01
Esipuhe
Suuren energiatiheyden, alhaisen lämmönsyötön ja{0}}kontaktittoman luonteensa ansiosta laserhitsaustekniikka on noussut yhdeksi nykyaikaisen tarkkuusvalmistuksen ydinprosesseista. Kuitenkin ongelmat, kuten hapettuminen, huokoisuus ja alkuainepalaminen-pois-, jotka johtuvat hitsausaltaan ja ilmakehän kosketuksesta hitsausprosessin aikana-rajoittavat vakavasti hitsisaumojen mekaanisia ominaisuuksia ja käyttöikää. Hitsausympäristön hallinnan kriittisenä väliaineena suojakaasutyypin, virtausnopeuden ja syöttötavan valinta on yhdistettävä huolellisesti materiaalin erityisominaisuuksiin (kuten kemiallinen reaktiivisuus ja lämmönjohtavuus) ja työkappaleen paksuuteen.
Laser- ja elektronisädekäsittely
02
Suojakaasutyypit
Suojakaasun ensisijainen tehtävä on eristää happea, säädellä hitsisulan käyttäytymistä ja parantaa energian kytkennän tehokkuutta. Suojakaasut voidaan kemiallisten ominaisuuksiensa perusteella luokitella laajasti inertteihin kaasuihin (kuten argon ja helium) ja aktiivisiin kaasuihin (kuten typpi ja hiilidioksidi). Inertillä kaasulla on korkea kemiallinen stabiilisuus, mikä estää tehokkaasti hitsausaltaan hapettumisen; kuitenkin merkittävät erot niiden lämpöfysikaalisissa ominaisuuksissa voivat vaikuttaa syvästi hitsaustulokseen. Esimerkiksi argonilla (Ar) on korkea tiheys (1,784 kg/m³), minkä ansiosta se voi muodostaa vakaan suojapeiton hitsausaltaan päälle; päinvastoin sen alhainen lämmönjohtavuus (0,0177 W/m·K) johtaa hitsialtaan hitaampaan jäähdytykseen ja pienempään tunkeutumissyvyyteen. Sitä vastoin heliumilla (He) on noin kahdeksan kertaa suurempi lämmönjohtavuus kuin argonilla (0,1513 W/m·K), mikä nopeuttaa hitsialtaan jäähtymistä ja lisää tunkeutumissyvyyttä; kuitenkin sen alhainen tiheys (0,1785 kg/m³) tekee siitä alttiita nopealle leviämiselle, mikä edellyttää suurempia virtausnopeuksia tehokkaan suojauksen ylläpitämiseksi. Aktiiviset kaasut,-kuten typpi (N₂)-voivat tietyissä sovelluksissa parantaa hitsisauman lujuutta kiinteän -liuosvahvistuksen ansiosta. niiden liiallinen käyttö voi kuitenkin johtaa huokoisuuteen tai hauraiden faasien saostumiseen. Esimerkiksi hitsattaessa duplex-ruostumattomia teräksiä typen liukeneminen hitsausaltaaseen voi häiritä ferriitti-austeniitin faasitasapainoa, mikä johtaa korroosionkestävyyden heikkenemiseen.
Prosessimekanismien näkökulmasta heliumin korkea ionisaatioenergia (24,6 eV) vaimentaa plasmasuojausvaikutusta ja tehostaa laserenergian absorptiota, mikä lisää tunkeutumissyvyyttä. Päinvastoin, argonin alhainen ionisaatioenergia (15,8 eV) pyrkii synnyttämään plasmapilven, mikä edellyttää sellaisten tekniikoiden käyttöä kuin defokusointi tai pulssimodulaatio häiriöiden lieventämiseksi. Lisäksi kemialliset reaktiot aktiivisten suojakaasujen ja sulan altaan välillä,-kuten nitridien muodostuminen typen ja kromin reaktiossa teräksessä-voivat muuttaa hitsin koostumusta; siksi suojakaasun valinta on tehtävä varoen ottaen huomioon materiaalin erityisominaisuudet.
**Materiaalin käyttöesimerkkejä:**
• **Teräs:** Ohut levyjen hitsauksessa (<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), kuitenkin tarvitaan pieni lisäys heliumia (He) tunkeutumissyvyyden lisäämiseksi.
• **Ruostumaton teräs:** Argonsuojaus estää kromi (Cr) -pitoisuuden vähenemisen; 3 mm paksun ruostumattoman 304-teräksen hitsauksessa Cr-pitoisuus saavuttaa 18,2 % (lähellä perusmetallin 18,5 %). Toisaalta ruostumattomat duplex-teräkset vaativat Ar-N2-seoksen (jossa N2 on enintään 5 %) tasapainoisen faasisuhteen ylläpitämiseksi. Tutkimukset osoittavat, että kun hitsataan 8 mm paksua 2205 duplex ruostumatonta terästä Ar-2 %N2-seoksella, ferriitti----faasisuhde stabiloituu arvoon 48:52, jolloin saadaan 780 MPa:n vetolujuus (parempi argonin MP20-suojaus).
• **Alumiiniseokset:** *Ohuet levyt (<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):* Paksujen alumiinilevyjen hitsaus vaatii paljon energiaa; helium-argonseos (He:Ar=3:1) tarjoaa tasapainon riittävän tunkeutumissyvyyden saavuttamisen ja kustannusten hallinnan välillä. Esimerkiksi hitsattaessa 8 mm paksuja 5083-levyjä, tällä seoksella suojaus johtaa 6,2 mm:n tunkeutumissyvyyteen-35 %:lla parannus puhtaaseen argoniin verrattuna-, samalla kun hitsauskustannukset pienenevät 20 %.
