Tecnologia de soldadura làser, a causa de la seva alta densitat d'energia, baixa aportació de calor i característiques sense contacte, s'ha convertit en un dels processos bàsics de la fabricació de precisió moderna. Tanmateix, problemes com l'oxidació, la porositat i la combustió dels elements causats pel contacte del bany fos amb l'atmosfera durant la soldadura restringeixen seriosament les propietats mecàniques i la vida útil de la costura de soldadura. Com a mitjà principal per controlar l'entorn de soldadura, la selecció del tipus, el cabal i el mode de bufat del gas protector ha d'anar combinada amb les característiques del material (com ara l'activitat química, la conductivitat tèrmica) i el gruix de la placa.
Tipus de gasos de protecció
La funció principal dels gasos de protecció rau en aïllar l'oxigen, regular el comportament del bany fos i millorar l'eficiència de l'acoblament energètic. Segons les seves propietats químiques, els gasos de protecció es poden classificar en gasos inerts (argó, heli) i gasos actius (nitrogen, diòxid de carboni). Els gasos inerts tenen una alta estabilitat química i poden prevenir eficaçment l'oxidació del bany fos, però les seves diferències significatives en les propietats tèrmiques físiques afecten significativament l'efecte de soldadura. Per exemple, l'argó (Ar) té una alta densitat (1,784 kg/m³) i pot formar un recobriment estable, però la seva baixa conductivitat tèrmica (0,0177 W/m·K) condueix a un refredament lent del bany fos i a una penetració superficial de la soldadura. En canvi, l'heli (He) té una conductivitat tèrmica vuit vegades superior (0,1513 W/m·K) que l'argó i pot accelerar el refredament del bany fos i augmentar la penetració de la soldadura, però la seva baixa densitat (0,1785 kg/m³) el fa propens a escapar-se, requerint un cabal més alt per mantenir l'efecte protector. Els gasos actius com el nitrogen (N₂) poden millorar la resistència de la soldadura mitjançant l'enfortiment de la solució sòlida en certs escenaris, però l'ús excessiu pot causar porositat o la precipitació de fases fràgils. Per exemple, quan es solda acer inoxidable dúplex, la difusió de nitrogen al bany fos pot interrompre l'equilibri de fases ferrita/austenita, la qual cosa provoca una disminució de la resistència a la corrosió.
Figura 1. Soldadura làser d'acer inoxidable 304L (a dalt): protecció amb gas Ar; (a baix): protecció amb gas N2
Des de la perspectiva del mecanisme del procés, l'alta energia d'ionització de l'heli (24,6 eV) pot suprimir l'efecte de blindatge del plasma i millorar l'absorció de l'energia làser, augmentant així la profunditat de penetració. Mentrestant, la baixa energia d'ionització de l'argó (15,8 eV) és propensa a generar núvols de plasma, cosa que requereix desenfoque o modulació d'impulsos per reduir la interferència. A més, la reacció química entre els gasos actius i el bany fos (com ara el nitrogen que reacciona amb el Cr en l'acer) pot alterar la composició de la soldadura, i cal una selecció acurada en funció de les propietats del material.
Exemples d'aplicació de materials:
• Acer: En la soldadura de plaques primes (<3 mm), l'argó pot garantir l'acabat superficial, amb un gruix de capa d'òxid de només 0,5 μm per a una costura de soldadura d'acer baix en carboni d'1,5 mm; per a plaques gruixudes (>10 mm), cal afegir una petita quantitat d'heli (He) per augmentar la profunditat de penetració.
• Acer inoxidable: La protecció amb argó pot evitar la pèrdua de l'element Cr, amb un contingut de Cr del 18,2% en una soldadura d'acer inoxidable 304 de 3 mm de gruix que s'acosta al 18,5% del metall base; per a l'acer inoxidable dúplex, es necessita una barreja Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) per equilibrar la proporció. Els estudis han demostrat que quan s'utilitza una barreja Ar-2% N₂ per a acer inoxidable dúplex 2205 de 8 mm de gruix, la proporció ferrita/austenita és estable a 48:52, amb una resistència a la tracció de 780 MPa, que és superior a la protecció amb argó pur (720 MPa).
• Aliatge d'alumini: Placa fina (<3 mm): L'alta reflectivitat dels aliatges d'alumini condueix a una baixa taxa d'absorció d'energia, i l'heli, amb la seva alta energia d'ionització (24,6 eV), pot estabilitzar el plasma. La investigació mostra que quan l'aliatge d'alumini 6061 de 2 mm de gruix està protegit per heli, la profunditat de penetració arriba als 1,8 mm, augmentant un 25% en comparació amb l'argó, i la taxa de porositat és inferior a l'1%. Per a plaques gruixudes (>5 mm): les plaques gruixudes d'aliatge d'alumini requereixen una alta aportació d'energia, i una barreja d'heli-argó (He:Ar = 3:1) pot equilibrar tant la profunditat de penetració com el cost. Per exemple, quan es solden plaques 5083 de 8 mm de gruix, la profunditat de penetració arriba als 6,2 mm sota protecció de gas mixt, augmentant un 35% en comparació amb el gas argó pur, i el cost de la soldadura es redueix en un 20%.
