Technoleg weldio laser, oherwydd ei ddwysedd ynni uchel, ei fewnbwn gwres isel a'i nodweddion di-gyswllt, wedi dod yn un o'r prosesau craidd mewn gweithgynhyrchu manwl modern. Fodd bynnag, mae problemau fel ocsideiddio, mandylledd a llosgi elfennau a achosir gan gysylltiad y pwll tawdd â'r atmosffer yn ystod weldio yn cyfyngu'n ddifrifol ar briodweddau mecanyddol a bywyd gwasanaeth y sêm weldio. Fel y cyfrwng craidd ar gyfer rheoli'r amgylchedd weldio, mae angen cyplysu dewis y math, y gyfradd llif a'r dull chwythu o nwy amddiffynnol â nodweddion y deunydd (megis gweithgaredd cemegol, dargludedd thermol) a thrwch y plât.
Mathau o nwyon amddiffynnol
Prif swyddogaeth nwyon cysgodi yw ynysu ocsigen, rheoleiddio ymddygiad y pwll tawdd, a gwella effeithlonrwydd cyplu ynni. Yn seiliedig ar eu priodweddau cemegol, gellir dosbarthu nwyon cysgodi yn nwyon anadweithiol (argon, heliwm) a nwyon gweithredol (nitrogen, carbon deuocsid). Mae gan nwyon anadweithiol sefydlogrwydd cemegol uchel a gallant atal ocsideiddio'r pwll tawdd yn effeithiol, ond mae eu gwahaniaethau sylweddol mewn priodweddau ffisegol thermol yn effeithio'n sylweddol ar yr effaith weldio. Er enghraifft, mae gan argon (Ar) ddwysedd uchel (1.784 kg/m³) a gall ffurfio haen sefydlog, ond mae ei ddargludedd thermol isel (0.0177 W/m·K) yn arwain at oeri araf y pwll tawdd a threiddiad weldio bas. Mewn cyferbyniad, mae gan heliwm (He) ddargludedd thermol wyth gwaith yn uwch (0.1513 W/m·K) nag argon a gall gyflymu oeri'r pwll tawdd a chynyddu'r treiddiad weldio, ond mae ei ddwysedd isel (0.1785 kg/m³) yn ei gwneud yn dueddol o ddianc, gan olygu bod angen cyfradd llif uwch i gynnal yr effaith amddiffynnol. Gall nwyon gweithredol fel nitrogen (N₂) wella cryfder y weldiad trwy gryfhau toddiant solet mewn rhai senarios, ond gall gor-ddefnydd achosi mandylledd neu waddodiad cyfnodau brau. Er enghraifft, wrth weldio dur gwrthstaen deuol, gall trylediad nitrogen i'r pwll tawdd amharu ar gydbwysedd y cyfnod ferrite/austenit, gan arwain at ostyngiad mewn ymwrthedd cyrydiad.
Ffigur 1. Weldio laser o ddur di-staen 304L (top): amddiffyniad nwy Ar; (gwaelod): amddiffyniad nwy N2
O safbwynt mecanwaith y broses, gall egni ïoneiddio uchel heliwm (24.6 eV) atal yr effaith cysgodi plasma a gwella amsugno ynni laser, a thrwy hynny gynyddu'r dyfnder treiddiad. Yn y cyfamser, mae egni ïoneiddio isel argon (15.8 eV) yn dueddol o gynhyrchu cymylau plasma, sy'n gofyn am ddadffocysu neu fodiwleiddio pwls i leihau ymyrraeth. Yn ogystal, gall yr adwaith cemegol rhwng nwyon gweithredol a'r pwll tawdd (megis nitrogen yn adweithio â Cr mewn dur) newid cyfansoddiad y weldiad, ac mae angen dewis yn ofalus yn seiliedig ar briodweddau deunydd.
Enghreifftiau o gymhwyso deunyddiau:
• Dur: Mewn weldio platiau tenau (<3 mm), gall argon sicrhau gorffeniad arwyneb, gyda thrwch haen ocsid o ddim ond 0.5 μm ar gyfer gwythiennau weldio dur carbon isel 1.5 mm; ar gyfer platiau trwchus (>10 mm), mae angen ychwanegu ychydig bach o heliwm (He) i gynyddu'r dyfnder treiddiad.
