LaserlastechnologieDoor de hoge energiedichtheid, lage warmte-inbreng en contactloze eigenschappen is lassen uitgegroeid tot een van de kernprocessen in de moderne precisie-industrie. Problemen zoals oxidatie, porositeit en het wegbranden van elementen, veroorzaakt door het contact van het smeltbad met de atmosfeer tijdens het lassen, beperken echter de mechanische eigenschappen en de levensduur van de lasnaad aanzienlijk. Als essentieel middel voor het beheersen van de lasomgeving, moet de keuze van het type, de stroomsnelheid en de blaasmodus van het beschermgas worden afgestemd op de materiaaleigenschappen (zoals chemische activiteit en thermische geleidbaarheid) en de dikte van de plaat.
Soorten beschermgassen
De kernfunctie van beschermgassen is het isoleren van zuurstof, het reguleren van het gedrag van het smeltbad en het verbeteren van de energieoverdracht. Op basis van hun chemische eigenschappen kunnen beschermgassen worden ingedeeld in inerte gassen (argon, helium) en actieve gassen (stikstof, koolstofdioxide). Inerte gassen hebben een hoge chemische stabiliteit en kunnen de oxidatie van het smeltbad effectief voorkomen, maar hun significante verschillen in thermofysische eigenschappen hebben een grote invloed op het lasresultaat. Argon (Ar) heeft bijvoorbeeld een hoge dichtheid (1,784 kg/m³) en kan een stabiele coating vormen, maar de lage thermische geleidbaarheid (0,0177 W/m·K) leidt tot een langzame afkoeling van het smeltbad en een geringe laspenetratie. In tegenstelling tot argon heeft helium (He) een achtmaal hogere thermische geleidbaarheid (0,1513 W/m·K) en kan het de afkoeling van het smeltbad versnellen en de laspenetratie vergroten. De lage dichtheid (0,1785 kg/m³) maakt het echter gevoelig voor ontsnapping, waardoor een hogere stroomsnelheid nodig is om het beschermende effect te behouden. Actieve gassen zoals stikstof (N₂) kunnen de lassterkte in bepaalde gevallen verbeteren door middel van vaste-oplossingsversterking, maar overmatig gebruik kan porositeit of de neerslag van brosse fasen veroorzaken. Bijvoorbeeld bij het lassen van duplex roestvast staal kan stikstofdiffusie in het smeltbad de ferriet/austeniet-fasebalans verstoren, wat resulteert in een verminderde corrosiebestendigheid.
Afbeelding 1. Laserlassen van 304L roestvrij staal (boven): Ar-gasbescherming; (onder): N2-gasbescherming
Vanuit het perspectief van het procesmechanisme kan de hoge ionisatie-energie van helium (24,6 eV) het plasma-afschermingseffect onderdrukken en de laserenergieabsorptie versterken, waardoor de penetratiediepte toeneemt. Tegelijkertijd is de lage ionisatie-energie van argon (15,8 eV) geneigd plasmawolken te genereren, wat defocussering of pulsmodulatie vereist om interferentie te verminderen. Bovendien kan de chemische reactie tussen actieve gassen en het smeltbad (zoals de reactie van stikstof met chroom in staal) de samenstelling van de las veranderen, waardoor een zorgvuldige materiaalkeuze op basis van materiaaleigenschappen noodzakelijk is.
Voorbeelden van materiaaltoepassingen:
• Staal: Bij het lassen van dunne platen (<3 mm) kan argon een goede oppervlakteafwerking garanderen, met een oxidelaagdikte van slechts 0,5 μm voor een lasnaad van 1,5 mm koolstofarm staal; voor dikke platen (>10 mm) moet een kleine hoeveelheid helium (He) worden toegevoegd om de indringdiepte te vergroten.
• Roestvast staal: Bescherming met argon kan verlies van chroom voorkomen. Een chroomgehalte van 18,2% in een 3 mm dikke lasnaad van 304 roestvast staal benadert de 18,5% van het basismetaal. Voor duplex roestvast staal is een Ar-N₂-mengsel (N₂ ≤ 5%) nodig om de verhouding in evenwicht te brengen. Studies hebben aangetoond dat bij gebruik van een Ar-2% N₂-mengsel voor 8 mm dik 2205 duplex roestvast staal de ferriet/austeniet-verhouding stabiel blijft op 48:52, met een treksterkte van 780 MPa. Dit is superieur aan bescherming met puur argon (720 MPa).
• Aluminiumlegering: Dunne platen (<3 mm): De hoge reflectiviteit van aluminiumlegeringen leidt tot een lage energieabsorptiesnelheid, en helium, met zijn hoge ionisatie-energie (24,6 eV), kan het plasma stabiliseren. Onderzoek toont aan dat wanneer een 2 mm dikke 6061 aluminiumlegering wordt beschermd door helium, de indringdiepte 1,8 mm bereikt, een toename van 25% ten opzichte van argon, en het porositeitspercentage lager is dan 1%. Voor dikke platen (>5 mm): Dikke platen van aluminiumlegering vereisen een hoge energie-input, en een helium-argonmengsel (He:Ar = 3:1) kan een balans bieden tussen indringdiepte en kosten. Bijvoorbeeld, bij het lassen van 8 mm dikke 5083 platen bereikt de indringdiepte 6,2 mm onder bescherming met een menggas, een toename van 35% ten opzichte van puur argongas, en worden de laskosten met 20% verlaagd.
Let op: de originele tekst bevat enkele fouten en inconsistenties. De aangeboden vertaling is gebaseerd op de gecorrigeerde en coherente versie van de tekst.
