Teknologi pengelasan laserKarena kepadatan energinya yang tinggi, masukan panas yang rendah, dan karakteristik tanpa kontak, pengelasan telah menjadi salah satu proses inti dalam manufaktur presisi modern. Namun, masalah seperti oksidasi, porositas, dan pembakaran elemen yang disebabkan oleh kontak kolam lelehan dengan atmosfer selama pengelasan sangat membatasi sifat mekanik dan masa pakai sambungan las. Sebagai media inti untuk mengontrol lingkungan pengelasan, pemilihan jenis, laju aliran, dan mode peniupan gas pelindung perlu dikaitkan dengan karakteristik material (seperti aktivitas kimia, konduktivitas termal) dan ketebalan pelat.
Jenis-jenis gas pelindung
Fungsi utama gas pelindung terletak pada isolasi oksigen, pengaturan perilaku kolam lelehan, dan peningkatan efisiensi penggabungan energi. Berdasarkan sifat kimianya, gas pelindung dapat diklasifikasikan menjadi gas inert (argon, helium) dan gas aktif (nitrogen, karbon dioksida). Gas inert memiliki stabilitas kimia yang tinggi dan dapat secara efektif mencegah oksidasi kolam lelehan, tetapi perbedaan signifikan dalam sifat termal dan fisiknya sangat memengaruhi efek pengelasan. Misalnya, argon (Ar) memiliki densitas tinggi (1,784 kg/m³) dan dapat membentuk lapisan yang stabil, tetapi konduktivitas termalnya yang rendah (0,0177 W/m·K) menyebabkan pendinginan kolam lelehan yang lambat dan penetrasi las yang dangkal. Sebaliknya, helium (He) memiliki konduktivitas termal delapan kali lebih tinggi (0,1513 W/m·K) daripada argon dan dapat mempercepat pendinginan kolam lelehan serta meningkatkan penetrasi las, tetapi densitasnya yang rendah (0,1785 kg/m³) membuatnya rentan menguap, sehingga membutuhkan laju aliran yang lebih tinggi untuk mempertahankan efek perlindungan. Gas aktif seperti nitrogen (N₂) dapat meningkatkan kekuatan las melalui penguatan larutan padat dalam skenario tertentu, tetapi penggunaan yang berlebihan dapat menyebabkan porositas atau pengendapan fase rapuh. Misalnya, saat mengelas baja tahan karat dupleks, difusi nitrogen ke dalam kolam lelehan dapat mengganggu keseimbangan fase ferit/austenit, yang mengakibatkan penurunan ketahanan korosi.
Gambar 1. Pengelasan laser baja tahan karat 304L (atas): Pelindung gas Ar; (bawah): Pelindung gas N2
Dari perspektif mekanisme proses, energi ionisasi helium yang tinggi (24,6 eV) dapat menekan efek perisai plasma dan meningkatkan penyerapan energi laser, sehingga meningkatkan kedalaman penetrasi. Sementara itu, energi ionisasi argon yang rendah (15,8 eV) cenderung menghasilkan awan plasma, yang memerlukan defokus atau modulasi pulsa untuk mengurangi interferensi. Selain itu, reaksi kimia antara gas aktif dan kolam lelehan (seperti nitrogen yang bereaksi dengan Cr dalam baja) dapat mengubah komposisi las, dan pemilihan yang cermat berdasarkan sifat material sangat diperlukan.
Contoh aplikasi material:
• Baja: Pada pengelasan pelat tipis (<3 mm), argon dapat memastikan hasil akhir permukaan yang baik, dengan ketebalan lapisan oksida hanya 0,5 μm untuk sambungan las baja karbon rendah 1,5 mm; untuk pelat tebal (>10 mm), sejumlah kecil helium (He) perlu ditambahkan untuk meningkatkan kedalaman penetrasi.
• Baja tahan karat: Perlindungan argon dapat mencegah hilangnya unsur Cr, dengan kandungan Cr sebesar 18,2% pada sambungan las baja tahan karat 304 setebal 3 mm mendekati 18,5% pada logam dasar; untuk baja tahan karat dupleks, campuran Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) diperlukan untuk menyeimbangkan rasio tersebut. Studi menunjukkan bahwa ketika menggunakan campuran Ar-2% N₂ untuk baja tahan karat dupleks 2205 setebal 8 mm, rasio ferit/austenit stabil pada 48:52, dengan kekuatan tarik 780 MPa, yang lebih unggul daripada perlindungan argon murni (720 MPa).
• Paduan aluminium: Pelat tipis (<3 mm): Reflektivitas tinggi paduan aluminium menyebabkan tingkat penyerapan energi yang rendah, dan helium, dengan energi ionisasi yang tinggi (24,6 eV), dapat menstabilkan plasma. Penelitian menunjukkan bahwa ketika paduan aluminium 6061 setebal 2 mm dilindungi oleh helium, kedalaman penetrasi mencapai 1,8 mm, meningkat 25% dibandingkan dengan argon, dan tingkat porositas lebih rendah dari 1%. Untuk pelat tebal (>5 mm): Pelat tebal paduan aluminium membutuhkan masukan energi yang tinggi, dan campuran helium-argon (He:Ar = 3:1) dapat menyeimbangkan kedalaman penetrasi dan biaya. Misalnya, ketika mengelas pelat 5083 setebal 8 mm, kedalaman penetrasi mencapai 6,2 mm di bawah perlindungan gas campuran, meningkat 35% dibandingkan dengan gas argon murni, dan biaya pengelasan berkurang 20%.
