დამცავი გაზის პარამეტრების გავლენა ლაზერული შედუღების პროცესზე

ლაზერული შედუღების ტექნოლოგიამაღალი ენერგიის სიმკვრივის, დაბალი სითბოს შეყვანისა და უკონტაქტო მახასიათებლების გამო, თანამედროვე ზუსტი წარმოების ერთ-ერთ ძირითად პროცესად იქცა. თუმცა, ისეთი პრობლემები, როგორიცაა დაჟანგვა, ფორიანობა და ელემენტის წვა, რაც გამოწვეულია შედუღების დროს გამდნარი სითხის ატმოსფეროსთან კონტაქტით, სერიოზულად ზღუდავს შედუღების ნაკერის მექანიკურ თვისებებს და მომსახურების ვადას. როგორც შედუღების გარემოს კონტროლის ძირითადი საშუალება, დამცავი გაზის ტიპის, ნაკადის სიჩქარისა და აფეთქების რეჟიმის შერჩევა უნდა იყოს შერწყმული მასალის მახასიათებლებთან (როგორიცაა ქიმიური აქტივობა, თბოგამტარობა) და ფირფიტის სისქესთან.

დამცავი აირების სახეები

დამცავი აირების ძირითადი ფუნქციაა ჟანგბადის იზოლირება, გამდნარი აუზის ქცევის რეგულირება და ენერგიის შეერთების ეფექტურობის გაუმჯობესება. მათი ქიმიური თვისებების მიხედვით, დამცავი აირების კლასიფიკაცია შესაძლებელია ინერტულ აირებად (არგონი, ჰელიუმი) და აქტიურ აირებად (აზოტი, ნახშირორჟანგი). ინერტულ აირებს აქვთ მაღალი ქიმიური სტაბილურობა და შეუძლიათ ეფექტურად აიცილონ გამდნარი აუზის დაჟანგვა, მაგრამ მათი თერმული ფიზიკური თვისებების მნიშვნელოვანი განსხვავებები მნიშვნელოვნად მოქმედებს შედუღების ეფექტზე. მაგალითად, არგონს (Ar) აქვს მაღალი სიმკვრივე (1.784 კგ/მ³) და შეუძლია წარმოქმნას სტაბილური საფარი, მაგრამ მისი დაბალი თბოგამტარობა (0.0177 W/m·K) იწვევს გამდნარი აუზის ნელ გაგრილებას და შედუღების ზედაპირულ შეღწევადობას. ამის საპირისპიროდ, ჰელიუმს (He) აქვს რვაჯერ მაღალი თბოგამტარობა (0.1513 W/m·K) ვიდრე არგონს და შეუძლია დააჩქაროს გამდნარი აუზის გაგრილება და გაზარდოს შედუღების შეღწევადობა, მაგრამ მისი დაბალი სიმკვრივე (0.1785 კგ/მ³) მას გასვლისკენ მიდრეკილს ხდის, რაც დამცავი ეფექტის შესანარჩუნებლად უფრო მაღალ ნაკადის სიჩქარეს მოითხოვს. აქტიურ აირებს, როგორიცაა აზოტი (N₂), შეუძლიათ შედუღების სიმტკიცის გაზრდა მყარი ხსნარით გამაგრების გზით გარკვეულ სცენარებში, მაგრამ ჭარბმა გამოყენებამ შეიძლება გამოიწვიოს ფორიანობა ან მყიფე ფაზების დალექვა. მაგალითად, დუპლექსური უჟანგავი ფოლადის შედუღებისას, აზოტის დიფუზიამ გამდნარ აუზში შეიძლება დაარღვიოს ფერიტის/აუსტენიტის ფაზური ბალანსი, რაც იწვევს კოროზიისადმი მდგრადობის შემცირებას.

