تأثیر پارامترهای گاز محافظ بر فرآیند جوشکاری لیزر

فناوری جوشکاری لیزریبه دلیل چگالی انرژی بالا، گرمای ورودی کم و ویژگی‌های غیرتماسی، به یکی از فرآیندهای اصلی در تولید دقیق مدرن تبدیل شده است. با این حال، مشکلاتی مانند اکسیداسیون، تخلخل و سوختن المان ناشی از تماس حوضچه مذاب با جو در حین جوشکاری، خواص مکانیکی و عمر مفید درز جوش را به طور جدی محدود می‌کند. به عنوان واسطه اصلی برای کنترل محیط جوشکاری، انتخاب نوع، سرعت جریان و نحوه دمش گاز محافظ باید با ویژگی‌های ماده (مانند فعالیت شیمیایی، رسانایی حرارتی) و ضخامت صفحه همراه باشد.

انواع گازهای محافظ

عملکرد اصلی گازهای محافظ در جداسازی اکسیژن، تنظیم رفتار حوضچه مذاب و بهبود راندمان اتصال انرژی نهفته است. بر اساس خواص شیمیایی آنها، گازهای محافظ را می‌توان به گازهای بی‌اثر (آرگون، هلیوم) و گازهای فعال (نیتروژن، دی‌اکسید کربن) طبقه‌بندی کرد. گازهای بی‌اثر پایداری شیمیایی بالایی دارند و می‌توانند به طور مؤثر از اکسیداسیون حوضچه مذاب جلوگیری کنند، اما تفاوت‌های قابل توجه آنها در خواص فیزیکی حرارتی به طور قابل توجهی بر اثر جوشکاری تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، آرگون (Ar) چگالی بالایی (1.784 کیلوگرم بر متر مکعب) دارد و می‌تواند یک پوشش پایدار تشکیل دهد، اما رسانایی حرارتی پایین آن (0.0177 وات بر متر مکعب) منجر به خنک شدن آهسته حوضچه مذاب و نفوذ کم جوش می‌شود. در مقابل، هلیوم (He) رسانایی حرارتی هشت برابر بیشتر (0.1513 وات بر متر مکعب) نسبت به آرگون دارد و می‌تواند خنک شدن حوضچه مذاب را تسریع کرده و نفوذ جوش را افزایش دهد، اما چگالی کم آن (0.1785 کیلوگرم بر متر مکعب) باعث می‌شود که مستعد فرار باشد و برای حفظ اثر محافظتی به سرعت جریان بالاتری نیاز دارد. گازهای فعال مانند نیتروژن (N₂) می‌توانند در برخی موارد از طریق تقویت محلول جامد، استحکام جوش را افزایش دهند، اما استفاده بیش از حد از آنها می‌تواند باعث تخلخل یا رسوب فازهای شکننده شود. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری فولاد ضد زنگ دوپلکس، نفوذ نیتروژن به داخل حوضچه مذاب ممکن است تعادل فاز فریت/آستنیت را مختل کند و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی کاهش یابد.

شکل 1. جوشکاری لیزری فولاد ضد زنگ 304L (بالا): محافظ گاز Ar؛ (پایین): محافظ گاز N2

از منظر مکانیسم فرآیند، انرژی یونیزاسیون بالای هلیوم (24.6 eV) می‌تواند اثر محافظتی پلاسما را سرکوب کرده و جذب انرژی لیزر را افزایش دهد و در نتیجه عمق نفوذ را افزایش دهد. در همین حال، انرژی یونیزاسیون پایین آرگون (15.8 eV) مستعد ایجاد ابرهای پلاسما است که برای کاهش تداخل نیاز به تمرکززدایی یا مدولاسیون پالس دارد. علاوه بر این، واکنش شیمیایی بین گازهای فعال و حوضچه مذاب (مانند واکنش نیتروژن با کروم در فولاد) ممکن است ترکیب جوش را تغییر دهد و انتخاب دقیق بر اساس خواص مواد ضروری است.

مثال‌های کاربرد مواد:

• فولاد: در جوشکاری صفحات نازک (<3 میلی‌متر)، آرگون می‌تواند سطح نهایی را تضمین کند، با ضخامت لایه اکسید تنها 0.5 میکرومتر برای درز جوش فولاد کم کربن 1.5 میلی‌متری؛ برای صفحات ضخیم (>10 میلی‌متر)، مقدار کمی هلیوم (He) برای افزایش عمق نفوذ نیاز است.