De invloed van de argon-gasstroom
De stroomsnelheid van het argongas heeft een directe invloed op de gasdekking en de vloeistofdynamiek van het smeltbad. Bij een te lage stroomsnelheid kan de gaslaag de lucht niet volledig afsluiten, waardoor de rand van het smeltbad gevoelig is voor oxidatie en de vorming van gasporiën. Een te hoge stroomsnelheid kan turbulentie veroorzaken, waardoor het oppervlak van het smeltbad wordt weggespoeld en lasverzakkingen of spatten ontstaan. Volgens het Reynoldsgetal (Re = ρvD/μ) in de vloeistofmechanica neemt de gassnelheid toe naarmate de stroomsnelheid hoger is. Wanneer Re > 2300, verandert de laminaire stroming in een turbulente stroming, wat de stabiliteit van het smeltbad aantast. Daarom moet de kritische stroomsnelheid worden bepaald door middel van experimenten of numerieke simulaties (zoals CFD).
Figuur 2. Effecten van verschillende gasdebieten op de lasnaad.
De stroomoptimalisatie moet worden afgestemd op de thermische geleidbaarheid van het materiaal en de plaatdikte:
• Voor staal en roestvrij staal: Voor dunne staalplaten (1-2 mm) is een debiet van 10-15 l/min aan te raden. Voor dikke platen (>6 mm) moet dit worden verhoogd tot 18-22 l/min om na-oxidatie te onderdrukken. Bijvoorbeeld: bij een debiet van 20 l/min voor 6 mm dik 316L roestvrij staal verbetert de uniformiteit van de hardheid in de warmtebeïnvloede zone met 30%.
• Voor aluminiumlegeringen: De hoge thermische geleidbaarheid vereist een hoge doorstroomsnelheid om de beschermingstijd te verlengen. Voor 3 mm dikke 7075 aluminiumlegering is de porositeit het laagst (0,3%) bij een doorstroomsnelheid van 25-30 l/min. Voor ultradikke platen (>10 mm) is het echter noodzakelijk om dit te combineren met composietblazen om turbulentie te voorkomen.
De invloed van de blaasgasmodus
De blaasmodus beïnvloedt direct het stromingspatroon van het smeltbad en het effect van defectonderdrukking door de richting en verdeling van de gasstroom te regelen. De blaasmodus reguleert de stroming van het smeltbad door de oppervlaktespanningsgradiënt en de Marangoni-stroming te veranderen. Zijwaarts blazen kan het smeltbad in een specifieke richting sturen, waardoor poriën en slakinsluitingen worden verminderd; samengesteld blazen kan de uniformiteit van de lasvorming verbeteren door de energieverdeling in evenwicht te brengen via een gasstroom in meerdere richtingen.
De belangrijkste blaasmethoden zijn onder andere:
• Coaxiaal blazen: De gasstroom wordt coaxiaal met de laserstraal afgevoerd, waardoor het smeltbad symmetrisch wordt bedekt. Dit is geschikt voor lassen met hoge snelheid. Het voordeel is een hoge processtabiliteit, maar de gasstroom kan de laserfocussering verstoren. Bijvoorbeeld: bij het gebruik van coaxiaal blazen op gegalvaniseerd plaatstaal voor de automobielindustrie (1,2 mm) kan de lassnelheid worden verhoogd tot 40 mm/s en is de spatfrequentie minder dan 0,1.
• Zijwaarts blazen: De gasstroom wordt vanaf de zijkant van het smeltbad ingebracht, waardoor plasma of onzuiverheden aan de onderkant gericht kunnen worden verwijderd. Dit is geschikt voor dieplassen. Bijvoorbeeld, bij het blazen op 12 mm dik Q345-staal onder een hoek van 30° neemt de laspenetratie met 18% toe en daalt het porositeitspercentage aan de onderkant van 4% naar 0,8%.
• Gecombineerd blazen: Door coaxiaal en zijwaarts blazen te combineren, kunnen oxidatie en plasma-interferentie tegelijkertijd worden onderdrukt. Bijvoorbeeld, bij een 3 mm dikke 6061 aluminiumlegering met een dubbel mondstukontwerp wordt het porositeitspercentage verlaagd van 2,5% naar 0,4%, en bereikt de treksterkte 95% van die van het basismateriaal.
De invloed van beschermgas op de laskwaliteit vloeit in wezen voort uit de regulering van de energieoverdracht, de thermodynamica van het smeltbad en de chemische reacties:
1. Energieoverdracht: De hoge thermische geleidbaarheid van helium versnelt de afkoeling van het smeltbad, waardoor de breedte van de warmtebeïnvloede zone (HAZ) afneemt; de lage thermische geleidbaarheid van argon verlengt de levensduur van het smeltbad, wat gunstig is voor de oppervlaktevorming van dunne platen.
2. Stabiliteit van het smeltbad: De gasstroom beïnvloedt de stroming van het smeltbad door middel van schuifkracht, en een geschikte stroomsnelheid kan spatten tegengaan; een te hoge stroomsnelheid veroorzaakt wervelingen, wat leidt tot lasfouten.
3. Chemische bescherming: Inertgassen isoleren zuurstof en voorkomen de oxidatie van legeringselementen (zoals Cr, Al); actieve gassen (zoals N₂) veranderen de laseigenschappen door middel van vaste-oplossingsversterking of compoundvorming, maar de concentratie moet nauwkeurig worden gecontroleerd.
Geplaatst op: 09-04-2025