სურათი 1. 304L უჟანგავი ფოლადის ლაზერული შედუღება (ზედა): Ar აირის დაცვა; (ქვედა): N2 აირის დაცვა

პროცესის მექანიზმის თვალსაზრისით, ჰელიუმის მაღალი იონიზაციის ენერგია (24.6 eV) თრგუნავს პლაზმური დამცავი ეფექტს და აძლიერებს ლაზერული ენერგიის შთანთქმას, რითაც ზრდის შეღწევადობის სიღრმეს. ამასობაში, არგონის დაბალი იონიზაციის ენერგია (15.8 eV) მიდრეკილია პლაზმური ღრუბლების წარმოქმნისკენ, რაც მოითხოვს დეფოკუსირებას ან იმპულსურ მოდულაციას ჩარევის შესამცირებლად. გარდა ამისა, აქტიურ გაზებსა და გამდნარ აუზი შორის ქიმიურმა რეაქციამ (მაგალითად, აზოტის რეაქცია ფოლადში ქრომთან) შეიძლება შეცვალოს შედუღების შემადგენლობა და აუცილებელია მასალის თვისებების გათვალისწინებით ფრთხილად შერჩევა.

მასალის გამოყენების მაგალითები:

• ფოლადი: თხელი ფირფიტების (<3 მმ) შედუღებისას, არგონს შეუძლია უზრუნველყოს ზედაპირის დასრულება, ოქსიდის ფენის სისქით მხოლოდ 0.5 მკმ 1.5 მმ დაბალნახშირბადიანი ფოლადის შედუღების ნაკერისთვის; სქელი ფირფიტების (>10 მმ) შემთხვევაში, შეღწევადობის სიღრმის გასაზრდელად საჭიროა მცირე რაოდენობით ჰელიუმის (He) დამატება.

• უჟანგავი ფოლადი: არგონის დაცვას შეუძლია თავიდან აიცილოს Cr ელემენტის დაკარგვა, 3 მმ სისქის 304 უჟანგავი ფოლადის შედუღებულ ნაკერში Cr-ის 18.2%-იანი შემცველობით, რომელიც უახლოვდება ძირითადი ლითონის 18.5%-ს; დუპლექსური უჟანგავი ფოლადისთვის, თანაფარდობის დასაბალანსებლად საჭიროა Ar-N₂ ნარევი (N₂ ≤ 5%). კვლევებმა აჩვენა, რომ 8 მმ სისქის 2205 დუპლექსური უჟანგავი ფოლადისთვის Ar-2% N₂ ნარევის გამოყენებისას, ფერიტის/აუსტენიტის თანაფარდობა სტაბილურია 48:52-ზე, 780 მპა დაჭიმვის სიმტკიცით, რაც აღემატება სუფთა არგონის დაცვას (720 მპა).

• ალუმინის შენადნობი: თხელი ფირფიტა (<3 მმ): ალუმინის შენადნობების მაღალი არეკვლა იწვევს ენერგიის შთანთქმის დაბალ მაჩვენებელს, ხოლო ჰელიუმს, თავისი მაღალი იონიზაციის ენერგიით (24.6 eV), შეუძლია პლაზმის სტაბილიზაცია. კვლევები აჩვენებს, რომ როდესაც 2 მმ სისქის 6061 ალუმინის შენადნობი დაცულია ჰელიუმით, შეღწევადობის სიღრმე აღწევს 1.8 მმ-ს, რაც არგონთან შედარებით 25%-ით იზრდება, ხოლო ფორიანობის მაჩვენებელი 1%-ზე დაბალია. სქელი ფირფიტებისთვის (>5 მმ): ალუმინის შენადნობის სქელ ფირფიტებს სჭირდებათ მაღალი ენერგიის მიწოდება, ხოლო ჰელიუმ-არგონის ნარევი (He:Ar = 3:1) აბალანსებს როგორც შეღწევადობის სიღრმეს, ასევე ღირებულებას. მაგალითად, 8 მმ სისქის 5083 ფირფიტების შედუღებისას, შეღწევადობის სიღრმე აღწევს 6.2 მმ-ს შერეული გაზის დაცვის ქვეშ, რაც სუფთა არგონის გაზთან შედარებით 35%-ით იზრდება, ხოლო შედუღების ღირებულება მცირდება 20%-ით.

