Tecnulugia di saldatura laser, per via di a so alta densità energetica, u so bassu apportu di calore è e so caratteristiche senza cuntattu, hè diventatu unu di i prucessi principali in a fabricazione di precisione muderna. Tuttavia, i prublemi cum'è l'ossidazione, a porosità è a combustione di l'elementi causati da u cuntattu di u bagnu fusu cù l'atmosfera durante a saldatura limitanu seriamente e proprietà meccaniche è a durata di vita di a saldatura. Cum'è mezu principale per u cuntrollu di l'ambiente di saldatura, a selezzione di u tipu, a portata è a modalità di soffiu di u gas protettivu devenu esse accumpagnate da e caratteristiche di u materiale (cum'è l'attività chimica, a cunduttività termica) è u spessore di a piastra.
Tipi di gas di prutezzione
A funzione principale di i gas di prutezzione hè di isolà l'ossigenu, regulà u cumpurtamentu di u bagnu fusu è migliurà l'efficienza di l'accoppiamentu energeticu. Basatu annantu à e so proprietà chimiche, i gas di prutezzione ponu esse classificati in gas inerti (argon, eliu) è gas attivi (azotu, diossidu di carbonu). I gas inerti anu una alta stabilità chimica è ponu impedisce efficacemente l'ossidazione di u bagnu fusu, ma e so differenze significative in e proprietà termiche fisiche influenzanu significativamente l'effettu di saldatura. Per esempiu, l'argon (Ar) hà una alta densità (1,784 kg/m³) è pò furmà un rivestimentu stabile, ma a so bassa cunduttività termica (0,0177 W/m·K) porta à un raffreddamentu lentu di u bagnu fusu è una penetrazione superficiale di a saldatura. In cuntrastu, l'eliu (He) hà una cunduttività termica ottu volte più alta (0,1513 W/m·K) chè l'argon è pò accelerà u raffreddamentu di u bagnu fusu è aumentà a penetrazione di a saldatura, ma a so bassa densità (0,1785 kg/m³) u rende propensu à scappà, richiedendu una portata più alta per mantene l'effettu protettivu. I gas attivi cum'è l'azotu (N₂) ponu migliurà a resistenza di a saldatura per via di u rinfurzamentu di a suluzione solida in certi scenarii, ma l'usu eccessivu pò causà porosità o a precipitazione di fasi fragili. Per esempiu, quandu si salda l'acciaiu inox duplex, a diffusione di l'azotu in u bagnu fusu pò interrompe l'equilibriu di e fasi ferrite/austenite, risultendu in una diminuzione di a resistenza à a corrosione.
Figura 1. Saldatura laser di l'acciaio inox 304L (in cima): prutezzione cù gas Ar; (in fondu): prutezzione cù gas N2
Da u puntu di vista di u mecanismu di prucessu, l'alta energia di ionizazione di l'eliu (24,6 eV) pò supprimà l'effettu di schermatura di u plasma è migliurà l'assorbimentu di l'energia laser, aumentendu cusì a prufundità di penetrazione. Intantu, a bassa energia di ionizazione di l'argon (15,8 eV) hè propensa à generà nuvole di plasma, chì richiedenu defocalizazione o modulazione di impulsi per riduce l'interferenze. Inoltre, a reazione chimica trà i gas attivi è u bagnu fusu (cum'è l'azotu chì reagisce cù u Cr in l'acciaiu) pò alterà a cumpusizione di a saldatura, è hè necessaria una selezzione attenta basata nantu à e proprietà di u materiale.
Esempi d'applicazione di materiali:
• Acciaiu: In a saldatura di piastre sottili (<3 mm), l'argon pò assicurà a finitura superficiale, cù un spessore di stratu d'ossidu di solu 0,5 μm per una saldatura d'acciaiu à bassu tenore di carbone di 1,5 mm; per e piastre spesse (>10 mm), una piccula quantità d'eliu (He) deve esse aghjunta per aumentà a prufundità di penetrazione.