• Dur di-staen: Gall amddiffyniad argon atal colli elfen Cr, gyda chynnwys Cr o 18.2% mewn sêm weldio dur di-staen 304 3 mm o drwch yn agosáu at 18.5% o'r metel sylfaen; ar gyfer dur di-staen deuol, mae angen cymysgedd Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) i gydbwyso'r gymhareb. Mae astudiaethau wedi dangos, wrth ddefnyddio cymysgedd Ar-2% N₂ ar gyfer dur di-staen deuol 2205 8 mm o drwch, bod y gymhareb ferrite/austenit yn sefydlog ar 48:52, gyda chryfder tynnol o 780 MPa, sy'n well na amddiffyniad argon pur (720 MPa).
• Aloi alwminiwm: Plât tenau (<3 mm): Mae adlewyrchedd uchel aloion alwminiwm yn arwain at gyfradd amsugno ynni isel, a gall heliwm, gyda'i ynni ïoneiddio uchel (24.6 eV), sefydlogi'r plasma. Mae ymchwil yn dangos pan fydd aloi alwminiwm 6061 2 mm o drwch wedi'i amddiffyn gan heliwm, bod y dyfnder treiddiad yn cyrraedd 1.8 mm, gan gynyddu 25% o'i gymharu ag argon, ac mae'r gyfradd mandylledd yn is nag 1%. Ar gyfer platiau trwchus (>5 mm): Mae platiau trwchus aloi alwminiwm angen mewnbwn ynni uchel, a gall cymysgedd heliwm-argon (He:Ar = 3:1) gydbwyso dyfnder treiddiad a chost. Er enghraifft, wrth weldio platiau 5083 8 mm o drwch, mae'r dyfnder treiddiad yn cyrraedd 6.2 mm o dan amddiffyniad nwy cymysg, gan gynyddu 35% o'i gymharu â nwy argon pur, ac mae'r gost weldio yn cael ei lleihau 20%.
Nodyn: Mae'r testun gwreiddiol yn cynnwys rhai gwallau ac anghysondebau. Mae'r cyfieithiad a ddarperir yn seiliedig ar y fersiwn gywir a chydlynol o'r testun.
Dylanwad cyfradd llif nwy argon
Mae cyfradd llif nwy argon yn effeithio'n uniongyrchol ar allu gorchuddio nwy a dynameg hylif y pwll tawdd. Pan nad yw'r gyfradd llif yn ddigonol, ni all yr haen nwy ynysu'r aer yn llwyr, ac mae ymyl y pwll tawdd yn dueddol o ocsideiddio a ffurfio mandyllau nwy; pan fydd y gyfradd llif yn rhy uchel, gall achosi tyrfedd, a all olchi wyneb y pwll tawdd ac arwain at iselder weldio neu daenellu. Yn ôl rhif Reynolds o fecaneg hylifau (Re = ρvD/μ), bydd cynnydd yn y gyfradd llif yn cynyddu cyflymder llif y nwy. Pan fydd Re > 2300, mae'r llif laminar yn troi'n llif tyrfedd, a fydd yn dinistrio sefydlogrwydd y pwll tawdd. Felly, mae angen dadansoddi pennu'r gyfradd llif gritigol trwy arbrofion neu efelychiadau rhifiadol (megis CFD).
Ffigur 2. Effeithiau Cyfraddau Llif Nwy Gwahanol ar y Sêm Weldio
Dylid addasu optimeiddio llif ar y cyd â dargludedd thermol deunydd a thrwch y plât:
• Ar gyfer dur a dur di-staen: Ar gyfer platiau dur tenau (1-2 mm), mae'r gyfradd llif yn ddelfrydol rhwng 10-15 L/mun. Ar gyfer platiau trwchus (>6 mm), dylid ei chynyddu i 18-22 L/mun i atal ocsideiddio cynffon. Er enghraifft, pan fo cyfradd llif dur di-staen 316L 6 mm o drwch yn 20 L/mun, mae unffurfiaeth caledwch HAZ yn gwella 30%.