შენიშვნა: ორიგინალი ტექსტი შეიცავს გარკვეულ შეცდომებსა და შეუსაბამობებს. მოწოდებული თარგმანი ეფუძნება ტექსტის შესწორებულ და თანმიმდევრულ ვერსიას.

არგონის გაზის ნაკადის სიჩქარის გავლენა

არგონის გაზის ნაკადის სიჩქარე პირდაპირ გავლენას ახდენს გამდნარი აუზის გაზის დაფარვის შესაძლებლობასა და სითხის დინამიკაზე. როდესაც ნაკადის სიჩქარე არასაკმარისია, გაზის ფენას არ შეუძლია ჰაერის სრულად იზოლირება და გამდნარი აუზის კიდე მიდრეკილია დაჟანგვისა და გაზის ფორების წარმოქმნისკენ; როდესაც ნაკადის სიჩქარე ძალიან მაღალია, ამან შეიძლება გამოიწვიოს ტურბულენტობა, რამაც შეიძლება გამორეცხოს გამდნარი აუზის ზედაპირი და გამოიწვიოს შედუღების ჩაღრმავება ან გაფრქვევა. სითხის მექანიკის რეინოლდსის რიცხვის (Re = ρvD/μ) მიხედვით, ნაკადის სიჩქარის ზრდა გაზრდის გაზის ნაკადის სიჩქარეს. როდესაც Re > 2300, ლამინარული ნაკადი გარდაიქმნება ტურბულენტურ ნაკადად, რაც გაანადგურებს გამდნარი აუზის სტაბილურობას. ამიტომ, კრიტიკული ნაკადის სიჩქარის განსაზღვრა უნდა გაანალიზდეს ექსპერიმენტებით ან რიცხვითი სიმულაციებით (მაგალითად, CFD).

სურათი 2. სხვადასხვა გაზის ნაკადის სიჩქარის გავლენა შედუღების ნაკერზე

ნაკადის ოპტიმიზაცია უნდა დარეგულირდეს მასალის თბოგამტარობასთან და ფირფიტის სისქესთან ერთად:

• ფოლადისა და უჟანგავი ფოლადისთვის: თხელი ფოლადის ფირფიტებისთვის (1-2 მმ), ნაკადის სიჩქარე სასურველია იყოს 10-15 ლ/წთ. სქელი ფირფიტებისთვის (>6 მმ), კუდის დაჟანგვის აღსაკვეთად ის უნდა გაიზარდოს 18-22 ლ/წთ-მდე. მაგალითად, როდესაც 6 მმ სისქის 316L უჟანგავი ფოლადის ნაკადის სიჩქარე 20 ლ/წთ-ია, HAZ სიმტკიცის ერთგვაროვნება 30%-ით უმჯობესდება.

• ალუმინის შენადნობისთვის: მაღალი თბოგამტარობა დაცვის დროის გასახანგრძლივებლად მაღალ ნაკადის სიჩქარეს მოითხოვს. 3 მმ სისქის 7075 ალუმინის შენადნობისთვის, ფორიანობის მაჩვენებელი ყველაზე დაბალია (0.3%), როდესაც ნაკადის სიჩქარე 25-30 ლ/წთ-ია. თუმცა, ულტრა სქელი ფირფიტებისთვის (>10 მმ), ტურბულენტობის თავიდან ასაცილებლად აუცილებელია კომპოზიტური აფეთქების შერწყმა.

აფეთქების გაზის რეჟიმის გავლენა

გაზის აფეთქების რეჟიმი პირდაპირ გავლენას ახდენს გამდნარი აუზის ნაკადის ნიმუშზე და დეფექტების ჩახშობის ეფექტზე გაზის ნაკადის მიმართულებისა და განაწილების კონტროლით. გაზის აფეთქების რეჟიმი არეგულირებს გამდნარი აუზის ნაკადს ზედაპირული დაჭიმულობის გრადიენტის და მარანგონის ნაკადის (მარანგონის ნაკადი) შეცვლით. გვერდითი აფეთქება იწვევს გამდნარი აუზის დინებას კონკრეტული მიმართულებით, რაც ამცირებს ფორებსა და წიდის ჩაჭედვას; კომპოზიტური აფეთქება აუმჯობესებს შედუღების ფორმირების ერთგვაროვნებას ენერგიის განაწილების დაბალანსებით მრავალმხრივი გაზის ნაკადის მეშვეობით.