Catatan: Teks asli mengandung beberapa kesalahan dan ketidaksesuaian. Terjemahan yang diberikan didasarkan pada versi teks yang telah dikoreksi dan lebih koheren.
Pengaruh laju aliran gas argon
Laju aliran gas argon secara langsung memengaruhi kemampuan cakupan gas dan dinamika fluida dari kolam lelehan. Ketika laju aliran tidak mencukupi, lapisan gas tidak dapat sepenuhnya mengisolasi udara, dan tepi kolam lelehan rentan terhadap oksidasi dan pembentukan pori-pori gas; ketika laju aliran terlalu tinggi, dapat menyebabkan turbulensi, yang dapat menghanyutkan permukaan kolam lelehan dan menyebabkan cekungan las atau percikan. Menurut bilangan Reynolds dalam mekanika fluida (Re = ρvD/μ), peningkatan laju aliran akan meningkatkan kecepatan aliran gas. Ketika Re > 2300, aliran laminar berubah menjadi aliran turbulen, yang akan merusak stabilitas kolam lelehan. Oleh karena itu, penentuan laju aliran kritis perlu dianalisis melalui eksperimen atau simulasi numerik (seperti CFD).
Gambar 2. Pengaruh Berbagai Laju Aliran Gas pada Sambungan Las
Optimalisasi aliran harus disesuaikan dengan kombinasi konduktivitas termal material dan ketebalan pelat:
• Untuk baja dan baja tahan karat: Untuk pelat baja tipis (1-2 mm), laju alir sebaiknya 10-15 L/min. Untuk pelat tebal (>6 mm), laju alir harus ditingkatkan menjadi 18-22 L/min untuk menekan oksidasi ekor. Misalnya, ketika laju alir baja tahan karat 316L setebal 6 mm adalah 20 L/min, keseragaman kekerasan HAZ meningkat sebesar 30%.
• Untuk paduan aluminium: Konduktivitas termal yang tinggi memerlukan laju aliran yang tinggi untuk memperpanjang waktu perlindungan. Untuk paduan aluminium 7075 setebal 3 mm, tingkat porositas terendah (0,3%) terjadi ketika laju aliran 25-30 L/menit. Namun, untuk pelat ultra-tebal (>10 mm), perlu dikombinasikan dengan peniupan komposit untuk menghindari turbulensi.
Pengaruh mode gas tiup
Mode aliran gas secara langsung memengaruhi pola aliran kolam lelehan dan efek penekanan cacat dengan mengendalikan arah dan distribusi aliran gas. Mode aliran gas mengatur aliran kolam lelehan dengan mengubah gradien tegangan permukaan dan aliran Marangoni. Aliran gas menyamping dapat mendorong kolam lelehan untuk mengalir ke arah tertentu, mengurangi pori-pori dan inklusi terak; aliran gas komposit dapat meningkatkan keseragaman pembentukan las dengan menyeimbangkan distribusi energi melalui aliran gas multi-arah.
Metode utama meniup meliputi:
• Peniupan koaksial: Aliran gas dikeluarkan secara koaksial dengan sinar laser, secara simetris menutupi kolam lelehan, cocok untuk pengelasan kecepatan tinggi. Keuntungannya adalah stabilitas proses yang tinggi, tetapi aliran gas dapat mengganggu pemfokusan laser. Misalnya, ketika menggunakan peniupan koaksial pada lembaran baja galvanis otomotif (1,2 mm), kecepatan pengelasan dapat ditingkatkan hingga 40 mm/s, dan tingkat percikan kurang dari 0,1.
• Peniupan dari samping: Aliran gas dimasukkan dari sisi kolam lelehan, yang dapat digunakan untuk menghilangkan plasma atau kotoran di bagian bawah secara terarah, cocok untuk pengelasan penetrasi dalam. Misalnya, ketika meniup pada baja Q345 setebal 12 mm dengan sudut 30°, penetrasi las meningkat sebesar 18%, dan tingkat porositas bagian bawah menurun dari 4% menjadi 0,8%.
• Peniupan komposit: Dengan menggabungkan peniupan koaksial dan menyamping, metode ini dapat secara simultan menekan oksidasi dan interferensi plasma. Misalnya, untuk paduan aluminium 6061 setebal 3 mm dengan desain nosel ganda, tingkat porositas berkurang dari 2,5% menjadi 0,4%, dan kekuatan tarik mencapai 95% dari material dasar.
Pengaruh gas pelindung terhadap kualitas pengelasan pada dasarnya berasal dari pengaturannya terhadap transfer energi, termodinamika kolam lelehan, dan reaksi kimia:
1. Transfer energi: Konduktivitas termal helium yang tinggi mempercepat pendinginan kolam lelehan, mengurangi lebar zona yang terpengaruh panas (HAZ); konduktivitas termal argon yang rendah memperpanjang waktu keberadaan kolam lelehan, yang bermanfaat untuk pembentukan permukaan pelat tipis.
2. Stabilitas kolam lelehan: Aliran gas memengaruhi aliran kolam lelehan melalui gaya geser, dan laju aliran yang tepat dapat menekan percikan; laju aliran yang berlebihan akan menyebabkan pusaran, yang mengakibatkan cacat pengelasan.
3. Perlindungan kimia: Gas inert mengisolasi oksigen dan mencegah oksidasi unsur paduan (seperti Cr, Al); gas aktif (seperti N₂) mengubah sifat las melalui penguatan larutan padat atau pembentukan senyawa, tetapi konsentrasinya perlu dikontrol secara tepat.
Waktu posting: 09-Apr-2025
