Pengaruh Parameter Gas Pelindung Pada Proses Pengelasan Laser

Pengaruh Parameter Gas Pelindung pada Proses Pengelasan Laser

01 Pendahuluan

Teknologi pengelasan laser, karena kepadatan energinya yang tinggi, masukan panas yang rendah, dan karakteristik non-{0}}kontak, telah menjadi salah satu proses inti dalam manufaktur presisi modern. Namun, oksidasi, porositas, dan hilangnya elemen yang disebabkan oleh kontak antara kolam cair dan atmosfer selama pengelasan sangat membatasi sifat mekanik dan masa pakai las. Gas pelindung, sebagai media inti untuk mengendalikan lingkungan pengelasan, harus dipilih berdasarkan jenis, laju aliran, dan metode hembusan, dikombinasikan dengan karakteristik material (seperti reaktivitas kimia dan konduktivitas termal) dan ketebalan pelat.

Pemrosesan Sinar Laser & Elektron

02 Jenis Gas Pelindung

Peran utama gas pelindung adalah untuk mengisolasi oksigen, mengatur perilaku kolam cair, dan meningkatkan efisiensi penggabungan energi. Berdasarkan sifat kimianya, gas pelindung diklasifikasikan menjadi gas inert (argon, helium) dan gas aktif (nitrogen, karbon dioksida). Gas inert memiliki stabilitas kimia yang tinggi dan secara efektif mencegah oksidasi pada kolam cair, namun perbedaan termofisiknya secara signifikan mempengaruhi hasil pengelasan.

Misalnya, argon (Ar) memiliki kepadatan tinggi (1,784 kg/m³), membentuk lapisan cakupan yang stabil, namun konduktivitas termalnya yang rendah (0,0177 W/m·K) memperlambat pendinginan dan menghasilkan penetrasi yang lebih dangkal. Sebaliknya, helium (He) memiliki konduktivitas termal 8 kali lebih tinggi (0,1513 W/m·K), mempercepat pendinginan dan meningkatkan kedalaman penetrasi, namun kepadatannya yang rendah (0,1785 kg/m³) membuatnya mudah lepas, sehingga membutuhkan aliran yang lebih tinggi untuk menjaga perlindungan.

Gas aktif, seperti nitrogen (N₂), dalam beberapa kasus dapat meningkatkan kekuatan las melalui penguatan larutan{0}}padat, namun penggunaan berlebihan dapat menyebabkan porositas atau pengendapan fase getas. Misalnya, infiltrasi nitrogen ke dalam kolam cair selama pengelasan baja tahan karat dupleks dapat mengganggu keseimbangan fase ferit/austenit, sehingga mengurangi ketahanan terhadap korosi.

[Gambar: Gambar 1. Pengelasan laser baja tahan karat 304L, pelindung Ar (atas); (bawah) perlindungan N₂]

Dari perspektif mekanisme proses, energi ionisasi helium yang tinggi (24,6 eV) menekan pelindung plasma, meningkatkan penyerapan dan penetrasi energi laser. Argon, dengan energi ionisasi yang lebih rendah (15,8 eV), dengan mudah menghasilkan awan plasma, memerlukan pengaburan fokus atau modulasi pulsa untuk mengurangi interferensi. Selain itu, gas aktif dapat bereaksi secara kimia dengan kumpulan lelehan (misalnya, N₂ membentuk nitrida dengan Cr dalam baja), sehingga mengubah komposisi las dan memerlukan pemilihan yang hati-hati.

Contoh penerapan materi:
- Baja: Untuk lembaran tipis (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 mm), penambahan helium meningkatkan penetrasi.
- Baja tahan karat: Perlindungan argon mencegah hilangnya Cr. Pada baja tahan karat 304 setebal 3 mm, kandungan Cr pada lasan mencapai 18,2% (mendekati 18,5% pada logam dasar). Baja tahan karat dupleks memerlukan campuran Ar-N₂ (N₂ Kurang dari atau sama dengan 5%) untuk keseimbangan fasa. Penelitian menunjukkan bahwa dengan baja tahan karat dupleks 2205 setebal 8 mm, Ar-2%N₂ mempertahankan rasio ferit/austenit 48:52 dan kekuatan tarik 780 MPa, lebih baik daripada Ar murni (720 MPa).
- Paduan aluminium: Untuk lembaran tipis (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 mm), campuran He-Ar (3:1) menyeimbangkan penetrasi dan biaya. Misalnya, pengelasan pelat 5083 setebal 8 mm dengan gas campuran mencapai penetrasi 6,2 mm, 35% lebih dalam dibandingkan Ar murni, sekaligus mengurangi biaya sebesar 20%.