Nota: El text original conté alguns errors i incoherències. La traducció proporcionada es basa en la versió corregida i coherent del text.
La influència del cabal de gas argó
El cabal de gas argó afecta directament la capacitat de cobertura del gas i la dinàmica de fluids del bany fos. Quan el cabal és insuficient, la capa de gas no pot aïllar completament l'aire, i la vora del bany fos és propensa a l'oxidació i a la formació de porus de gas; quan el cabal és massa alt, pot causar turbulències, que poden rentar la superfície del bany fos i provocar depressió o esquitxades de soldadura. Segons el nombre de Reynolds de la mecànica de fluids (Re = ρvD/μ), un augment del cabal augmentarà la velocitat del flux de gas. Quan Re > 2300, el flux laminar es converteix en flux turbulent, cosa que destruirà l'estabilitat del bany fos. Per tant, la determinació del cabal crític s'ha d'analitzar mitjançant experiments o simulacions numèriques (com ara CFD).
Figura 2. Efectes de diferents cabals de gas sobre la costura de soldadura
L'optimització del flux s'ha d'ajustar en combinació amb la conductivitat tèrmica del material i el gruix de la placa:
• Per a acer i acer inoxidable: Per a plaques d'acer primes (1-2 mm), el cabal és preferiblement de 10-15 L/min. Per a plaques gruixudes (>6 mm), s'hauria d'augmentar a 18-22 L/min per suprimir l'oxidació de la cua. Per exemple, quan el cabal d'acer inoxidable 316L de 6 mm de gruix és de 20 L/min, la uniformitat de la duresa HAZ millora en un 30%.
• Per a aliatges d'alumini: una alta conductivitat tèrmica requereix un cabal elevat per allargar el temps de protecció. Per a l'aliatge d'alumini 7075 de 3 mm de gruix, la taxa de porositat és la més baixa (0,3%) quan el cabal és de 25-30 L/min. Tanmateix, per a plaques ultragruixudes (>10 mm), cal combinar-ho amb bufat compost per evitar turbulències.
La influència del mode de gas de bufat
El mode de gas de bufat afecta directament el patró de flux del bany fos i l'efecte de supressió de defectes controlant la direcció i la distribució del flux de gas. El mode de gas de bufat regula el flux del bany fos canviant el gradient de tensió superficial i el flux Marangoni (flux Marangoni). El bufat lateral pot induir el bany fos a fluir en una direcció específica, reduint els porus i la inclusió d'escòria; el bufat compost pot millorar la uniformitat de la formació de la soldadura equilibrant la distribució d'energia a través del flux de gas multidireccional.
Els principals mètodes de bufat inclouen:
• Bufament coaxial: el flux de gas s'emet coaxialment amb el feix làser, cobrint simètricament el bany fos, adequat per a la soldadura d'alta velocitat. El seu avantatge és l'alta estabilitat del procés, però el flux de gas pot interferir amb l'enfocament del làser. Per exemple, quan s'utilitza el bufament coaxial en xapa d'acer galvanitzat per a automòbils (1,2 mm), la velocitat de soldadura es pot augmentar fins a 40 mm/s i la taxa de projecció és inferior a 0,1.
• Bufament lateral: El flux de gas s'introdueix des del costat de la piscina fosa, que es pot utilitzar per eliminar direccionalment les impureses del plasma o del fons, adequada per a la soldadura de penetració profunda. Per exemple, quan es bufa sobre acer Q345 de 12 mm de gruix amb un angle de 30°, la penetració de la soldadura augmenta un 18% i la taxa de porositat del fons disminueix del 4% al 0,8%.
• Bufament compost: combinant el bufament coaxial i lateral, pot suprimir simultàniament l'oxidació i la interferència del plasma. Per exemple, per a un aliatge d'alumini 6061 de 3 mm de gruix amb un disseny de doble boquilla, la taxa de porositat es redueix del 2,5% al 0,4% i la resistència a la tracció arriba al 95% del material base.
La influència del gas protector en la qualitat de la soldadura prové fonamentalment de la seva regulació de la transferència d'energia, la termodinàmica del bany fos i les reaccions químiques:
1. Transferència d'energia: L'alta conductivitat tèrmica de l'heli accelera el refredament de la piscina fosa, reduint l'amplada de la zona afectada per la calor (HAZ); la baixa conductivitat tèrmica de l'argó prolonga el temps d'existència de la piscina fosa, cosa que és beneficiosa per a la formació superficial de plaques primes.
2. Estabilitat del bany fos: El flux de gas afecta el flux del bany fos a través de la força de cisallament, i un cabal adequat pot suprimir les esquitxades; un cabal excessiu causarà vòrtex, que provocarà defectes de soldadura.
3. Protecció química: els gasos inerts aïllen l'oxigen i eviten l'oxidació dels elements d'aliatge (com ara Cr, Al); els gasos actius (com ara N₂) canvien les propietats de la soldadura mitjançant l'enfortiment de la solució sòlida o la formació de compostos, però cal controlar la concentració amb precisió.
Data de publicació: 09 d'abril de 2025
