Tecnoloxía de soldadura láser, debido á súa alta densidade de enerxía, baixa entrada de calor e características sen contacto, converteuse nun dos procesos básicos na fabricación de precisión moderna. Non obstante, problemas como a oxidación, a porosidade e a queima de elementos causados polo contacto do baño fundido coa atmosfera durante a soldadura restrinxen seriamente as propiedades mecánicas e a vida útil da costura de soldadura. Como medio central para controlar o ambiente de soldadura, a selección do tipo, o caudal e o modo de soprado do gas protector debe estar combinada coas características do material (como a actividade química e a condutividade térmica) e o grosor da placa.
Tipos de gases de protección
A función principal dos gases de protección reside en illar o osíxeno, regular o comportamento da masa fundida e mellorar a eficiencia do acoplamento enerxético. En función das súas propiedades químicas, os gases de protección pódense clasificar en gases inertes (argón, helio) e gases activos (nitróxeno, dióxido de carbono). Os gases inertes teñen unha alta estabilidade química e poden previr eficazmente a oxidación da masa fundida, pero as súas diferenzas significativas nas propiedades termofísicas afectan significativamente o efecto de soldadura. Por exemplo, o argón (Ar) ten unha alta densidade (1,784 kg/m³) e pode formar un revestimento estable, pero a súa baixa condutividade térmica (0,0177 W/m·K) leva a un arrefriamento lento da masa fundida e a unha penetración superficial da soldadura. Pola contra, o helio (He) ten unha condutividade térmica oito veces maior (0,1513 W/m·K) que o argón e pode acelerar o arrefriamento da masa fundida e aumentar a penetración da soldadura, pero a súa baixa densidade (0,1785 kg/m³) faino propenso a escapar, o que require un caudal maior para manter o efecto protector. Os gases activos como o nitróxeno (N₂) poden mellorar a resistencia da soldadura mediante o fortalecemento da solución sólida en certos escenarios, pero o uso excesivo pode causar porosidade ou a precipitación de fases fráxiles. Por exemplo, ao soldar aceiro inoxidable dúplex, a difusión de nitróxeno no baño fundido pode perturbar o equilibrio de fases ferrita/austenita, o que resulta nunha diminución da resistencia á corrosión.
Figura 1. Soldadura láser de aceiro inoxidable 304L (arriba): protección con gas Ar; (abaixo): protección con gas N2
Desde a perspectiva do mecanismo do proceso, a alta enerxía de ionización do helio (24,6 eV) pode suprimir o efecto de blindaxe do plasma e mellorar a absorción de enerxía do láser, aumentando así a profundidade de penetración. Mentres tanto, a baixa enerxía de ionización do argón (15,8 eV) é propensa a xerar nubes de plasma, o que require desenfoque ou modulación de pulsos para reducir a interferencia. Ademais, a reacción química entre os gases activos e o baño fundido (como o nitróxeno que reacciona co Cr no aceiro) pode alterar a composición da soldadura, polo que é necesaria unha selección coidadosa baseada nas propiedades do material.
Exemplos de aplicación de materiais:
• Aceiro: Na soldadura de chapas delgadas (<3 mm), o argón pode garantir o acabado superficial, cun grosor de capa de óxido de só 0,5 μm para unha costura de soldadura de aceiro baixo en carbono de 1,5 mm; para chapas grosas (>10 mm), é necesario engadir unha pequena cantidade de helio (He) para aumentar a profundidade de penetración.
• Aceiro inoxidable: a protección con argón pode evitar a perda do elemento Cr, cun contido de Cr do 18,2 % nunha costura de soldadura de aceiro inoxidable 304 de 3 mm de espesor que se aproxima ao 18,5 % do metal base; para o aceiro inoxidable dúplex, necesítase unha mestura de Ar-N₂ (N₂ ≤ 5 %) para equilibrar a proporción. Os estudos demostraron que, ao usar unha mestura de Ar-2 % de N₂ para aceiro inoxidable dúplex 2205 de 8 mm de espesor, a proporción de ferrita/austenita é estable en 48:52, cunha resistencia á tracción de 780 MPa, que é superior á protección con argón puro (720 MPa).
• Aliaxe de aluminio: Chapa fina (<3 mm): A alta reflectividade das aliaxes de aluminio leva a unha baixa taxa de absorción de enerxía, e o helio, coa súa alta enerxía de ionización (24,6 eV), pode estabilizar o plasma. As investigacións mostran que cando a aliaxe de aluminio 6061 de 2 mm de espesor está protexida con helio, a profundidade de penetración alcanza os 1,8 mm, aumentando un 25 % en comparación co argón, e a taxa de porosidade é inferior ao 1 %. Para placas grosas (>5 mm): as placas grosas de aliaxe de aluminio requiren unha alta entrada de enerxía, e unha mestura de helio-argón (He:Ar = 3:1) pode equilibrar tanto a profundidade de penetración como o custo. Por exemplo, ao soldar placas 5083 de 8 mm de espesor, a profundidade de penetración alcanza os 6,2 mm baixo protección de gas mixto, aumentando un 35 % en comparación co gas argón puro, e o custo da soldadura redúcese nun 20 %.