Pemrosesan Sinar Laser & Elektron

03 Pengaruh Laju Aliran Gas Pelindung

Laju aliran gas pelindung secara langsung mempengaruhi kemampuan cakupan dan dinamika fluida kolam cair. Aliran yang tidak memadai gagal mengisolasi udara sepenuhnya, menyebabkan oksidasi dan porositas. Aliran yang berlebihan dapat menyebabkan turbulensi, menggerus kolam cair dan menyebabkan depresi atau hujan rintik-rintik. Berdasarkan bilangan Reynolds (Re=ρvD/μ), aliran yang lebih tinggi meningkatkan kecepatan, dan ketika Re > 2300, aliran laminar beralih ke turbulensi, sehingga mengganggu kestabilan kolam cair. Dengan demikian, laju aliran kritis harus ditentukan secara eksperimental atau dengan simulasi CFD.

[Gambar: Gambar 2. Pengaruh laju aliran gas pelindung yang berbeda pada pengelasan]

Mengoptimalkan aliran harus mempertimbangkan konduktivitas termal dan ketebalan pelat:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), 18–22 L/menit diperlukan untuk menekan oksidasi. Misalnya, dengan baja tahan karat 316L setebal 6 mm, 20 L/mnt meningkatkan keseragaman kekerasan HAZ sebesar 30%.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 mm, hembusan gabungan diperlukan untuk menghindari turbulensi.

Pemrosesan Sinar Laser & Elektron

04 Pengaruh Metode Hembusan Gas Pelindung

Metode peniupan, dengan mengendalikan arah dan distribusi aliran udara, berdampak langsung pada aliran kolam cair dan penekanan cacat. Ini mengubah gradien tegangan permukaan dan aliran Marangoni, sehingga mengatur dinamika kolam cair. Peniupan samping-menginduksi aliran terarah, mengurangi porositas dan inklusi, sementara peniupan gabungan menyeimbangkan distribusi energi dan meningkatkan keseragaman las.

[Gambar: Gambar 3. Pengaruh metode peniupan yang berbeda pada pengelasan]

Metode hembusan utama:
- Hembusan koaksial: Aliran udara koaksial dengan sinar laser, menutupi kolam leleh secara simetris, cocok untuk-pengelasan berkecepatan tinggi. Ini memastikan stabilitas proses yang tinggi tetapi dapat mengganggu pemfokusan laser. Misalnya, dengan baja otomotif galvanis 1,2 mm, hembusan koaksial meningkatkan kecepatan pengelasan hingga 40 mm/s, dengan percikan<0.1.
- Tiupan-samping: Aliran udara masuk dari samping, secara efektif membersihkan plasma dan kotoran, cocok untuk pengelasan penetrasi dalam. Untuk baja Q345 setebal 12 mm dengan hembusan sisi-30 derajat, penetrasi meningkat 18%, dan porositas turun dari 4% menjadi 0,8%.
- Hembusan gabungan: Menggabungkan hembusan koaksial dan-samping, yang secara bersamaan menekan oksidasi dan gangguan plasma. Untuk paduan aluminium 6061 setebal 3 mm dengan desain nosel ganda, porositas menurun dari 2,5% menjadi 0,4%, dengan kekuatan tarik mencapai 95% dari material dasar.

05 Kesimpulan

Pengaruh gas pelindung terhadap kualitas pengelasan pada dasarnya berasal dari pengaturan transfer energi, termodinamika kolam cair, dan reaksi kimia:
1. Transfer energi: Konduktivitas termal Helium yang tinggi mempercepat pendinginan, mengurangi lebar HAZ; Konduktivitas argon yang rendah memperpanjang masa pakai kolam cair, sehingga menguntungkan pembentukan lembaran tipis.
2. Stabilitas kolam cair: Geser aliran udara mempengaruhi aliran kolam cair. Aliran yang tepat akan menekan percikan, sedangkan aliran yang berlebihan akan menyebabkan vortisitas dan cacat.
3. Perlindungan kimia: Gas inert mengisolasi oksigen, mencegah oksidasi elemen paduan (misalnya Cr, Al). Gas aktif (misalnya, N₂) mengubah sifat las melalui penguatan larutan padat atau pembentukan senyawa, namun memerlukan kontrol yang tepat.

Pemrosesan Sinar Laser & Elektron

Sumber: Dikumpulkan oleh tim editorial akun publik WeChat "Teknologi dan Aplikasi Pemrosesan Sinar Energi Tinggi."