάσματος, καθιστώντας αναγκαία τη χρήση τεχνικών όπως η αποεστίαση ή η διαμόρφωση παλμού για τον μετριασμό των παρεμβολών. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις μεταξύ των ενεργών προστατευτικών αερίων και της λιωμένης δεξαμενής-όπως ο σχηματισμός νιτριδίων μέσω της αντίδρασης αζώτου με χρώμιο σε χάλυβα-μπορεί να αλλάξουν τη σύνθεση συγκόλλησης. Επομένως, η επιλογή του προστατευτικού αερίου πρέπει να γίνεται με προσοχή, λαμβάνοντας υπόψη τις ειδικές ιδιότητες του υλικού.
**Παραδείγματα εφαρμογής υλικού:**
• **Χάλυβας:** Στη συγκόλληση λεπτών πλακών (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 mm), ωστόσο, απαιτείται μια μικρή προσθήκη ηλίου (He) για να αυξηθεί το βάθος διείσδυσης.
• **Ανοξείδωτος χάλυβας:** Η θωράκιση αργού αποτρέπει την εξάντληση της περιεκτικότητας σε χρώμιο (Cr). σε μια συγκόλληση σε ανοξείδωτο χάλυβα 304 πάχους 3 mm, η περιεκτικότητα σε Cr φτάνει το 18,2% (πλησιάζει πολύ το 18,5%) του βασικού μετάλλου. Οι διπλοί ανοξείδωτοι χάλυβες, από την άλλη πλευρά, απαιτούν ένα μείγμα Ar-N2 (με N2 μικρότερο ή ίσο με 5%) για τη διατήρηση μιας ισορροπημένης αναλογίας φάσεων. Μελέτες δείχνουν ότι κατά τη συγκόλληση διπλού ανοξείδωτου χάλυβα 2205 πάχους 8 mm με χρήση μίγματος Ar-2%N2, η αναλογία φάσης φερρίτη-προς-ωστενίτη σταθεροποιείται στο 48:52, αποδίδοντας αντοχή εφελκυσμού 780 MPa που επιτυγχάνει θωράκιση 780 MPa με ανώτερη θωράκιση MPa7.
• **Κράματα αλουμινίου:** *Λεπτές πλάκες (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 mm):* Η συγκόλληση παχιών πλακών αλουμινίου απαιτεί υψηλή κατανάλωση ενέργειας. ένα μείγμα ηλίου-αργού (He:Ar=3:1) προσφέρει μια ισορροπία μεταξύ της επίτευξης επαρκούς βάθους διείσδυσης και της διαχείρισης του κόστους. Για παράδειγμα, κατά τη συγκόλληση πλακών 5083 πάχους 8 mm, η θωράκιση με αυτό το μείγμα οδηγεί σε βάθος διείσδυσης 6,2 mm-35% βελτίωση σε σχέση με το καθαρό αργό{10}}ενώ ταυτόχρονα μειώνεται το κόστος συγκόλλησης κατά 20%.