Nota: O texto orixinal contén algúns erros e incoherencias. A tradución proporcionada baséase na versión corrixida e coherente do texto.
A influencia do caudal de gas argon
O caudal de gas argon afecta directamente á capacidade de cobertura do gas e á dinámica de fluídos da piscina fundida. Cando o caudal é insuficiente, a capa de gas non pode illar completamente o aire, e o bordo da piscina fundida é propenso á oxidación e á formación de poros de gas; cando o caudal é demasiado alto, pode causar turbulencias, que poden lavar a superficie da piscina fundida e levar á depresión ou salpicaduras da soldadura. Segundo o número de Reynolds da mecánica de fluídos (Re = ρvD/μ), un aumento no caudal aumentará a velocidade do fluxo de gas. Cando Re > 2300, o fluxo laminar convértese en fluxo turbulento, o que destruirá a estabilidade da piscina fundida. Polo tanto, a determinación do caudal crítico debe analizarse mediante experimentos ou simulacións numéricas (como CFD).
Figura 2. Efectos de diferentes caudais de gas na costura de soldadura
A optimización do fluxo debe axustarse en combinación coa condutividade térmica do material e o grosor da placa:
• Para aceiro e aceiro inoxidable: Para placas de aceiro delgadas (1-2 mm), o caudal é preferiblemente de 10-15 L/min. Para placas grosas (>6 mm), debería aumentarse a 18-22 L/min para suprimir a oxidación final. Por exemplo, cando o caudal de aceiro inoxidable 316L de 6 mm de grosor é de 20 L/min, a uniformidade da dureza HAZ mellora nun 30 %.
• Para aliaxes de aluminio: unha alta condutividade térmica require un caudal elevado para prolongar o tempo de protección. Para as aliaxes de aluminio 7075 de 3 mm de espesor, a taxa de porosidade é a máis baixa (0,3 %) cando o caudal é de 25-30 L/min. Non obstante, para placas ultragrosas (>10 mm), é necesario combinala con soprado composto para evitar turbulencias.
A influencia do modo de gas soprado
O modo de gas de soprado afecta directamente o patrón de fluxo do baño fundido e o efecto de supresión de defectos ao controlar a dirección e a distribución do fluxo de gas. O modo de gas de soprado regula o fluxo do baño fundido cambiando o gradiente de tensión superficial e o fluxo Marangoni (fluxo Marangoni). O soprado lateral pode inducir que o baño fundido flúa nunha dirección específica, reducindo os poros e a inclusión de escoria; o soprado composto pode mellorar a uniformidade da formación da soldadura ao equilibrar a distribución de enerxía a través do fluxo de gas multidireccional.
Os principais métodos de soprado inclúen:
• Soprado coaxial: o fluxo de gas sae coaxialmente co feixe láser, cubrindo simetricamente o baño fundido, axeitado para a soldadura de alta velocidade. A súa vantaxe é a alta estabilidade do proceso, pero o fluxo de gas pode interferir co enfoque do láser. Por exemplo, ao usar o soprado coaxial en chapa de aceiro galvanizado para automóbiles (1,2 mm), a velocidade de soldadura pódese aumentar a 40 mm/s e a taxa de salpicaduras é inferior a 0,1.
• Insuflación lateral: o fluxo de gas introdúcese desde o lateral da piscina fundida, o que se pode empregar para eliminar direccionalmente as impurezas do plasma ou do fondo, o que é axeitado para a soldadura de penetración profunda. Por exemplo, ao insuflar en aceiro Q345 de 12 mm de espesor nun ángulo de 30°, a penetración da soldadura aumenta nun 18 % e a taxa de porosidade do fondo diminúe do 4 % ao 0,8 %.
• Soplado composto: combinando o soplado coaxial e lateral, pode suprimir simultaneamente a oxidación e a interferencia do plasma. Por exemplo, para unha aliaxe de aluminio 6061 de 3 mm de espesor cun deseño de dobre boquilla, a taxa de porosidade redúcese do 2,5 % ao 0,4 % e a resistencia á tracción alcanza o 95 % do material base.
A influencia do gas de protección na calidade da soldadura baséase fundamentalmente na súa regulación da transferencia de enerxía, a termodinámica do baño fundido e as reaccións químicas:
1. Transferencia de enerxía: a alta condutividade térmica do helio acelera o arrefriamento da piscina fundida, reducindo o ancho da zona afectada pola calor (ZAT); a baixa condutividade térmica do argon prolonga o tempo de existencia da piscina fundida, o que é beneficioso para a formación superficial de placas delgadas.
2. Estabilidade da masa fundida: o fluxo de gas afecta o fluxo da masa fundida a través da forza de cizallamento, e un caudal axeitado pode suprimir as salpicaduras; un caudal excesivo causará vórtice, o que levará a defectos de soldadura.
3. Protección química: os gases inertes illan o osíxeno e impiden a oxidación dos elementos de aliaxe (como Cr, Al); os gases activos (como N₂) modifican as propiedades da soldadura mediante o fortalecemento en solución sólida ou a formación de compostos, pero a concentración debe controlarse con precisión.
Data de publicación: 09-04-2025