• Ar gyfer aloi alwminiwm: Mae dargludedd thermol uchel yn gofyn am gyfradd llif uchel i ymestyn yr amser amddiffyn. Ar gyfer aloi alwminiwm 7075 3 mm o drwch, y gyfradd mandylledd yw'r isaf (0.3%) pan fydd y gyfradd llif yn 25-30 L/mun. Fodd bynnag, ar gyfer platiau uwch-drwchus (>10 mm), mae angen cyfuno â chwythu cyfansawdd i osgoi tyrfedd.
Dylanwad y modd nwy chwythu
Mae'r modd chwythu nwy yn effeithio'n uniongyrchol ar batrwm llif y pwll tawdd a'r effaith atal diffygion trwy reoli cyfeiriad a dosbarthiad llif y nwy. Mae'r modd chwythu nwy yn rheoleiddio llif y pwll tawdd trwy newid graddiant y tensiwn arwyneb a llif y Marangoni (llif Marangoni). Gall chwythu i'r ochr ysgogi'r pwll tawdd i lifo i gyfeiriad penodol, gan leihau mandyllau a chynnwys slag; gall chwythu cyfansawdd wella unffurfiaeth ffurfio weldiad trwy gydbwyso'r dosbarthiad ynni trwy lif nwy aml-gyfeiriadol.
Mae'r prif ddulliau chwythu yn cynnwys:
• Chwythu cyd-echelinol: Mae llif y nwy yn cael ei allbynnu'n gyd-echelinol â'r trawst laser, gan orchuddio'r pwll tawdd yn gymesur, sy'n addas ar gyfer weldio cyflymder uchel. Ei fantais yw sefydlogrwydd proses uchel, ond gall llif y nwy ymyrryd â ffocysu laser. Er enghraifft, wrth ddefnyddio chwythu cyd-echelinol ar ddalen ddur galfanedig modurol (1.2 mm), gellir cynyddu'r cyflymder weldio i 40 mm/s, ac mae'r gyfradd tasgu yn llai na 0.1.
• Chwythu i'r ochr: Cyflwynir y llif nwy o ochr y pwll tawdd, y gellir ei ddefnyddio i gael gwared ar amhureddau plasma neu waelod yn gyfeiriadol, sy'n addas ar gyfer weldio treiddiad dwfn. Er enghraifft, wrth chwythu ar ddur Q345 12 mm o drwch ar ongl o 30°, mae'r treiddiad weldio yn cynyddu 18%, ac mae'r gyfradd mandylledd gwaelod yn gostwng o 4% i 0.8%.
• Chwythu cyfansawdd: Gan gyfuno chwythu cyd-echelinol ac ochrol, gall atal ocsideiddio ac ymyrraeth plasma ar yr un pryd. Er enghraifft, ar gyfer aloi alwminiwm 6061 3 mm o drwch gyda dyluniad ffroenell ddwbl, mae'r gyfradd mandylledd yn cael ei lleihau o 2.5% i 0.4%, ac mae'r cryfder tynnol yn cyrraedd 95% o'r deunydd sylfaen.
Mae dylanwad nwy cysgodi ar ansawdd weldio yn deillio'n sylfaenol o'i reoleiddio trosglwyddo ynni, thermodynameg y pwll tawdd, ac adweithiau cemegol:
1. Trosglwyddo ynni: Mae dargludedd thermol uchel heliwm yn cyflymu oeri'r pwll tawdd, gan leihau lled y parth yr effeithir arno gan wres (HAZ); mae dargludedd thermol isel argon yn ymestyn amser bodolaeth y pwll tawdd, sy'n fuddiol ar gyfer ffurfio platiau tenau ar yr wyneb.
2. Sefydlogrwydd pwll tawdd: Mae llif y nwy yn effeithio ar lif y pwll tawdd trwy rym cneifio, a gall cyfradd llif briodol atal tasgu; bydd cyfradd llif gormodol yn achosi fortecs, gan arwain at ddiffygion weldio.
3. Amddiffyniad cemegol: Mae nwyon anadweithiol yn ynysu ocsigen ac yn atal ocsideiddio elfennau aloi (megis Cr, Al); mae nwyon gweithredol (megis N₂) yn newid priodweddau'r weldiad trwy gryfhau toddiant solet neu ffurfio cyfansoddion, ond mae angen rheoli'r crynodiad yn fanwl gywir.
Amser postio: Ebr-09-2025