• Acciaiu inox: A prutezzione cù l'argon pò impedisce a perdita di l'elementu Cr, cù un cuntenutu di Cr di 18,2% in una saldatura d'acciaiu inox 304 di 3 mm di spessore chì s'avvicina à u 18,5% di u metallu di basa; per l'acciaiu inox duplex, hè necessaria una mistura Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) per equilibrà u rapportu. Studi anu dimustratu chì quandu si usa una mistura Ar-2% N₂ per l'acciaiu inox duplex 2205 di 8 mm di spessore, u rapportu ferrite/austenite hè stabile à 48:52, cù una resistenza à a trazione di 780 MPa, chì hè superiore à a prutezzione cù l'argon puru (720 MPa).
• Lega d'aluminiu: Piastra fina (<3 mm): L'alta riflettività di e leghe d'aluminiu porta à un bassu tassu d'assorbimentu d'energia, è l'eliu, cù a so alta energia di ionizazione (24,6 eV), pò stabilizà u plasma. A ricerca mostra chì quandu a lega d'aluminiu 6061 di 2 mm di spessore hè prutetta da l'eliu, a prufundità di penetrazione righjunghji 1,8 mm, aumentendu di 25% paragunatu à l'argon, è u tassu di porosità hè inferiore à 1%. Per e piastre spesse (>5 mm): E piastre spesse in lega d'aluminiu richiedenu un input energeticu elevatu, è una mistura eliu-argon (He:Ar = 3:1) pò equilibrà sia a prufundità di penetrazione sia u costu. Per esempiu, quandu si saldanu piastre 5083 di 8 mm di spessore, a prufundità di penetrazione righjunghji 6,2 mm sottu prutezzione di gas mistu, aumentendu di 35% paragunatu à u gas argon puru, è u costu di saldatura hè riduttu di 20%.
Nota: U testu originale cuntene qualchi errori è incongruenze. A traduzzione furnita hè basata annantu à a versione curretta è coerente di u testu.
L'influenza di a velocità di flussu di gasu argon
A velocità di flussu di gasu argon affetta direttamente a capacità di cupertura di gasu è a dinamica di i fluidi di u bagnu fusu. Quandu a velocità di flussu hè insufficiente, u stratu di gasu ùn pò micca isolà cumpletamente l'aria, è u bordu di u bagnu fusu hè propensu à l'ossidazione è à a furmazione di pori di gasu; quandu a velocità di flussu hè troppu alta, pò causà turbulenza, chì pò lavà a superficia di u bagnu fusu è purtà à depressione o spruzzi di saldatura. Sicondu u numeru di Reynolds di a meccanica di i fluidi (Re = ρvD/μ), un aumentu di a velocità di flussu aumenterà a velocità di u flussu di gasu. Quandu Re > 2300, u flussu laminare si trasforma in flussu turbulente, chì distruggerà a stabilità di u bagnu fusu. Dunque, a determinazione di a velocità di flussu critica deve esse analizata per mezu di esperimenti o simulazioni numeriche (cum'è CFD).
Figura 2. Effetti di diverse velocità di flussu di gas nantu à a saldatura
L'ottimisazione di u flussu deve esse aghjustata in cumbinazione cù a cunduttività termica di u materiale è u spessore di a piastra:
• Per l'acciaiu è l'acciaiu inox: Per e piastre d'acciaiu sottili (1-2 mm), a velocità di flussu hè preferibilmente 10-15 L/min. Per e piastre spesse (>6 mm), deve esse aumentata à 18-22 L/min per supprime l'ossidazione di a coda. Per esempiu, quandu a velocità di flussu di l'acciaiu inox 316L di 6 mm di spessore hè 20 L/min, l'uniformità di a durezza HAZ hè migliorata di u 30%.