აფეთქების ძირითადი მეთოდები მოიცავს:

• კოაქსიალური აფეთქება: გაზის ნაკადი ლაზერული სხივის კოაქსიალურად გამოდის, სიმეტრიულად ფარავს გამდნარ აუზს, რაც შესაფერისია მაღალსიჩქარიანი შედუღებისთვის. მისი უპირატესობა მაღალი პროცესის სტაბილურობაა, თუმცა გაზის ნაკადმა შეიძლება ხელი შეუშალოს ლაზერული ფოკუსირებას. მაგალითად, საავტომობილო გალვანიზებული ფოლადის ფურცელზე (1.2 მმ) კოაქსიალური აფეთქების გამოყენებისას, შედუღების სიჩქარე შეიძლება გაიზარდოს 40 მმ/წმ-მდე, ხოლო შესხურების სიჩქარე 0.1-ზე ნაკლებია.

• გვერდითი აფეთქება: გაზის ნაკადი შეჰყავთ გამდნარი აუზის გვერდიდან, რომლის გამოყენება შესაძლებელია პლაზმის ან ფსკერის მინარევების მიმართულებით მოსაშორებლად, რაც შესაფერისია ღრმა შეღწევადობის შედუღებისთვის. მაგალითად, 12 მმ სისქის Q345 ფოლადზე 30°-იანი კუთხით აფეთქებისას, შედუღების შეღწევადობა იზრდება 18%-ით, ხოლო ფსკერის ფორიანობის კოეფიციენტი მცირდება 4%-დან 0.8%-მდე.

• კომპოზიტური შებერვა: კოაქსიალური და გვერდითი შებერვის კომბინაციით, მას შეუძლია ერთდროულად ჩაახშოს დაჟანგვა და პლაზმური ინტერფერენცია. მაგალითად, 3 მმ სისქის 6061 ალუმინის შენადნობისთვის ორმაგი საქშენის დიზაინით, ფორიანობის კოეფიციენტი მცირდება 2.5%-დან 0.4%-მდე, ხოლო დაჭიმვის სიმტკიცე აღწევს ძირითადი მასალის 95%-ს.

დამცავი გაზის გავლენა შედუღების ხარისხზე ძირითადად განპირობებულია ენერგიის გადაცემის რეგულირებით, გამდნარი სითხის თერმოდინამიკით და ქიმიური რეაქციებით:

1. ენერგიის გადაცემა: ჰელიუმის მაღალი თბოგამტარობა აჩქარებს გამდნარი აუზის გაგრილებას, ამცირებს სითბოს ზემოქმედების ზონის (HAZ) სიგანეს; არგონის დაბალი თბოგამტარობა ახანგრძლივებს გამდნარი აუზის არსებობის დროს, რაც სასარგებლოა თხელი ფილების ზედაპირული ფორმირებისთვის.

2. გამდნარი სითხის აუზის სტაბილურობა: გაზის ნაკადი გავლენას ახდენს გამდნარი სითხის დინებაზე ძვრის ძალის მეშვეობით და შესაბამისი ნაკადის სიჩქარე თრგუნავს შხეფებს; ჭარბი ნაკადის სიჩქარე გამოიწვევს მორევს, რაც შედუღების დეფექტებს გამოიწვევს.

3. ქიმიური დაცვა: ინერტული აირები იზოლირებენ ჟანგბადს და ხელს უშლიან შენადნობის ელემენტების (როგორიცაა Cr, Al) დაჟანგვას; აქტიური აირები (როგორიცაა N₂) ცვლიან შედუღების თვისებებს მყარი ხსნარის გამაგრების ან ნაერთის წარმოქმნის გზით, თუმცა კონცენტრაცია ზუსტად უნდა იყოს კონტროლირებადი.