• فولاد ضد زنگ: محافظت با آرگون می‌تواند از اتلاف عنصر کروم جلوگیری کند، به طوری که مقدار کروم ۱۸.۲٪ در یک درز جوش فولاد ضد زنگ ۳۰۴ با ضخامت ۳ میلی‌متر، به ۱۸.۵٪ فلز پایه نزدیک می‌شود؛ برای فولاد ضد زنگ دوپلکس، مخلوط Ar-N₂ (N₂ ≤ ۵٪) برای متعادل کردن این نسبت مورد نیاز است. مطالعات نشان داده‌اند که هنگام استفاده از مخلوط Ar-۲٪ N₂ برای فولاد ضد زنگ دوپلکس ۲۲۰۵ با ضخامت ۸ میلی‌متر، نسبت فریت/آستنیت در ۴۸:۵۲ پایدار است و استحکام کششی آن ۷۸۰ مگاپاسکال است که نسبت به محافظت با آرگون خالص (۷۲۰ مگاپاسکال) برتر است.

• آلیاژ آلومینیوم: صفحه نازک (<3 میلی‌متر): بازتاب بالای آلیاژهای آلومینیوم منجر به نرخ جذب انرژی پایین می‌شود و هلیوم با انرژی یونیزاسیون بالای خود (24.6 eV) می‌تواند پلاسما را پایدار کند. تحقیقات نشان می‌دهد که وقتی آلیاژ آلومینیوم 6061 با ضخامت 2 میلی‌متر توسط هلیوم محافظت می‌شود، عمق نفوذ به 1.8 میلی‌متر می‌رسد که در مقایسه با آرگون 25٪ افزایش می‌یابد و نرخ تخلخل کمتر از 1٪ است. برای صفحات ضخیم (>5 میلی‌متر): صفحات ضخیم آلیاژ آلومینیوم نیاز به انرژی ورودی بالایی دارند و مخلوط هلیوم-آرگون (He:Ar = 3:1) می‌تواند هم عمق نفوذ و هم هزینه را متعادل کند. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری صفحات 5083 با ضخامت 8 میلی‌متر، عمق نفوذ تحت حفاظت گاز مخلوط به 6.2 میلی‌متر می‌رسد که در مقایسه با گاز آرگون خالص 35٪ افزایش می‌یابد و هزینه جوشکاری 20٪ کاهش می‌یابد.

توجه: متن اصلی حاوی برخی خطاها و ناهماهنگی‌ها است. ترجمه ارائه شده بر اساس نسخه تصحیح شده و منسجم متن است.

تأثیر سرعت جریان گاز آرگون

نرخ جریان گاز آرگون مستقیماً بر قابلیت پوشش گاز و دینامیک سیالات حوضچه مذاب تأثیر می‌گذارد. وقتی نرخ جریان ناکافی باشد، لایه گاز نمی‌تواند هوا را به طور کامل ایزوله کند و لبه حوضچه مذاب مستعد اکسیداسیون و تشکیل منافذ گازی است. وقتی نرخ جریان خیلی زیاد باشد، ممکن است باعث ایجاد تلاطم شود که می‌تواند سطح حوضچه مذاب را شسته و منجر به فرورفتگی یا پاشش جوش شود. طبق عدد رینولدز مکانیک سیالات (Re = ρvD/μ)، افزایش نرخ جریان، سرعت جریان گاز را افزایش می‌دهد. وقتی Re > 2300 باشد، جریان آرام به جریان آشفته تبدیل می‌شود که پایداری حوضچه مذاب را از بین می‌برد. بنابراین، تعیین نرخ جریان بحرانی باید از طریق آزمایش یا شبیه‌سازی عددی (مانند CFD) تجزیه و تحلیل شود.

شکل ۲. اثرات نرخ‌های مختلف جریان گاز بر درز جوش

بهینه‌سازی جریان باید در ترکیب با رسانایی حرارتی مواد و ضخامت صفحه تنظیم شود:

• برای فولاد و فولاد ضد زنگ: برای صفحات فولادی نازک (1-2 میلی‌متر)، سرعت جریان ترجیحاً 10-15 لیتر در دقیقه است. برای صفحات ضخیم (>6 میلی‌متر)، باید به 18-22 لیتر در دقیقه افزایش یابد تا اکسیداسیون انتهایی متوقف شود. به عنوان مثال، وقتی سرعت جریان فولاد ضد زنگ 316L با ضخامت 6 میلی‌متر، 20 لیتر در دقیقه باشد، یکنواختی سختی HAZ 30٪ بهبود می‌یابد.