• Per a lega d'aluminiu: L'alta cunduttività termica richiede un flussu elevatu per allargà u tempu di prutezzione. Per a lega d'aluminiu 7075 di 3 mm di spessore, u tassu di porosità hè u più bassu (0,3%) quandu u flussu hè 25-30 L/min. Tuttavia, per e piastre ultra-spesse (> 10 mm), hè necessariu cumminà cù u soffiu cumpostu per evità a turbulenza.
L'influenza di u modu di gasu di soffiu
U modu di soffiu di gas affetta direttamente u mudellu di flussu di u bagnu fusu è l'effettu di soppressione di difetti cuntrullendu a direzzione è a distribuzione di u flussu di gas. U modu di soffiu di gas regula u flussu di u bagnu fusu cambiendu u gradiente di tensione superficiale è u flussu Marangoni (flussu Marangoni). U soffiu laterale pò induce u bagnu fusu à scorrere in una direzzione specifica, riducendu i pori è l'inclusione di scoria; u soffiu cumpostu pò migliurà l'uniformità di a furmazione di saldatura equilibrendu a distribuzione di l'energia attraversu un flussu di gas multidirezionale.
I principali metudi di soffiu includenu:
• Soffiu coassiale: U flussu di gas hè emessu coassiale cù u raghju laser, cuprendu simmetricamente u bagnu fusu, adattatu per a saldatura à alta velocità. U so vantaghju hè una alta stabilità di u prucessu, ma u flussu di gas pò interferisce cù a focalizazione laser. Per esempiu, quandu si usa u soffiu coassiale nantu à una lamiera d'acciaio galvanizzata per automobili (1,2 mm), a velocità di saldatura pò esse aumentata à 40 mm/s, è a velocità di spruzzatura hè inferiore à 0,1.
• Soffiu laterale: U flussu di gas hè introduttu da u latu di u bagnu fusu, chì pò esse adupratu per rimuovere direzionalmente l'impurità di plasma o di fondu, adattatu per a saldatura à penetrazione profonda. Per esempiu, quandu si soffia nantu à l'acciaiu Q345 di 12 mm di spessore à un angulu di 30°, a penetrazione di a saldatura aumenta di u 18%, è u tassu di porosità di u fondu diminuisce da u 4% à u 0,8%.
• Soffiu cumpostu: Cumbinendu u soffiu coassiale è laterale, pò supprimà simultaneamente l'ossidazione è l'interferenza di u plasma. Per esempiu, per a lega d'aluminiu 6061 di 3 mm di spessore cù un design à doppia bocca, u tassu di porosità hè riduttu da 2,5% à 0,4%, è a resistenza à a trazione righjunghje u 95% di u materiale di basa.
L'influenza di u gasu di prutezzione nantu à a qualità di a saldatura deriva fundamentalmente da a so regulazione di u trasferimentu d'energia, a termodinamica di u bagnu fusu è e reazzioni chimiche:
1. Trasferimentu d'energia: L'alta cunduttività termica di l'eliu accelera u raffreddamentu di u bagnu fusu, riducendu a larghezza di a zona affettata da u calore (HAZ); a bassa cunduttività termica di l'argon prolonga u tempu di esistenza di u bagnu fusu, ciò chì hè beneficu per a furmazione superficiale di piastre sottili.
2. Stabilità di u bagnu fusu: U flussu di gasu affetta u flussu di u bagnu fusu per via di a forza di cisaillementu, è una velocità di flussu adatta pò supprimà i spruzzi; una velocità di flussu eccessiva pruvucarà vortici, purtendu à difetti di saldatura.
3. Prutezzione chimica: I gasi inerti isolanu l'ossigenu è impediscenu l'ossidazione di l'elementi di lega (cum'è Cr, Al); i gasi attivi (cum'è N₂) cambianu e proprietà di a saldatura per via di u rinfurzamentu di e soluzioni solide o di a furmazione di cumposti, ma a cuncentrazione deve esse cuntrullata precisamente.
Data di publicazione: 09 d'aprile 2025
