Gas protettivo
Nel processo di saldatura laser, il gas inerte viene spesso utilizzato per proteggere il bagno fuso. Quando alcuni materiali vengono saldati, l'ossidazione superficiale potrebbe non essere considerata, ma la protezione potrebbe non essere considerata. Tuttavia, per la maggior parte delle applicazioni, elio, argon, azoto e altri gas vengono spesso utilizzati come protezione per rendere il pezzo in lavorazione in Evitare l'ossidazione durante la saldatura.
L'elio non è facile da ionizzare (maggiore energia di ionizzazione), il che consente al laser di passare agevolmente e l'energia del raggio raggiunge la superficie del pezzo senza ostacoli. Questo è il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è più costoso.
L'argon è più economico e più denso, quindi l'effetto di protezione è migliore. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione al plasma metallico ad alta temperatura, che protegge parte del raggio dall'essere diretta al pezzo in lavorazione, riduce la potenza laser effettiva per la saldatura e danneggia anche la velocità di saldatura e la penetrazione. La superficie della saldatura protetta dall'argon è più liscia rispetto a quando è protetta dall'elio.
L'azoto è il gas di protezione più economico, ma non è adatto per la saldatura di alcuni tipi di acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come a volte la produzione di pori nell'area di sovrapposizione.
La seconda funzione dell'utilizzo del gas di protezione è quella di proteggere la lente di focalizzazione dalla contaminazione da vapori metallici e dagli schizzi di goccioline di liquido. Soprattutto nella saldatura laser ad alta potenza, poiché il materiale espulso è molto potente, è più necessario proteggere l'obiettivo in questo momento.
Il terzo ruolo del gas di protezione è quello di dissipare la schermatura al plasma prodotta dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe l'energia del raggio laser e ionizza in una nuvola di plasma, e anche il gas di protezione attorno al vapore metallico viene ionizzato mediante riscaldamento. Se c'è troppo plasma, l'energia del raggio laser viene consumata dal plasma in una certa misura. Il plasma esiste sulla superficie del pezzo in lavorazione come seconda fonte di energia, il che rende la profondità di penetrazione bassa e la superficie del bagno di saldatura più ampia. Aumenta la velocità di ricombinazione elettronica aumentando la collisione a tre corpi di elettroni con atomi neutri per ridurre la densità di elettroni nel plasma. Più leggero è l'atomo neutro, maggiore è la frequenza di collisione e maggiore è il tasso di ricombinazione. D'altra parte, solo il gas di protezione con un'elevata energia di ionizzazione non aumenterà la densità di elettroni a causa della ionizzazione del gas stesso.
Materiale | Elio | Argon | Azoto | Alluminio | Magnesio | Ferro |
Massa atomica (molecola) | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
Energia di ionizzazione (eV) | 24.46 | 15.68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7.83 |
Tabella 1: massa atomica (molecola) ed energia di ionizzazione di vari gas e metalli
Dalla tabella si può vedere che la dimensione del plasma è correlata al diverso gas di protezione utilizzato, l'elio è il più piccolo, seguito dall'azoto e il più grande quando si utilizza l'argon. Maggiore è la dimensione del plasma, minore è la profondità di penetrazione. Il grado di ionizzazione e la densità del gas fanno la differenza nella dimensione del plasma.
L'elio ha la minor ionizzazione e densità. Può espellere rapidamente il vapore metallico in aumento generato dalla piscina di metallo fuso. Pertanto, l'uso dell'elio come gas di protezione può sopprimere il plasma nella massima misura, aumentando così la profondità di penetrazione e aumentando la velocità di saldatura; a causa del suo peso leggero, può fuoriuscire e non è facile causare pori. Naturalmente, dall'effettivo effetto di saldatura, l'effetto della protezione dell'argon non è negativo. L'influenza della nuvola di plasma sulla penetrazione è più evidente nella zona a bassa velocità di saldatura. Quando la velocità di saldatura aumenta, la sua influenza sarà indebolita.
Il gas di protezione viene espulso attraverso l'apertura dell'ugello con una certa pressione per raggiungere la superficie del pezzo. La forma idrodinamica dell'ugello e il diametro dell'uscita sono molto importanti. Deve essere abbastanza grande da guidare il gas di protezione spruzzato per coprire la superficie di saldatura, ma per proteggere efficacemente la lente e prevenire la contaminazione da vapori metallici o danni da schizzi di metallo alla lente, anche le dimensioni dell'ugello devono essere limitate. Anche la portata dovrebbe essere controllata, altrimenti il flusso laminare del gas di protezione diventerà turbolento e l'atmosfera verrà aspirata nel bagno fuso e alla fine formerà dei pori.
Al fine di migliorare l'effetto di protezione, può essere utilizzato anche un ulteriore soffiaggio laterale, ovvero il gas di protezione viene iniettato direttamente nel foro di saldatura a penetrazione profonda ad un certo angolo attraverso un ugello di diametro inferiore. Il gas di protezione non solo sopprime la nuvola di plasma sulla superficie del pezzo, ma esercita anche un'influenza sulla formazione di plasma e piccoli fori nel foro e la profondità di penetrazione viene ulteriormente aumentata e una saldatura con una profondità e una larghezza ideali è ottenuto. Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso delle dimensioni e della direzione del flusso d'aria, altrimenti è facile produrre turbolenze e distruggere il bagno di fusione, il che rende difficile stabilizzare il processo di saldatura.