• برای آلیاژ آلومینیوم: رسانایی حرارتی بالا برای افزایش زمان محافظت، نیاز به نرخ جریان بالایی دارد. برای آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ با ضخامت ۳ میلی‌متر، نرخ تخلخل در کمترین مقدار خود (۰.۳٪) زمانی است که نرخ جریان ۲۵-۳۰ لیتر در دقیقه باشد. با این حال، برای صفحات فوق ضخیم (>۱۰ میلی‌متر)، برای جلوگیری از تلاطم، لازم است که با دمش کامپوزیت ترکیب شود.

تأثیر حالت دمیدن گاز

حالت دمش گاز مستقیماً بر الگوی جریان حوضچه مذاب و اثر سرکوب نقص با کنترل جهت و توزیع جریان گاز تأثیر می‌گذارد. حالت دمش گاز با تغییر گرادیان کشش سطحی و جریان مارانگونی (جریان مارانگونی) جریان حوضچه مذاب را تنظیم می‌کند. دمش جانبی می‌تواند حوضچه مذاب را به جریان در جهت خاصی وادار کند و منافذ و ناخالصی سرباره را کاهش دهد. دمش کامپوزیت می‌تواند با متعادل کردن توزیع انرژی از طریق جریان گاز چند جهته، یکنواختی تشکیل جوش را بهبود بخشد.

روش‌های اصلی دمیدن عبارتند از:

• دمش هم محور: جریان گاز به صورت هم محور با پرتو لیزر خارج می‌شود و به صورت متقارن حوضچه مذاب را می‌پوشاند که برای جوشکاری با سرعت بالا مناسب است. مزیت آن پایداری بالای فرآیند است، اما جریان گاز ممکن است در فوکوس لیزر اختلال ایجاد کند. به عنوان مثال، هنگام استفاده از دمش هم محور روی ورق فولادی گالوانیزه خودرو (1.2 میلی‌متر)، سرعت جوشکاری را می‌توان تا 40 میلی‌متر بر ثانیه افزایش داد و میزان پاشش کمتر از 0.1 است.

• دمش از کنار: جریان گاز از کنار حوضچه مذاب وارد می‌شود که می‌تواند برای حذف جهت‌دار ناخالصی‌های پلاسما یا کف استفاده شود و برای جوشکاری با نفوذ عمیق مناسب است. به عنوان مثال، هنگام دمش روی فولاد Q345 با ضخامت ۱۲ میلی‌متر و با زاویه ۳۰ درجه، نفوذ جوش ۱۸٪ افزایش می‌یابد و میزان تخلخل کف از ۴٪ به ۰.۸٪ کاهش می‌یابد.

• دمش کامپوزیت: با ترکیب دمش هم محور و جانبی، می‌تواند همزمان اکسیداسیون و تداخل پلاسما را سرکوب کند. به عنوان مثال، برای آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۱ با ضخامت ۳ میلی‌متر و طراحی نازل دوتایی، میزان تخلخل از ۲.۵٪ به ۰.۴٪ کاهش می‌یابد و استحکام کششی به ۹۵٪ ماده پایه می‌رسد.

تأثیر گاز محافظ بر کیفیت جوشکاری اساساً ناشی از تنظیم انتقال انرژی، ترمودینامیک حوضچه مذاب و واکنش‌های شیمیایی توسط آن است:

۱. انتقال انرژی: رسانایی حرارتی بالای هلیوم، خنک شدن حوضچه مذاب را تسریع می‌کند و عرض منطقه متاثر از حرارت (HAZ) را کاهش می‌دهد؛ رسانایی حرارتی پایین آرگون، زمان ماندگاری حوضچه مذاب را طولانی‌تر می‌کند که برای تشکیل سطح صفحات نازک مفید است.

۲. پایداری حوضچه مذاب: جریان گاز از طریق نیروی برشی بر جریان حوضچه مذاب تأثیر می‌گذارد و سرعت جریان مناسب می‌تواند از پاشش جلوگیری کند؛ سرعت جریان بیش از حد باعث ایجاد گرداب می‌شود که منجر به نقص جوش می‌شود.

۳. حفاظت شیمیایی: گازهای بی‌اثر، اکسیژن را ایزوله کرده و از اکسیداسیون عناصر آلیاژی (مانند Cr، Al) جلوگیری می‌کنند؛ گازهای فعال (مانند N₂) از طریق تقویت محلول جامد یا تشکیل ترکیب، خواص جوش را تغییر می‌دهند، اما غلظت آنها باید دقیقاً کنترل شود.